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中國科學技術大學
當我們仰望星空，我們到底在仰望什麼？吸引我們的除了肉眼可見的繁星點點和月亮圓缺，還有鮮有人知的接近“透明”的中高層大氣。中高層大氣是高度為十幾千米到幾百千米之間的區域，這裡相較於我們人類生存的對流層大氣，更為稀薄，更為純淨，雖然我們肉眼可見的雲霧和雨雪，通常發生在對流層(底層大氣)，但中高層大氣更容易受到太陽和地磁活動的影響，與人類的生存環境和航天活動等關係也極為密切，這一區域的大氣密度相較於對流層，更容易產生劇烈變化，這會嚴重影響衛星的軌道預測。在仰望星空的“好奇者”群體當中，有一批空間物理科學家，他們窮其一生，探尋著中高層大氣這塊“透明”區域。在他們的眼中，這裡並不是“小透明”，這裡發生著能量的轉化、物質的變更、粒子的碰撞和電磁相互作用等各種各樣精彩而又鮮為人知的故事。這一區域離地面較為遙遠，通常只有探空氣球、高空飛艇和火箭能夠直接到達，成本高昂，這也導致對這一區域的觀測較為匱乏。為了更方便地研究這個區域，科學家們在不斷努力地建造更多先進的工具，目的在於能夠直接在地面建設儀器，在時間維度上持續地對這一區域發生的各種物理過程進行遙感，這一手段，被稱作“地基遙感”。
20 世紀60 年代，鐳射技術被髮明出來，並快速開啟了它在各個領域的重要應用。隨之而來的，是鐳射雷達的問世。透過利用鐳射與大氣成分的相互作用，大氣鐳射雷達逐漸發展成為了中高層大氣地基遙感領域不可或缺的工具。由於不同高度大氣的成分和特徵的不同，發展出了針對不同高度進行探測的多種型別的大氣鐳射雷達。比如，氣溶膠鐳射雷達可以探測30 km 以下的大氣中的塵埃雲霧，瑞利鐳射雷達能夠探測30~80 km大氣的溫度、密度和風，共振熒光鐳射雷達可以探測80~200 km的金屬原子和離子密度。然而，200 km 以上的高度，由於大氣稀薄到接近“真空”的程度，沒有了易於激發的鈉、鐵等原子，各種分子和原子的密度大大降低，距離也非常遙遠，即使發射高能量的鐳射到這個區域，在地面上能夠接收到的訊號也極其微弱，導致鐳射雷達想要探測這一區域，在技術和原理上變得極為困難。儘管面臨巨大的技術挑戰，空間物理科學家們，經過多年的技術論證和攻關，探索出了一種目前唯一可行的200~1000 km 的大氣鐳射雷達探測手段，那就是亞穩態氦鐳射雷達。
亞穩態氦鐳射雷達，顧名思義，就是利用200~1000 km 大氣中本來就存在的亞穩態氦原子作為“示蹤物”，從地面發射高能量的鐳射，鐳射傳輸到這個高度以後，能夠激發亞穩態氦原子的熒光，熒光是向各個方向均勻地發射出來(圖1)。
圖1中高層大氣中的亞穩態氦原子，被鐳射雷達發出的鐳射激發出共振熒光，發出光子
其中只有一小部分沿著垂直方向嚴格向下傳輸的熒光，能夠被地面的望遠鏡接收到。透過接收到的能量大小，就可以計算得到大氣中亞穩態氦原子的密度，再透過理論模型，進一步推算出大氣基態氦原子的密度。雖然這一探測原理與80~200 km 的金屬原子共振熒光鐳射雷達基本相同，但亞穩態氦鐳射雷達需要完成更為“艱鉅的任務”，具體來講，200 km以上的亞穩態氦原子密度即使在最強的時候，相較於200km以下的金屬原子(以最為典型的90 km高度鈉原子為例)，密度也低了幾千倍，另外，由於亞穩態氦原子密度的峰值大約在400~600 km，距離遠了好幾倍，而接收訊號的強度與距離的平方成反比關係，這就導致在地面能接收到的訊號，在同等條件下，只相當於傳統的鈉鐳射雷達訊號的一萬到一百萬分之一。