“大氣一號”衛星及激光雷達在軌工作示意圖。科研團隊供圖

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）研究員劉繼橋曾在網絡上看到一張來自美國夏威夷的激光幕照片。照片上一道道巨大的綠色光柱從(cong) 天而降，美國網友在評論中驚呼：“三體(ti) 人”入侵！

隔著屏幕，劉繼橋嘴角上揚。這一刻，他內(nei) 心的自豪感得以具象化。

因為(wei) 劉繼橋知道，這並不是來自外太空的信號，而是他和同事們(men) 深耕10年的成果——全球首顆搭載主動激光雷達二氧化碳探測的大氣環境監測衛星“大氣一號”。這顆衛星於(yu) 2022年4月16日發射升空，並於(yu) 2024年7月25日交付使用。網絡照片上的光柱，正是這顆衛星在掃描全球時所發出的綠色激光。

“西方媒體(ti) 稱之為(wei) 中國衛星向美國展示‘神跡’，這實際上是我國科技實力的一次彰顯！”劉繼橋向《中國科學報》表示。

上海光機所黨(dang) 委書(shu) 記陳衛標告訴《中國科學報》：“激光就像‘蒼穹一劍’。10年來，科研團隊始終堅持‘鑄劍精神’，敢於(yu) 創新、持之以恒、協同創新，不斷攀登科學高峰。”

如今，“大氣一號”已經在距離地麵705公裏的高空中穩定運行近3年。它傳(chuan) 回的數據也插上“翅膀”，飛入國內(nei) 外高校和科研院所，為(wei) 碳足跡監測與(yu) 研究貢獻力量。

劍心所向：“中國人說幹就幹”

“這項技術太難了，遠未成熟，期待你們(men) 10年後能看到一個(ge) 好結果。”2015年，對陳衛標正在籌備的“二氧化碳高精度監測激光雷達”項目，美國國家航空航天局（NASA）的幾位遙感載荷專(zhuan) 家的反應出奇的一致。

陳衛標心裏清楚，同行們(men) 表達得比較委婉，但意思就是“你做不出來”。由於(yu) 早已開展相關(guan) 背景預研，對於(yu) 有哪些技術難題，陳衛標了然於(yu) 心。

但陳衛標較上了勁：“中國人說幹就幹！不成熟不要緊，我們(men) 可以持續攻關(guan) ，融化堅冰。”2016年，該項目進入工程預研階段。

劉繼橋理解陳衛標。從(cong) 學生時代起到工作後，他一直跟隨陳衛標，親(qin) 身經曆了科研團隊多項國內(nei) 沒有先例的技術的研發。2003年，團隊率先開展我國空間激光器研究，支撐了載人航天、月球探測、火星探測以及高分專(zhuan) 項等國家重大專(zhuan) 項的發展。正因為(wei) 有了此前攻關(guan) 中獲得的經驗，麵對“二氧化碳高精度監測激光雷達”項目中的新問題，研究團隊信心十足，下定決(jue) 心為(wei) 我國掌握全球高精度碳分布的基本數據作出貢獻。

與(yu) 此同時，我國環境監測部門提出監測大氣細顆粒物和氣溶膠的需求。如果能在同一顆衛星上實現二氧化碳與(yu) 氣溶膠的同步測量，就能節省一大筆經費。

擺在眼前的一項項國家迫切需求讓研究團隊感受到了沉甸甸的責任與(yu) 使命，成為(wei) “鑄劍人”的“劍心所向”。這支“鑄劍”團隊經過10年磨礪，最終“鑄就”國際首個(ge) 二氧化碳探測激光雷達，也是國際首個(ge) 氣溶膠高光譜探測激光雷達。它是世界上體(ti) 製最難、波長最多、能量最高、頻率最穩、精度最高的“五最”探測激光雷達。

劍鋒所指：麵對困難敢於(yu) 創新

二氧化碳分子能夠吸收特定波長的激光能量，通過計算便可得到其在大氣中的濃度。這便是用激光探測二氧化碳的科學原理。基於(yu) 此，設計一顆能夠探測二氧化碳的衛星，除了選擇合適的激光波長之外，還需要配齊發射和接收激光信號的裝置，並通過數據和算法分析光譜。

這聽起來並不複雜，實現起來卻有相當大的難度。二氧化碳在大氣中的含量非常少，濃度大約為(wei) 百萬(wan) 分之四百二十，即420ppm。

此外，全球二氧化碳來源複雜，比如人類活動密集區的化石燃料燃燒會(hui) 增加二氧化碳排放，而森林和海洋等自然環境則能夠吸收二氧化碳，這兩(liang) 種過程分別被稱為(wei) “碳源”和“碳匯”。要想精確區分它們(men) ，相關(guan) 監測需達到0.3%的質量精度，即小於(yu) 1ppm的測量精度。

