蔡巧玉 吳彪

每一個航天工程背后都凝聚了無數(shù)航天人的血與淚。他們的名字大都不為人所知，卻甘愿為此默默奉獻。中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱“上海光機所”）陳衛(wèi)標團隊就是其中之一。

從嫦娥一號星載激光器到嫦娥三號軟著陸，再到嫦娥五號探測，每一次探月工程背后都留下了這支團隊的奮斗足跡：2007年發(fā)射我國首個國產(chǎn)空間全固態(tài)激光器，2013年發(fā)射國際首個深空探測脈沖光纖激光器;研制嫦娥一號、二號、三號、四號、五號探測器和軟著陸應用系統(tǒng)的所有各類全固態(tài)激光器……他們?yōu)槲覈教旃こ套鞒隽酥匾暙I。

送激光器上天

在嫦娥五號探測工程中，團隊承擔了激光測距測速敏感器和三維成像敏感器兩個系統(tǒng)中的核心組件——3臺激光器的研制任務。在承擔嫦娥三號、四號相關工作的基礎上，嫦娥五號上有兩款激光器實現(xiàn)了技術繼承和升級。3款激光器從遠至近陸續(xù)開啟，從繼承到開拓，為嫦娥五號任務的順利完成提供了強有力支撐。2021年11月，這項歷時近20年的開拓創(chuàng)新項目“空間全固態(tài)激光器技術及應用”獲得國家技術發(fā)明獎二等獎。

“2003年以前，太空上是沒有中國國產(chǎn)激光器的?！眻F隊負責人陳衛(wèi)標介紹。如果用一句話解釋他們的項目，大概就是將“中國牌”的激光器送上太空。

對普通人而言，激光器并不神秘。自1960年制成第一臺紅寶石激光器以來，激光器在人們生產(chǎn)生活中的應用就越來越多。從專業(yè)技術來講，激光器的種類有很多，僅從材料來分就有固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、自由電子激光器幾大類。其中，全固態(tài)激光器具有電驅(qū)動、小型化、高效率和可傳導冷卻的優(yōu)勢，成為空間激光器首選。團隊送上太空的激光器就屬于全固態(tài)激光器。

為何要在探月衛(wèi)星上搭載激光器？

激光高度計作為載荷，早先美、俄兩國的探月過程中都曾使用過。它最大的作用有兩點：第一，主要用于探測月球的三維高程信息，形成月球三維精確圖像;第二，解決立體相機由于張角和月球軌道傾角造成無法拍攝月球兩極照片的問題，通過對月球兩極進行激光探測，為月球兩極是否存在“冰”提供參考數(shù)據(jù)。因此在嫦娥一號中加載激光高度計十分必要，但中國此前從來沒有做過“上天”的激光器。

在此背景下，團隊首先花了大量時間去梳理如何研制太空激光器的思路。盡管上海光機所作為一個激光專業(yè)研究所，有許多激光研制技術及經(jīng)驗，但卻從未有過研究“上天”的激光器的經(jīng)驗，這對他們來說無疑是前所未有的難題。因為可以借鑒的就是一些基礎理論，成形的技術完全沒有，需要團隊去探索、創(chuàng)造。

作為我國首個進入太空的激光器，它的研制主要面臨4大難題。

首先是冷卻問題。激光器一工作就會發(fā)熱，地面上的激光器可以用水或其他液體冷卻，還可以通過通風冷卻，但太空中沒有這些資源，只有熱傳導一個途徑。只能把激光器的熱量通過輻射傳導冷卻，這相當于把心臟里面的熱量一層層傳遞到衣服外面。同時，每一次的熱傳導梯度還得盡量小才能保證穩(wěn)定。

