讓“中國(guó)激光”遨游太空

　　人物：王建宇，著名空間光電載荷專家

　　夢(mèng)想：讓國(guó)產(chǎn)激光探測(cè)設(shè)備遨游太空，實(shí)現(xiàn)中國(guó)的航天夢(mèng)

　　今年年底，嫦娥三號(hào)將擇機(jī)發(fā)射。每當(dāng)聽(tīng)到與嫦娥相關(guān)的消息，王建宇心里就會(huì)泛起一陣波瀾——嫦娥三號(hào)所搭載的科學(xué)儀器中，有好幾樣出自他的研究團(tuán)隊(duì)：激光測(cè)距儀和激光三維成像儀，將搭載在嫦娥三號(hào)的著陸器上，幫月球車在月面上找到落腳點(diǎn)；紅外成像光譜儀，將搭載在嫦娥三號(hào)的月球車上，完成科學(xué)探測(cè)任務(wù)。 

　　作為我國(guó)著名的空間光電載荷專家，王建宇曾帶領(lǐng)一個(gè)年輕的科研團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出了激光高度計(jì)，搭載在嫦娥一號(hào)上，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)人首次“為月球量身高”的夢(mèng)想。2015年前后，我國(guó)將發(fā)射首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，上面將搭載星地量子通信設(shè)備，還是由他率隊(duì)研制。

　　王建宇說(shuō)，自己的夢(mèng)想就是做出國(guó)家需要、卻看似不可能的光電設(shè)備，讓它們遨游太空，實(shí)現(xiàn)中國(guó)的航天夢(mèng)。

　　月球“照相機(jī)”瘦身到5公斤

　　安裝在嫦娥三號(hào)月球車“腹部”的紅外成像光譜儀，就像一只敏銳的眼睛，將仔細(xì)察看月面的礦物組成——這可是王建宇的最新成果。它原先搭載在飛機(jī)上，“體重”超過(guò)100公斤，顯然不適合上天。為此，王建宇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)絞盡腦汁，將它“瘦身”到5公斤左右，可以穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)匮b入一尺見(jiàn)方的盒子內(nèi)，并采用了一系列創(chuàng)新技術(shù)，使它“目光”敏銳?，F(xiàn)在，王建宇就期盼著月球車上的紅外成像光譜儀能帶回合格的圖像。

　　激光測(cè)距儀和激光三維成像儀則將承擔(dān)起幫月球車尋找“落腳點(diǎn)”的重任——當(dāng)月球車離著陸點(diǎn)只有幾十公里時(shí)，它們將及時(shí)打開(kāi)，以小于1米的精度，實(shí)時(shí)測(cè)量降落高度，其研制難度超過(guò)了嫦娥一號(hào)上的激光高度計(jì)。

　　2003年，時(shí)任中國(guó)探月工程首席科學(xué)家的歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士找到中科院上海技術(shù)物理所，提出研制激光高度計(jì)的要求?；叵肫甬?dāng)時(shí)情形，王建宇說(shuō)他感到了從未有過(guò)的壓力：大功率激光上天，國(guó)內(nèi)從來(lái)沒(méi)做過(guò)！

　　這除了要克服真空、失重、高壓等困難，激光高度計(jì)還要能在200公里外，抓住月面反射回來(lái)的微弱激光信號(hào)，這就好比要不偏不倚地捕捉一大幅畫(huà)面中的一個(gè)光點(diǎn)。同時(shí)，上天的設(shè)備就怕能量大，可高度計(jì)的激光器瞬時(shí)功率高達(dá)30兆瓦。在地面上，這個(gè)功率能把幾米開(kāi)外的鐵板打得直冒火花。

　　這一強(qiáng)一弱之間，包含著無(wú)數(shù)難題。經(jīng)過(guò)三年多攻關(guān)，王建宇團(tuán)隊(duì)終于交出了令人滿意的答卷。與此同時(shí)，一支年輕的團(tuán)隊(duì)也逐步成長(zhǎng)起來(lái)。此次隨嫦娥三號(hào)上天的兩個(gè)激光儀器就是由當(dāng)年激光高度計(jì)團(tuán)隊(duì)帶出來(lái)的年輕博士黃庚華領(lǐng)銜研制的。

