让激光照亮苍穹

蔡巧玉 吴彪

每一个航天工程背后都凝聚了无数航天人的血与泪。他们的名字大都不为人所知，却甘愿为此默默奉献。中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“上海光机所”）陈卫标团队就是其中之一。

从嫦娥一号星载激光器到嫦娥三号软着陆，再到嫦娥五号探测，每一次探月工程背后都留下了这支团队的奋斗足迹：2007年发射我国首个国产空间全固态激光器，2013年发射国际首个深空探测脉冲光纤激光器;研制嫦娥一号、二号、三号、四号、五号探测器和软着陆应用系统的所有各类全固态激光器……他们为我国航天工程作出了重要贡献。

送激光器上天

在嫦娥五号探测工程中，团队承担了激光测距测速敏感器和三维成像敏感器两个系统中的核心组件——3台激光器的研制任务。在承担嫦娥三号、四号相关工作的基础上，嫦娥五号上有两款激光器实现了技术继承和升级。3款激光器从远至近陆续开启，从继承到开拓，为嫦娥五号任务的顺利完成提供了强有力支撑。2021年11月，这项历时近20年的开拓创新项目“空间全固态激光器技术及应用”获得国家技术发明奖二等奖。

“2003年以前，太空上是没有中国国产激光器的。”团队负责人陈卫标介绍。如果用一句话解釋他们的项目，大概就是将“中国牌”的激光器送上太空。

对普通人而言，激光器并不神秘。自1960年制成第一台红宝石激光器以来，激光器在人们生产生活中的应用就越来越多。从专业技术来讲，激光器的种类有很多，仅从材料来分就有固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子激光器几大类。其中，全固态激光器具有电驱动、小型化、高效率和可传导冷却的优势，成为空间激光器首选。团队送上太空的激光器就属于全固态激光器。

为何要在探月卫星上搭载激光器？

激光高度计作为载荷，早先美、俄两国的探月过程中都曾使用过。它最大的作用有两点：第一，主要用于探测月球的三维高程信息，形成月球三维精确图像;第二，解决立体相机由于张角和月球轨道倾角造成无法拍摄月球两极照片的问题，通过对月球两极进行激光探测，为月球两极是否存在“冰”提供参考数据。因此在嫦娥一号中加载激光高度计十分必要，但中国此前从来没有做过“上天”的激光器。

在此背景下，团队首先花了大量时间去梳理如何研制太空激光器的思路。尽管上海光机所作为一个激光专业研究所，有许多激光研制技术及经验，但却从未有过研究“上天”的激光器的经验，这对他们来说无疑是前所未有的难题。因为可以借鉴的就是一些基础理论，成形的技术完全没有，需要团队去探索、创造。

作为我国首个进入太空的激光器，它的研制主要面临4大难题。

首先是冷却问题。激光器一工作就会发热，地面上的激光器可以用水或其他液体冷却，还可以通过通风冷却，但太空中没有这些资源，只有热传导一个途径。只能把激光器的热量通过辐射传导冷却，这相当于把心脏里面的热量一层层传递到衣服外面。同时，每一次的热传导梯度还得尽量小才能保证稳定。

针对这一问题，团队发明了一体化传导冷却泵浦技术，解决高热传导、高泵浦效率和紧凑泵浦难点;发明金锡硬焊料制备和巴条焊接关键技术，突破空间激光二极管叠层阵列的国产化。这一发明将泵浦头热沉和激光晶体热沉实现一体化精密传导连接，大幅减少激光二极管叠层阵列与激光晶体耦合过程，有效解决了激光晶体热传导和高效均匀泵浦间的矛盾;实现了泵浦效率大于90%，200W泵浦功率下的温度梯度低于4℃，满足空间高热传导、高效率泵浦要求。截至目前，基于棒状激光晶体泵浦构型已成功应用到嫦娥系列、新技术试验卫星的激光器中，板条激光晶体泵浦构型成功应用到高分七号、资源三号和陆地碳卫星激光器中。其中，嫦娥一号激光器中封装了近百个激光二极管芯片的弧形叠层阵列模块，实现了10kW的高峰值功率输出。

第二个难题是要适应小型化、耐力学冲击要求。任何航天用激光器都需要利用火箭发射，发射过程中，每增加1公斤成本花费很高，这就要求尽量想办法使激光器小型化，减轻其体积和重量，以降低发射过程中的成本。同时，由于运载火箭升空过程中的加速度很大，激光器必须能够承受15个加速度所带来的巨大冲击，而且不能有任何的微机械变形，否则发射出来的激光打偏了也起不到应有的作用。这就对激光器结构的稳定性要求很高，与对传统激光器的要求也有很大区别。