針對這一問題，團隊發(fā)明了一體化傳導冷卻泵浦技術，解決高熱傳導、高泵浦效率和緊湊泵浦難點;發(fā)明金錫硬焊料制備和巴條焊接關鍵技術，突破空間激光二極管疊層陣列的國產(chǎn)化。這一發(fā)明將泵浦頭熱沉和激光晶體熱沉實現(xiàn)一體化精密傳導連接，大幅減少激光二極管疊層陣列與激光晶體耦合過程，有效解決了激光晶體熱傳導和高效均勻泵浦間的矛盾;實現(xiàn)了泵浦效率大于90%，200W泵浦功率下的溫度梯度低于4℃，滿足空間高熱傳導、高效率泵浦要求。截至目前，基于棒狀激光晶體泵浦構(gòu)型已成功應用到嫦娥系列、新技術試驗衛(wèi)星的激光器中，板條激光晶體泵浦構(gòu)型成功應用到高分七號、資源三號和陸地碳衛(wèi)星激光器中。其中，嫦娥一號激光器中封裝了近百個激光二極管芯片的弧形疊層陣列模塊，實現(xiàn)了10kW的高峰值功率輸出。

第二個難題是要適應小型化、耐力學沖擊要求。任何航天用激光器都需要利用火箭發(fā)射，發(fā)射過程中，每增加1公斤成本花費很高，這就要求盡量想辦法使激光器小型化，減輕其體積和重量，以降低發(fā)射過程中的成本。同時，由于運載火箭升空過程中的加速度很大，激光器必須能夠承受15個加速度所帶來的巨大沖擊，而且不能有任何的微機械變形，否則發(fā)射出來的激光打偏了也起不到應有的作用。這就對激光器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求很高，與對傳統(tǒng)激光器的要求也有很大區(qū)別。

對此，團隊發(fā)明了超穩(wěn)構(gòu)型的被動調(diào)Q振蕩器技術，實現(xiàn)穩(wěn)定單頻脈沖輸出;發(fā)明了VCSEL泵浦和低膨脹結(jié)構(gòu)構(gòu)型，實現(xiàn)寬溫穩(wěn)定工作，研制出低溫敏、抗力學的高性能激光振蕩器。發(fā)明技術成功應用到量子空間科學的同步信標單頻、單模脈沖激光器中，在軌穩(wěn)定工作超過3年?；鹦菐r石成分探測激光器也采用這一技術，在-60℃～+30℃范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，輸出能量變化在10%以內(nèi)，目前這一激光器已發(fā)射并成功應用。對比國際上同類型的深空探測激光器，激光器工作溫度更寬。同時，技術還成功運用到高分七號、資源三號激光器、陸地碳衛(wèi)星激光高度計的激光器中，為高光束質(zhì)量、高能量激光放大提供低溫敏高性能振蕩器。

第三大難題是如何適應太空高真空等特殊環(huán)境要求。由于激光器在太空中長期處于高真空環(huán)境中，同時激光器在迎陽面與背陽面的溫度有很大差異，溫度變化范圍比較大，這就為它的研制帶來了很多要求。很多材料在真空中的特性各不相同，在研制過程中，每個元件都要經(jīng)過多重測試，以使激光器能夠在太空中正常運行。同時，太空中還存在來自宇宙射線的輻照，輻照效應會使電子元器件失效，使光學元件性質(zhì)可能發(fā)生退化。因此，在研制過程中，要對這些器件進行地面輻照模擬，對材料的選擇也進行了嚴格的限制。這也是研制星載激光器的一個特殊過程。

基于太空特殊環(huán)境，團隊發(fā)明了高對比度的激光二極管直調(diào)制技術和雙程放大技術，能產(chǎn)生1～400千赫茲、數(shù)納秒激光脈沖，省去外調(diào)制器件，提高了整體效率、節(jié)約空間;突破耐輻照增益光纖和光纖器件技術，選用耐輻照元件，定制光纖組合器件;采用創(chuàng)新的“鋁鉭鋁”輕質(zhì)輻照加固結(jié)構(gòu)，提升增益光纖耐輻照性能，實現(xiàn)高效、緊湊、抗輻照脈沖全光纖激光放大輸出，滿足在軌壽命要求。團隊2013年研制出空間小型高效脈沖光纖激光器，成功應用到嫦娥三號軟著陸，成為國際首個深空探測空間脈沖光纖激光器，并持續(xù)應用到嫦娥四號、五號著陸器，為嫦娥四號、五號任務的順利完成提供強有力支撐。