　　扣著理論極限抓光子

　　開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)“激光上天”的先例后，王建宇又開(kāi)拓起新方向：將量子通信實(shí)驗(yàn)搬到衛(wèi)星上。五年前，他與量子科學(xué)家、中國(guó)科技大學(xué)的潘建偉院士開(kāi)始了一項(xiàng)挑戰(zhàn)性合作——他們將一起驗(yàn)證空間大尺度的“量子糾纏”現(xiàn)象。

　　量子有一種奇特的“心靈感應(yīng)”，它們無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，只要其中一個(gè)改變狀態(tài)，另一個(gè)也會(huì)同步變化。不過(guò)，光速太快，科學(xué)家怎知它們的改變是同步還是有先后？最好的辦法就是讓它們隔得足夠遠(yuǎn)：一個(gè)在太空中，一個(gè)在地面上，光也要跑上幾毫秒才能到。

　　“量子通訊的本質(zhì)是極弱的激光通信。”王建宇這次要啃的“硬骨頭”是從太空中發(fā)出極其微弱的激光，再在地面上一個(gè)光子一個(gè)光子地接收下來(lái)，幾乎所有的參數(shù)都扣著理論極限。

　　另一個(gè)更大的難題，是星地超高精度的對(duì)準(zhǔn)。要發(fā)射、接收如此微弱的光學(xué)信號(hào)，對(duì)儀器的要求本已很高，更何況發(fā)射裝置裝載在高速運(yùn)行衛(wèi)星上，天地兩個(gè)裝置要對(duì)準(zhǔn)收發(fā)信號(hào)，真好比“針尖對(duì)麥芒”——它們對(duì)準(zhǔn)的角度偏差不可超過(guò)0.7角秒，相當(dāng)于不到1度的萬(wàn)分之二。為了驗(yàn)證可行性，研究團(tuán)隊(duì)讓設(shè)備在高速公路上飛馳、乘著熱氣球漂浮，直到保證萬(wàn)無(wú)一失。

　　盡管量子科學(xué)衛(wèi)星尚未上天，但星地量子通訊設(shè)備一邊研制，一邊在青海湖做實(shí)驗(yàn)，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)合作的論文已多次登上《自然》、《自然•光子學(xué)》等國(guó)際學(xué)術(shù)刊物，開(kāi)創(chuàng)了多個(gè)“世界第一”。

　　棘手問(wèn)題總能及時(shí)“排險(xiǎn)”

　　遼闊的青海湖邊，年輕的科研人員每年堅(jiān)守幾個(gè)月進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。雖然王建宇不用每天值守在青海湖邊，但他肩頭的擔(dān)子卻很重。“老馬識(shí)途”這四個(gè)字，最能說(shuō)明他的作用。他手下的人說(shuō)，不管出了多棘手的問(wèn)題，王老師總能很快找到解決辦法，一般嘗試不會(huì)超過(guò)三次。

　　在研發(fā)嫦娥一號(hào)激光高度計(jì)時(shí)，關(guān)鍵設(shè)備激光器在做真空實(shí)驗(yàn)時(shí)，突然發(fā)現(xiàn)能量衰減很快，壽命只有半小時(shí)，而此時(shí)離產(chǎn)品交付只剩半年多。他們和中科院上海光機(jī)所的同事一起，一項(xiàng)項(xiàng)排查原因，終于找到了解決辦法——為激光器“穿”上了一件特制的“太空服”，成功將其壽命延長(zhǎng)到了一年以上。

　　從抓激光，到抓光子，王建宇所接受的挑戰(zhàn)越來(lái)越艱難，不過(guò)他卻樂(lè)在其中：今后我國(guó)探測(cè)小行星、探測(cè)火星，還會(huì)有更多挑戰(zhàn)出現(xiàn)。帶出一支在空間激光設(shè)備研制上有積累的隊(duì)伍，讓光子載著中國(guó)的航天夢(mèng)遨游于太空，王建宇說(shuō)，這就是他此生的夢(mèng)想。