对此，团队发明了超稳构型的被动调Q振荡器技术，实现稳定单频脉冲输出;发明了VCSEL泵浦和低膨胀结构构型，实现宽温稳定工作，研制出低温敏、抗力学的高性能激光振荡器。发明技术成功应用到量子空间科学的同步信标单频、单模脉冲激光器中，在轨稳定工作超过3年。火星岩石成分探测激光器也采用这一技术，在-60℃～+30℃范围内稳定工作，输出能量变化在10%以内，目前这一激光器已发射并成功应用。对比国际上同类型的深空探测激光器，激光器工作温度更宽。同时，技术还成功运用到高分七号、资源三号激光器、陆地碳卫星激光高度计的激光器中，为高光束质量、高能量激光放大提供低温敏高性能振荡器。

第三大难题是如何适应太空高真空等特殊环境要求。由于激光器在太空中长期处于高真空环境中，同时激光器在迎阳面与背阳面的温度有很大差异，温度变化范围比较大，这就为它的研制带来了很多要求。很多材料在真空中的特性各不相同，在研制过程中，每个元件都要经过多重测试，以使激光器能够在太空中正常运行。同时，太空中还存在来自宇宙射线的辐照，辐照效应会使电子元器件失效，使光学元件性质可能发生退化。因此，在研制过程中，要对这些器件进行地面辐照模拟，对材料的选择也进行了严格的限制。这也是研制星载激光器的一个特殊过程。

基于太空特殊环境，团队发明了高对比度的激光二极管直调制技术和双程放大技术，能产生1～400千赫兹、数纳秒激光脉冲，省去外调制器件，提高了整体效率、节约空间;突破耐辐照增益光纤和光纤器件技术，选用耐辐照元件，定制光纤组合器件;采用创新的“铝钽铝”轻质辐照加固结构，提升增益光纤耐辐照性能，实现高效、紧凑、抗辐照脉冲全光纤激光放大输出，满足在轨寿命要求。团队2013年研制出空间小型高效脉冲光纤激光器，成功应用到嫦娥三号软着陆，成为国际首个深空探测空间脉冲光纤激光器，并持续应用到嫦娥四号、五号着陆器，为嫦娥四号、五号任务的顺利完成提供强有力支撑。

第四个难题是激光器的寿命问题。太空中的激光器不像地面，出现故障还能维修，它必须要求长寿命，发射升空后就要一直开机不间断使用，这就对激光器提出了极大要求。国外飞上天的激光器有很多失败案例，但关于其损坏的机理是什么，科研人员只能通过反复设计、反复猜想去寻找。也是历经反复研究、论证，团队终于发现了激光器在太空中被损坏的两大机理：一是微重力环境下，浮在空中的灰尘通过激光效应会沉积到激光器中的光学元件上，要研究这些灰尘对光学元件的损坏机理并进一步解决损坏问题;二是激光器中不可避免仍有少量含有机物的导线、接插件等器件，其中一些器件会挥发出一些气体，也会一定程度上造成激光器损坏。

针对这些损坏问题，团队发明了晶体等激光元件的低应力全金属焊接技术，避免用胶固定;发明全金属密封和尾纤封接技术，避免真空污染诱导损伤，确保空间激光器长寿命运行。相关技术应用到风云三号、四号大气垂直干涉仪单频稳频激光器、天宫二号量子密钥激光器和微重力试验卫星单频激光器中，实现保护气氛密封。其中风云四号激光器在轨工作5年多，输出功率稳定在2%以内。

历经近20年自主探索，团队突破了空间激光器热、稳、高可靠的关键技术，建成核心組部件和整机的国产化工程研制平台，实现了技术和工艺的自主可控。相关成果形成发明专利22项，规范20项，发表论文62篇，在国内出版专著1本。自2007年发射我国第一台空间激光器以来，团队已累计交付38台套，发射29台，占国产空间激光器的98%。团队研制的空间激光器得到11个单位在国家重大航天工程的应用后，反馈良好，极大增强了我国发展空间激光应用系统的信心。