聽起來，這似乎是一個“不可能完成的任務”。但是方法總比困難多，為了完成這個任務，中國科學技術大學的鐳射雷達團隊，近十年來，不斷地開展技術攻關和理論創新，透過多個關鍵技術的驗證成功，讓亞穩態氦鐳射雷達的實現成為了可能。首先，我們需要建設一臺單脈衝能量能夠達到400 mJ 的1083 nm脈衝鐳射器，才能夠有足夠的能量用於激發大氣中極其稀少的亞穩態氦原子，儘管400 mJ的能量聽起來並不大，但我們需要將這麼多能量集中在10 ns 的時間內發射到大氣中，如此一來，鐳射的峰值功率就高達40 MW，相當於100 萬臺白熾燈同時點亮；其次，由於距離遙遠，在地面能夠接收到的熒光訊號極其微弱，我們需要足夠大的望遠鏡(口徑2 m以上)來儘可能多地接收訊號，然而大口徑的望遠鏡，價格非常昂貴，為了最佳化成本，我們採用了圍成一圈的六個1 m口徑的望遠鏡組合接收，這樣就能夠以大約五分之一的成本實現同樣的效果，這也成為了“陣列式大口徑鐳射雷達”這個名字的由來(圖2)；最後，由於接收到的熒光已經弱到了單光子級別，一個光子的能量極低，傳統的紅外光電探測器無法探測，這就需要一臺能夠靈敏到對單個光子進行探測的光電探測器，然而，目前市面上的紅外單光子探測器，都具有很高的噪聲，這個噪聲的強度甚至高於從大氣中接收的訊號的強度，幸運的是，透過前沿的交叉合作，我們研製出一款高效能的超導奈米線探測器，能夠靈敏地探測到單個光子，並準確記錄下光子到達的時間，與此同時，這個探測器能夠保持極低的噪聲。然而，引入這個新技術的同時，也引入了新的難題，由於超導奈米線內部的探測晶片對長波光子極為敏感，如果用於傳導單光子的光纖過粗，會將黑體輻射引入，使得探測器自發產生過多的噪聲，干擾訊號的探測，只能將光纖的芯徑控制在200 μm左右，而這根光纖還要一分為六，接入六個望遠鏡，這就導致每個望遠鏡接入的光纖只有60 μm大小，大約是一根頭髮絲的直徑，相較於傳統的鈉鐳射雷達通常所採用的1 mm光纖，光纖細了十幾倍，這意味著望遠鏡的視場將縮小十幾倍，在極小的視場下，還需要精準地控制發射光與接收光的方向，使得收發保持高度重合，如果把這個過程比喻成一個射擊比賽，那麼我們不僅需要用鐳射“瞄準”並擊中千里之外的高空原子，還要再精準地將千里之外飛回來的光子精準地接住並彈進60 μm大小的光纖端面，這個過程猶如刀尖上的舞蹈，失之毫釐，謬以千里。
圖2 (a)陣列式大口徑鐳射雷達方艙照片；(b)方艙設計圖，圖中紅色光柱表示1083 nm鐳射束，實際為不可見光，這裡為了示意，表示為紅色
由中國科學技術大學承擔建設的這臺“陣列式大口徑鐳射雷達”，前期經過5 年的技術原理驗證與技術模擬，在2019 年正式開始從無到有的建設。2023 年，國際首臺具有全季節觀測能力的亞穩態氦鐳射雷達建設完成。這臺雷達，佔地150 m2，主要由鐳射發射系統、陣列式望遠鏡接收系統和光電探測及控制系統組成。鐳射發射系統(圖3)的功能是發射出1083 nm的高能量脈衝鐳射，為了輸出足夠高的能量，我們集成了三套相同的鐳射系統，再將三臺鐳射的能量聚合到一起。與此同時，為了激發亞穩態氦原子的共振熒光，需要將鐳射的波長精確地鎖定在1083.034 nm，控制精度需要達到1 pm，只有這樣，發射出去的鐳射才能夠準確地將亞穩態氦原子激發到更高的能級，從而產生熒光。由於鐳射能量非常高，很容易讓灰塵碳化並汙染鐳射器內的光學器件，所以整個鐳射器要放置在高潔淨度的淨化室內，與此同時，鐳射系統精密的光路，對震動極為敏感，鐳射器還要放置在經過良好隔振的平臺上。這使得整個鐳射發射系統的佔地面積達到了50 m2左右。