第四個難題是激光器的壽命問題。太空中的激光器不像地面，出現(xiàn)故障還能維修，它必須要求長壽命，發(fā)射升空后就要一直開機不間斷使用，這就對激光器提出了極大要求。國外飛上天的激光器有很多失敗案例，但關于其損壞的機理是什么，科研人員只能通過反復設計、反復猜想去尋找。也是歷經(jīng)反復研究、論證，團隊終于發(fā)現(xiàn)了激光器在太空中被損壞的兩大機理：一是微重力環(huán)境下，浮在空中的灰塵通過激光效應會沉積到激光器中的光學元件上，要研究這些灰塵對光學元件的損壞機理并進一步解決損壞問題;二是激光器中不可避免仍有少量含有機物的導線、接插件等器件，其中一些器件會揮發(fā)出一些氣體，也會一定程度上造成激光器損壞。

針對這些損壞問題，團隊發(fā)明了晶體等激光元件的低應力全金屬焊接技術，避免用膠固定;發(fā)明全金屬密封和尾纖封接技術，避免真空污染誘導損傷，確?？臻g激光器長壽命運行。相關技術應用到風云三號、四號大氣垂直干涉儀單頻穩(wěn)頻激光器、天宮二號量子密鑰激光器和微重力試驗衛(wèi)星單頻激光器中，實現(xiàn)保護氣氛密封。其中風云四號激光器在軌工作5年多，輸出功率穩(wěn)定在2%以內(nèi)。

歷經(jīng)近20年自主探索，團隊突破了空間激光器熱、穩(wěn)、高可靠的關鍵技術，建成核心組部件和整機的國產(chǎn)化工程研制平臺，實現(xiàn)了技術和工藝的自主可控。相關成果形成發(fā)明專利22項，規(guī)范20項，發(fā)表論文62篇，在國內(nèi)出版專著1本。自2007年發(fā)射我國第一臺空間激光器以來，團隊已累計交付38臺套，發(fā)射29臺，占國產(chǎn)空間激光器的98%。團隊研制的空間激光器得到11個單位在國家重大航天工程的應用后，反饋良好，極大增強了我國發(fā)展空間激光應用系統(tǒng)的信心。

未來，空間激光器將在我國后續(xù)的深空探測、空間科學、對地觀測和空間安全等領域得到重大部署和應用。

“航天人”的修煉

每一個重大任務的完成都離不開一個團隊的堅守與付出，而通過完成一個個重要任務又會將團隊鍛造得更強大。

2000年年初，剛開始進行空間全固態(tài)激光器研究時，團隊只有寥寥幾人，如今這支團隊已擁有成員200人左右。“空間全固態(tài)激光器技術及應用”項目另外幾位主要完成人侯霞、孟俊清、劉源、辛國鋒，更是從上海光機所的學生一步步蛻變?yōu)檠芯繂T、博士生導師、重大工程項目主要負責人。

作為上海光機所航天激光工程部主任，侯霞長期從事空間激光技術及其應用的研究，承擔多項國家“863計劃”項目、中科院科研裝備、國防重大創(chuàng)新基金等重大項目;帶領團隊研制了我國多個星載國產(chǎn)空間激光器，成功應用于探月工程、高分專項、北斗專項、院先導專項等十多項空間型號工程。在國內(nèi)外學術期刊共發(fā)表論文20多篇，授權國家發(fā)明專利十多項，合著著作《空間應用激光器》1本。獲得2011年國務院政府特殊津貼、上海市三八紅旗手2次、2014年國家“探月工程嫦娥三期突出貢獻者”稱號、2018年第十屆“上海市巾幗創(chuàng)新獎”、2018年“中青年科技創(chuàng)新領軍人才”。

上海光機所高功率光纖激光技術實驗室主任孟俊清，一直從事空間全固態(tài)激光器的設計與研究，負責和主持了多個重大航天任務的空間激光器研制，包括：嫦娥二期CE-3著陸器測距敏感器激光器、新技術實驗衛(wèi)星LX-2星載測距全固態(tài)激光器、TS-5光電組合測量單元測距激光器、科學實驗衛(wèi)星墨子號星上窄信標同步光激光器、高分專項GF-7衛(wèi)星測高儀激光器、空間基礎設施工程CM-1植被測量激光器、資源三號03星測高儀激光器等，形成了空間全固態(tài)激光器系列產(chǎn)品。獲得2015年中科院杰出科技成就獎。