未来，空间激光器将在我国后续的深空探测、空间科学、对地观测和空间安全等领域得到重大部署和应用。

“航天人”的修炼

每一个重大任务的完成都离不开一个团队的坚守与付出，而通过完成一个个重要任务又会将团队锻造得更强大。

2000年年初，刚开始进行空间全固态激光器研究时，团队只有寥寥几人，如今这支团队已拥有成员200人左右。“空间全固态激光器技术及应用”项目另外几位主要完成人侯霞、孟俊清、刘源、辛国锋，更是从上海光机所的学生一步步蜕变为研究员、博士生导师、重大工程项目主要负责人。

作为上海光机所航天激光工程部主任，侯霞长期从事空间激光技术及其应用的研究，承担多项国家“863计划”项目、中科院科研装备、国防重大创新基金等重大项目;带领团队研制了我国多个星载国产空间激光器，成功应用于探月工程、高分专项、北斗专项、院先导专项等十多项空间型号工程。在国内外学术期刊共发表论文20多篇，授权国家发明专利十多项，合著著作《空间应用激光器》1本。获得2011年国务院政府特殊津贴、上海市三八红旗手2次、2014年国家“探月工程嫦娥三期突出贡献者”称号、2018年第十届“上海市巾帼创新奖”、2018年“中青年科技创新领军人才”。

上海光机所高功率光纤激光技术实验室主任孟俊清，一直从事空间全固态激光器的设计与研究，负责和主持了多个重大航天任务的空间激光器研制，包括：嫦娥二期CE-3着陆器测距敏感器激光器、新技术实验卫星LX-2星载测距全固态激光器、TS-5光电组合测量单元测距激光器、科学实验卫星墨子号星上窄信标同步光激光器、高分专项GF-7卫星测高仪激光器、空间基础设施工程CM-1植被测量激光器、资源三号03星测高仪激光器等，形成了空间全固态激光器系列产品。获得2015年中科院杰出科技成就奖。

刘源是上海光机所正高级工程师，他长期从事各类型空间激光器技术及其应用的研究。参与了嫦娥工程、火星探测等国家航天工程任务，先后承担和参与了国家专项任务（空间专项）、国家重大专项（GF）、国家“863计划”项目等多项课题的研究，研制了多个星载国产化空间激光器，为探月等国家航天工程项目作出了重要贡献。在国内外学术期刊共发表论文十多篇，授权国家发明专利多项，2016年入选中国科学院青年创新促进会会员。

辛国锋不仅是上海光机所的正高级工程师，还是中国电子学会半导体与集成技术分会委员。他长期从事半导体光电器件集成工艺技术、性能测试及可靠性研究。作为负责人或技术骨干，主持或参与的项目包括：科技部引力波探测重点专项课题、中国科学院创新基金、上海市自然科学基金、中国科学院重大项目子课题、上海市启明星跟踪计划等。作为主管设计师，参与多项航天工程型号任务如：高分七号测距激光器、天宫二号量子通信激光器、风云四号/三号干涉仪激光器、火星激光器、嫦娥五号测速激光器等，在项目中负责关键光电器件工艺、光电模块研制及可靠性研究等工作。在国内外学术刊物学术论文40余篇，申请核心专利14项，入选2020年度中国科学院关键技术人才。

团队中每个人的成长都有着不同的故事，但通过在漫长航天工程中的训练，大家却有相似的经历，就是胆子“越来越小”。

大家记得嫦娥一号工程交付前一个月的事。那次在真空罐中做完了所有测试，一切运行正常，最后一个环节就是将激光器从真空罐中取出，没问题的话他们就可以顺利完成交付。正当所有人怀揣激动与喜悦的心情等待激光器出来时，谁也没想到在刚出真空罐的那一刻激光突然消失，找不到任何原因！按照航天工程的规定，重大事故24小时之内必须通报到工程总师处，团队没有想到他们会有发生重大事故这一天。

“成功就是差一点失败”，这是航天人的口头禅。这次事故给团队留下了深刻印记，航天工程绝不能轻视任何细节，要如履薄冰。自那之后，团队产品交付前有了一个新环节——“双想”，即想想做的产品还有什么缺陷，想想有没有不到位问题。幸运的是，通过这个环节，在后来的重大工程交付中，他们果然避免了几次事故的发生。

胆子越来越小，这是航天人鲜为人知的另一面。但其实，胆气消失的背后，也是他们对航天工程越来越深刻的认识，以及越来越重的责任心。

团队成员常说：“为国家作出贡献，我们觉得特别荣幸，但同时也有很大的压力，就怕做不好。”特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献，他们愿将近半个世纪的风雨中形成的“载人航天精神”奋力传承下去。