2011年起，上海光機所科研團隊開展預研，探索新技術。上海光機所研究員馬秀華負責新型激光器單機的研製。

馬秀華告訴《中國科學報》，與(yu) 傳(chuan) 統激光器相比，這種新型激光器能夠提供窄譜線、高頻率穩定性及3個(ge) 波段的大能量激光輸出，滿足高精度監測的需求。

測量精度高需要激光具備較高的能量；專(zhuan) 門測量二氧化碳的頻譜又需要嚴(yan) 格控製激光頻率的穩定性，任何頻率漂移都會(hui) 影響測量精度。而這兩(liang) 個(ge) 條件恰恰是矛盾的。

“采用傳(chuan) 統方法，我們(men) 麵臨(lin) 的挑戰是提高激光能量造成的發熱會(hui) 導致激光諧振腔擾動，進而引起頻譜漂移。”陳衛標說，“於(yu) 是，我們(men) 考慮能否找出一條路線，既能輸出高重頻和高能量，又能保證頻譜的穩定性。”

由此不難理解美國專(zhuan) 家提出的質疑。2010年前後，NASA和歐洲航天局（ESA）曾提出研製同類型衛星，但都因技術難度大推遲或取消。

上海光機所研究員陳迪俊在學生時代就接觸到相關(guan) 研究，2009年博士畢業(ye) 後他投入這項工作中，負責穩頻器研製。當時，國內(nei) 外都沒有有效的解決(jue) 方案，他幾乎從(cong) “零”起步。“一開始沒有意識到它的難度，既然是國家所需，就去做。”陳迪俊告訴《中國科學報》。

陳迪俊硬著頭皮一個(ge) 方案、一個(ge) 方案嚐試。為(wei) 了實現頻率參考，他們(men) 最初采用了一種填充二氧化碳氣體(ti) 的空心光纖。但在實施過程中，他們(men) 發現由於(yu) 光纖直徑過小，導致顯著的幹涉效應，從(cong) 而影響了輸出激光的質量。於(yu) 是，他們(men) 用自由空間光路代替光纖，盡可能降低幹涉效應的影響，滿足所需的性能指標。方案經曆了多次迭代和優(you) 化。

陳迪俊記得，那是2017年夏天的一天，一輪實驗結束後，電腦屏幕上終於(yu) 出現期待已久的數值“10-10”。這意味著方案成功了，激光頻率的穩定性達到了10-10。

那一刻，陳迪俊的第一反應是終於(yu) 可以放假了！而對整個(ge) 科研團隊來說，這又是一個(ge) 新的開始。

劍術所練：持之以恒的堅守

2016年，項目進入工程預研階段。如何確保衛星在空間環境下可靠工作，成為(wei) 科研團隊的新挑戰。

劉繼橋介紹：“考慮到整個(ge) 衛星項目的高昂成本，雷達係統的設計壽命為(wei) 8年，國際上同類激光雷達通常僅(jin) 要求壽命為(wei) 3到4年。”為(wei) 此，他們(men) 對激光器的技術體(ti) 製和整機設計進行了全麵考慮。

一次學術交流中，當科研團隊遠赴德國，打算在國際舞台上展示這些創新思路時，卻再次遭到冷遇。國際專(zhuan) 家依然不看好，認為(wei) 中國學者不可能在短時間內(nei) 實現衛星激光雷達如此長壽命的在軌運行。

馬秀華坦言，聽到這樣的評價(jia) ，他們(men) 心裏很不是滋味。所幸他們(men) 沒有放棄，質疑反而更加堅定了他們(men) 爭(zheng) 當先行者和探索者的決(jue) 心。經過大量的仿真設計和反複論證，團隊及時調整了傳(chuan) 統的“種子源植入”技術，開發出全新的“光纖加固體(ti) 增益放大”技術。

“我們(men) 實現了這把‘劍’從(cong) 能用到好用，再到耐用的目標。”馬秀華表示。科研團隊完全自主掌握了從(cong) 光纖激光器、固體(ti) 激光器到配套的空間激光薄膜等的核心技術，實現了自主創新。

2018年，“大氣一號”衛星工程型號正式立項。相關(guan) 測試結果顯示，這台新型激光器工作穩定，實現了預期目標。“我們(men) 的產(chan) 品不僅(jin) 不遜色於(yu) 國際同行設計的產(chan) 品，還在關(guan) 鍵技術領域實現超越，不再跟隨他人的腳步！”陳衛標說。