圖3 1083 nm鐳射發射系統，由三套相同的鐳射系統組成，三個鐳射束聚合為一束鐳射
陣列式望遠鏡接收系統，包含6 個圍成一圈的1 m口徑的接收望遠鏡和一個位於中心位置的1 m口徑發射鏡(圖4)。鐳射束經過擴束和整形以後，被中心的發射鏡垂直髮射進入大氣中，6 個望遠鏡垂直指向天空，用於接收從大氣中返回的訊號，並將訊號聚焦到光纖中，光纖再將訊號匯入超導奈米線探測器中。
圖4 (a)陣列式望遠鏡接收系統及建設團隊成員；(b)夜晚俯視角度下的望遠鏡陣列
光電探測及控制系統包括超導奈米線探測器、採集卡、電控系統和軟體等，用於將接收回來的單光子訊號轉化為電訊號並進行軟體處理，同時，透過電控系統，對望遠鏡和發射鏡的指向進行精密的控制(圖5)。透過以上三個分系統的協同配合，陣列式大口徑鐳射雷達實現了超高的探測靈敏度，能夠在亞穩態氦密度低至0.001 cm-3的時候實現有效探測，這樣低的密度，相當於1m3的空間裡面，只有1000 個亞穩態氦原子，而我們生活的標準大氣裡，大約0.02 m3的空間，就有1 mol(6×1023)大氣分子。根據理論模擬，亞穩態氦在冬季和夏季的密度會產生大幅度的變化，冬季最高可以達到1 cm-3，但夏季會低100 到1000 倍，得益於陣列式大口徑鐳射雷達的高效能和高靈敏度，我們最終在國際上首次實現了包含夏季的全季節觀測能力。
圖5光電探測和控制系統
每一個大科學裝置的建設，都離不開參與其中的科技工作者們持之以恆的熱愛與付出。陣列式大口徑鐳射雷達的建設過程也不例外。在整個專案長達五年的建設期，建設團隊中不僅有多名資深的鐳射雷達技術專家和空間物理科學家，還有很多“新兵蛋子”研究生和“初出茅廬”的博士後，他們在參與的過程中，透過平臺的滋養與自身的堅持努力，逐漸成長成為在鐳射遙感領域的技術特長型人才，只有技術隊伍強大起來，亞穩態氦鐳射雷達這樣的大型科學儀器，才能被建設得越來越好，執行的質量也會越來越高。與此同時，陣列式大口徑鐳射雷達融合了多項前沿技術，這離不開多學科交叉的優勢。建設過程中，鐳射雷達團隊與多所大學的課題組、各大研究院所以及國內外高科技公司的研發部門等機構開展深度交叉合作，產出了一大批高精尖技術成果，也獲得多項國家發明專利。
時至今日，陣列式大口徑鐳射雷達已經正式開展觀測執行半年時間，這群“仰望星空”的人，註定會駐守在這150m2的雷達方艙中(圖6)，靜候一個又一個晴朗的夜空，用他們的知識和好奇心，驅動這臺鋼鐵巨獸，以10ns 的速度和50Hz的頻率，將比萬萬億還多得多的光子，投擲到千里之外的“太空”，再靜候一個又一個熒光光子飛行千里後的到達，最後記錄下每個光子到達的時間以及他們的數量。在這巨量而又複雜的資料海洋中，他們以創新思考和與生俱來的好奇心為動力，奮起遠航，讓空間物理科學這艘巨輪，在近地空間沉穩前行。他們相信在未來的某一天，當他們仰望星空的時候，可以驕傲地跟旁邊的家人和孩子說，你看，現在飛過的中國空間站所在的那個遠方，是我們“發明”的千里眼才能看到的地方，那裡有最美麗的光電錶演，原子、離子、電子、光子在為我們上演最美妙的故事。
圖6 雷達方艙內部照片(左側為望遠鏡室，右側為鐳射器室)
本文選自《現代物理知識》2024年4期YWA編輯
來源：《現代物理知識》
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