空间利器的国产化

从2000年年初从零开始的国内空间激光器研究，到现在一次又一次将“中国牌”激光器送上太空，这20年，不仅是团队从零起步、发展壮大的20年，也是国内空间激光器从无到有、从弱到强的20年。

2004年，上海光机所空间激光团队正式组建;2009年，中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室在上海光机所挂牌成立，主要研究方向为空间全固态激光器、空间激光雷达，以及空间激光通信技术研究。

以此为基础，从空间激光器的研究开始，到空间激光应用系统载荷，近20年来，团队先后研制了嫦娥一期、二期、三期探月系列激光载荷用激光器，风云三号、四号系列卫星干涉仪激光器，量子卫星通信用激光器，火星表面成分探测仪激光器及若干空间用激光器的研制工作。目前成功在轨应用的星载激光器产品已有8个类型共29台套;研制出的国内首台空间固体激光器，应用于嫦娥一号卫星高度计，助力系统成功获得整个月球表面的高程图像，获得上海市科技进步奖一等奖;研制出国际首个空间脉冲光纤激光器，应用于嫦娥三号卫星着陆器三维成像敏感器，在嫦娥三号着陆时，系统实现对月面高精度三维成像，为成功着陆避障作出重要贡献，获得上海市科技进步奖一等奖。

在多年科研工作积累的基础上，团队瞄准国家重大需求和国际前沿，牵头承担了多个激光载荷系统。2017年完成了国内首个星地相干激光通信演示验证，首次实现星地5Gbps的通信试验，总体技术指标达到国际先进水平;2019年国内首次在轨验证数万公里的星间激光通信测距技术;承担国内首个大气激光雷达的研制，将在国际上首次实现全球CO2柱线浓度高精度测量。

“如果说这些年有让我们觉得最骄傲的事，那就是通过空间激光器的研制让我们国家重大工程敢用国产空间激光器了。”团队负责人陈卫标说道。

志在苍穹

空间激光团队的壮大，背后更有上海光机所这支大团队的加持。1961年9月，中国第一台激光器诞生。1964年4月，我国首个为开拓激光科学技术而建立的专业研究所——上海光机所成立，这是我国建立最早、规模最大的激光科学技术专业研究所之一。

半个多世纪以来，上海光机所已形成以探索现代光学重大基础及应用基础前沿、发展大型激光工程技术并开拓激光与光电子高技术应用为重点的综合性研究所;完成了一系列重大科研項目，包括重大的光学与激光前沿基础和应用基础研究项目、大型的激光应用工程研究等。截至2020年年底，共获国家级奖励49项，中国科学院奖励131项，省部级奖励139项，申请专利4871项，授权3053项。

在中国航空航天发展史上，上海光机所也留下了浓墨重彩的一页。至今为止，我国绝大部分空间激光器的研制任务都由他们完成。其中，2007年10月24日发射升空的嫦娥一号探测器星际激光器的研制，不仅让中国空间激光器翻开了崭新一页，同时也拉开了上海光机所参与航天工程的浩荡序幕;2013年12月14日发射升空的嫦娥三号探测器，由上海光机所完成的激光三维成像敏感器激光器，不仅为嫦娥三号安全着陆选择了合适的着陆地点，同时也让上海光机所实现了从探测任务到应用系统工程研究的转变。

此后，上海光机所面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，不断拓宽科学研究的方向，向科学技术的广度和深度进军，充分发挥上海光机所从材料器件到激光系统到物理应用的建制化研发优势，打通从基础研究到关键技术创新到应用示范的创新价值链，为国家需求提供系统性解决方案。

“我现在很大一部分工作就是赶快培养更多的人才，因为国家的任务越来越多、越来越重，不可能依靠个人的力量，必须让更多年轻人尽快成长起来。”从空间激光团队负责人成为上海光机所这支大团队的领头羊，陈卫标的目标是培养更多的年轻人，让薪火相传。他认为，做国家任务，最主要的就是4个字：认真、负责。航天工程是系统工程，每个团队及个人都只是千千万万个环节中的其中一环。成功，属于每个认真、负责的人。

如今，历经航天工程锻造的上海光机所人，正向着广袤无垠的太空、海洋开启新征程——征途永无止境，使命一往无前！

（责编：李莉）