多年堅守，“鑄劍人”終於(yu) 修煉出高超“鑄劍術”。

對於(yu) 堅持的意義(yi) ，馬秀華有自己的體(ti) 會(hui) 。由於(yu) 激光器發射能量大，吸附的灰塵會(hui) 影響壽命，因此相關(guan) 工作需要在百級超淨間進行，工作人員必須穿戴全套超淨服。

馬秀華說：“由於(yu) 研製周期緊張，大家常常要連續工作18小時以上，對每個(ge) 人而言都是巨大的挑戰。”在任務的關(guan) 鍵節點，許多人需要24小時待命。“有的同事隻能穿著超淨服原地睡兩(liang) 三個(ge) 小時，然後繼續工作。”馬秀華說，“我們(men) 都相信，持之以恒地認真做一件事情，是能夠成功的。”

劍穗所係：通力合作協同攻關(guan)

“如履薄冰，如坐針氈。”陳衛標常常提到老一輩航天人口中的這8個(ge) 字。他晚上做夢都在考慮項目中可能出現的問題，有時第二天一早就去找同事討論。大家都說他有點“神經質”。

從(cong) 事航天研究必須“較真”，這是科研團隊的共識。

上海光機所研究員竹孝鵬帶領小組負責激光光學接收單機研製以及係統集成測試和定標。為(wei) 了保證實際產(chan) 品中每一塊鏡片的角度與(yu) 設計方案一致，小組成員要對這些鏡片底座先進行修磨，再進行安裝。“這是一個(ge) 非常艱難也非常重要的過程，必須精益求精。”為(wei) 了盡可能減少微小振動的影響，竹孝鵬經常在夜深人靜時和這些鏡片“較真”。

竹孝鵬加入團隊時，任務處於(yu) 工程研製階段，經常連著熬通宵。“如果你不能按照計劃完成，別人的工作隻得停下，就會(hui) 影響整體(ti) 研製進度。”竹孝鵬說，“大家都在努力幹的時候，不能因為(wei) 你‘掉鏈子’而影響整個(ge) 團隊。”這是竹孝鵬對協同創新的理解。

負責雷達整機結構和熱控係統的上海光機所高級工程師萬(wan) 淵也有相似的體(ti) 會(hui) 。他在雷達構型設計上做了大膽創新。

2018年前後，雷達整機研製完成後的一次模擬實驗在有著巨大噪聲的廠房中進行。突然，“啪”——清脆的斷裂聲響起。“壞了！”萬(wan) 淵知道，框體(ti) 斷裂了，他的設計失敗了。

同事們(men) 沒有指責萬(wan) 淵，而是迅速投入工作狀態，找來專(zhuan) 家集思廣益。最終，萬(wan) 淵在原有的思路上改進了雷達構型，成功排除了框體(ti) 斷裂的隱患。

“二氧化碳高精度監測激光雷達”是個(ge) 龐大的係統工程，涵蓋發射、接收、定標以及各種電源係統的集成。在陳衛標看來，團隊協作尤為(wei) 重要。

“在團隊內(nei) 部，我們(men) 強調協同工作的重要性，大家尊重各自的角色和貢獻。”陳衛標說。

同時，該項目在上海光機所牽頭下，還要依靠多家外部協作單位協同完成。例如，製造一個(ge) 兩(liang) 米的鋁複合材料錠並將其厚度壓縮至約25厘米，需要使用全國唯一一台8萬(wan) 噸級的模鍛液壓機。為(wei) 此，科研團隊積極與(yu) 相關(guan) 單位進行協調和技術保障，最終實現高質量的產(chan) 品輸出。

2022年4月16日，“大氣一號”衛星成功發射，身處各地的團隊成員都長舒一口氣。“像把自己的‘孩子’送走了一樣，感到既輕鬆又牽掛。”陳迪俊道出了很多人的心聲。

當然，他們(men) 還感到自豪與(yu) 驕傲。“我們(men) 做出了比國際上同類產(chan) 品難度更高的星載激光雷達。”劉繼橋說。

2024年6月，當陳衛標帶領科研團隊赴德國再一次參加學術會(hui) 議時，他們(men) 在“特邀報告”中介紹了“十年鑄劍”的過程和成果。

“國際專(zhuan) 家羨慕中國學者說幹就幹，並且真的花了10年就幹成了。”陳衛標驕傲地說。

（原載於(yu) 《中國科學報》 2025-02-25 第1版 要聞）