太極計劃通過衛(wèi)星編隊的形式進行空間引力波探測，而構(gòu)建星間激光鏈路是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。相比應(yīng)用于星間激光通信、重力場測量等領(lǐng)域的傳統(tǒng)星間激光鏈路構(gòu)建任務(wù)，太極計劃需應(yīng)用有限的星上資源實現(xiàn)三百萬公里超遠(yuǎn)距離激光捕獲及1 nrad/Hz1/2量級超高精度指向，因此其實現(xiàn)難度要大得多。為此，科學(xué)家提出采用三級捕獲探測方案，通過星敏感器（STR）、CMOS捕獲相機及四象限探測器（QPD）逐級探測壓制激光指向偏差。目前對該方案的研究仍停留在仿真模擬及關(guān)鍵技術(shù)原理方法學(xué)論證階段，并未充分考慮各階段之間系統(tǒng)參數(shù)及核心探測技術(shù)之間的耦合關(guān)系，亟需通過全流程地面模擬實驗進一步驗證激光鏈路方案主要技術(shù)指標(biāo)的可行性。

針對上述問題，中國科學(xué)院力學(xué)研究所引力波實驗中心與中國科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院太極團隊研究人員開展了面向太極計劃的超高精度星間激光鏈路構(gòu)建地面驗證技術(shù)研究，設(shè)計并搭建了激光捕獲跟瞄一體化地面模擬實驗系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)在完整還原捕獲跟瞄方案光學(xué)系統(tǒng)及實施流程的基礎(chǔ)上充分考慮了對激光遠(yuǎn)場波前、高斯平頂光束接收、弱接收光強等空間實際運行情況的模擬。系統(tǒng)采用小口徑光闌結(jié)合大發(fā)散角出射光，依據(jù)合理的參數(shù)設(shè)計及器件選型，在實驗室近場傳輸情況下實現(xiàn)了雙端近似夫瑯禾費衍射模擬及高斯平頂光束接收。

光學(xué)平臺上放置有CMOS及QPD兩級探測器，利用自研的上位機軟件可實現(xiàn)捕獲-跟瞄全流程自動模擬。模擬實驗采用DWS信號實時監(jiān)測激光指向角度變化，實驗數(shù)據(jù)展示了由初始指向—掃描開環(huán)捕獲—閉環(huán)捕獲—精密指向的全流程指向角度變化（圖2），實現(xiàn)了對初始時刻百微弧度量級指向偏差的逐級壓制。

在激光捕獲探測技術(shù)方面，該研究首次提出并采用了改進的質(zhì)心算法，在百皮瓦級弱光情況下實現(xiàn)了亞像素級光斑中心定位精度。在QPD前設(shè)計了共軛成像系統(tǒng)，降低了beam-walk對DWS技術(shù)非線性誤差產(chǎn)生的影響，提高了精密指向階段角度測量精度。在QPD探測器處，激光捕獲及激光精密指向結(jié)果（圖3），對應(yīng)到實際400倍放大率的望遠(yuǎn)鏡前均能滿足太極計劃要求，充分驗證了目前擬采用方案的可行性。

該項研究工作從物理實驗的角度出發(fā)，設(shè)計并搭建了星間激光鏈路構(gòu)建地面模擬實驗系統(tǒng)，一方面為相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)研究提供了模擬實驗平臺，驗證了關(guān)鍵技術(shù)間的耦合關(guān)系，提出方法學(xué)上的改進策略并指導(dǎo)器件參數(shù)選擇；另一方面，充分驗證了整個方案的可行性，為未來方案轉(zhuǎn)入工程化實現(xiàn)階段提供了完備的理論驗證及技術(shù)支持。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在 Optics and Lasers in Engineering上。

圖1 捕獲跟瞄一體化地面模擬實驗系統(tǒng)實物圖

圖2 捕獲-跟瞄全流程模擬實驗yaw方向角度變化

圖3 (a)激光捕獲完成后角度殘余誤差示意圖。(b) 激光精密指向階段殘余指向抖動幅度譜密度曲線