劉源是上海光機所正高級工程師，他長期從事各類型空間激光器技術及其應用的研究。參與了嫦娥工程、火星探測等國家航天工程任務，先后承擔和參與了國家專項任務（空間專項）、國家重大專項（GF）、國家“863計劃”項目等多項課題的研究，研制了多個星載國產(chǎn)化空間激光器，為探月等國家航天工程項目作出了重要貢獻。在國內(nèi)外學術期刊共發(fā)表論文十多篇，授權國家發(fā)明專利多項，2016年入選中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員。

辛國鋒不僅是上海光機所的正高級工程師，還是中國電子學會半導體與集成技術分會委員。他長期從事半導體光電器件集成工藝技術、性能測試及可靠性研究。作為負責人或技術骨干，主持或參與的項目包括：科技部引力波探測重點專項課題、中國科學院創(chuàng)新基金、上海市自然科學基金、中國科學院重大項目子課題、上海市啟明星跟蹤計劃等。作為主管設計師，參與多項航天工程型號任務如：高分七號測距激光器、天宮二號量子通信激光器、風云四號/三號干涉儀激光器、火星激光器、嫦娥五號測速激光器等，在項目中負責關鍵光電器件工藝、光電模塊研制及可靠性研究等工作。在國內(nèi)外學術刊物學術論文40余篇，申請核心專利14項，入選2020年度中國科學院關鍵技術人才。

團隊中每個人的成長都有著不同的故事，但通過在漫長航天工程中的訓練，大家卻有相似的經(jīng)歷，就是膽子“越來越小”。

大家記得嫦娥一號工程交付前一個月的事。那次在真空罐中做完了所有測試，一切運行正常，最后一個環(huán)節(jié)就是將激光器從真空罐中取出，沒問題的話他們就可以順利完成交付。正當所有人懷揣激動與喜悅的心情等待激光器出來時，誰也沒想到在剛出真空罐的那一刻激光突然消失，找不到任何原因！按照航天工程的規(guī)定，重大事故24小時之內(nèi)必須通報到工程總師處，團隊沒有想到他們會有發(fā)生重大事故這一天。

“成功就是差一點失敗”，這是航天人的口頭禪。這次事故給團隊留下了深刻印記，航天工程絕不能輕視任何細節(jié)，要如履薄冰。自那之后，團隊產(chǎn)品交付前有了一個新環(huán)節(jié)——“雙想”，即想想做的產(chǎn)品還有什么缺陷，想想有沒有不到位問題。幸運的是，通過這個環(huán)節(jié)，在后來的重大工程交付中，他們果然避免了幾次事故的發(fā)生。

膽子越來越小，這是航天人鮮為人知的另一面。但其實，膽氣消失的背后，也是他們對航天工程越來越深刻的認識，以及越來越重的責任心。

團隊成員常說：“為國家作出貢獻，我們覺得特別榮幸，但同時也有很大的壓力，就怕做不好?！碧貏e能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關、特別能奉獻，他們愿將近半個世紀的風雨中形成的“載人航天精神”奮力傳承下去。

空間利器的國產(chǎn)化

從2000年年初從零開始的國內(nèi)空間激光器研究，到現(xiàn)在一次又一次將“中國牌”激光器送上太空，這20年，不僅是團隊從零起步、發(fā)展壯大的20年，也是國內(nèi)空間激光器從無到有、從弱到強的20年。

2004年，上海光機所空間激光團隊正式組建;2009年，中國科學院空間激光信息傳輸與探測技術重點實驗室在上海光機所掛牌成立，主要研究方向為空間全固態(tài)激光器、空間激光雷達，以及空間激光通信技術研究。

以此為基礎，從空間激光器的研究開始，到空間激光應用系統(tǒng)載荷，近20年來，團隊先后研制了嫦娥一期、二期、三期探月系列激光載荷用激光器，風云三號、四號系列衛(wèi)星干涉儀激光器，量子衛(wèi)星通信用激光器，火星表面成分探測儀激光器及若干空間用激光器的研制工作。目前成功在軌應用的星載激光器產(chǎn)品已有8個類型共29臺套;研制出的國內(nèi)首臺空間固體激光器，應用于嫦娥一號衛(wèi)星高度計，助力系統(tǒng)成功獲得整個月球表面的高程圖像，獲得上海市科技進步獎一等獎;研制出國際首個空間脈沖光纖激光器，應用于嫦娥三號衛(wèi)星著陸器三維成像敏感器，在嫦娥三號著陸時，系統(tǒng)實現(xiàn)對月面高精度三維成像，為成功著陸避障作出重要貢獻，獲得上海市科技進步獎一等獎。

在多年科研工作積累的基礎上，團隊瞄準國家重大需求和國際前沿，牽頭承擔了多個激光載荷系統(tǒng)。2017年完成了國內(nèi)首個星地相干激光通信演示驗證，首次實現(xiàn)星地5Gbps的通信試驗，總體技術指標達到國際先進水平;2019年國內(nèi)首次在軌驗證數(shù)萬公里的星間激光通信測距技術;承擔國內(nèi)首個大氣激光雷達的研制，將在國際上首次實現(xiàn)全球CO2柱線濃度高精度測量。

“如果說這些年有讓我們覺得最驕傲的事，那就是通過空間激光器的研制讓我們國家重大工程敢用國產(chǎn)空間激光器了。”團隊負責人陳衛(wèi)標說道。

志在蒼穹

空間激光團隊的壯大，背后更有上海光機所這支大團隊的加持。1961年9月，中國第一臺激光器誕生。1964年4月，我國首個為開拓激光科學技術而建立的專業(yè)研究所——上海光機所成立，這是我國建立最早、規(guī)模最大的激光科學技術專業(yè)研究所之一。

半個多世紀以來，上海光機所已形成以探索現(xiàn)代光學重大基礎及應用基礎前沿、發(fā)展大型激光工程技術并開拓激光與光電子高技術應用為重點的綜合性研究所;完成了一系列重大科研項目，包括重大的光學與激光前沿基礎和應用基礎研究項目、大型的激光應用工程研究等。截至2020年年底，共獲國家級獎勵49項，中國科學院獎勵131項，省部級獎勵139項，申請專利4871項，授權3053項。

在中國航空航天發(fā)展史上，上海光機所也留下了濃墨重彩的一頁。至今為止，我國絕大部分空間激光器的研制任務都由他們完成。其中，2007年10月24日發(fā)射升空的嫦娥一號探測器星際激光器的研制，不僅讓中國空間激光器翻開了嶄新一頁，同時也拉開了上海光機所參與航天工程的浩蕩序幕;2013年12月14日發(fā)射升空的嫦娥三號探測器，由上海光機所完成的激光三維成像敏感器激光器，不僅為嫦娥三號安全著陸選擇了合適的著陸地點，同時也讓上海光機所實現(xiàn)了從探測任務到應用系統(tǒng)工程研究的轉(zhuǎn)變。

此后，上海光機所面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，不斷拓寬科學研究的方向，向科學技術的廣度和深度進軍，充分發(fā)揮上海光機所從材料器件到激光系統(tǒng)到物理應用的建制化研發(fā)優(yōu)勢，打通從基礎研究到關鍵技術創(chuàng)新到應用示范的創(chuàng)新價值鏈，為國家需求提供系統(tǒng)性解決方案。

“我現(xiàn)在很大一部分工作就是趕快培養(yǎng)更多的人才，因為國家的任務越來越多、越來越重，不可能依靠個人的力量，必須讓更多年輕人盡快成長起來?！睆目臻g激光團隊負責人成為上海光機所這支大團隊的領頭羊，陳衛(wèi)標的目標是培養(yǎng)更多的年輕人，讓薪火相傳。他認為，做國家任務，最主要的就是4個字：認真、負責。航天工程是系統(tǒng)工程，每個團隊及個人都只是千千萬萬個環(huán)節(jié)中的其中一環(huán)。成功，屬于每個認真、負責的人。

如今，歷經(jīng)航天工程鍛造的上海光機所人，正向著廣袤無垠的太空、海洋開啟新征程——征途永無止境，使命一往無前！

（責編：李莉）