固體(ti) 激光器通過一些項目，如火星、水星和格陵蘭(lan) 冰蓋，從(cong) 月球探測器下行高速傳(chuan) 輸數據等，已經贏得了他們(men) 在太空儀(yi) 器儀(yi) 表中的地位，但仍然存在一些挑戰。

　　激光器出生在太空競賽初期，但是第一個(ge) 成功的空間應用卻是地麵。1962年閃光燈泵浦固體(ti) 激光器測量月球距離，1964年測量衛星距離，但他們(men) 的體(ti) 積大而笨重，提供測距所需的能量。1965年雙子座7名宇航員測試了通信用半導體(ti) 激光器，但是雲(yun) 層幹擾其與(yu) 地麵接收器建立鏈路。

　　1971年，阿波羅15號月球軌道上的燈泵浦0.05Hz Q開關(guan) 紅寶石激光高度計測繪了部分月球表麵。然而，無論是燈泵浦固體(ti) 激光器還是氣體(ti) 激光器都不適於(yu) 在太空長期運作。長期機械手激光儀(yi) 器隻有隨著二極管泵浦固體(ti) 激光器的發展才能成為(wei) 現實。

　　激光器到火星

　　第一個(ge) 攜帶二極管泵浦激光器備受矚目的空間任務是失事的火星觀測者。 1992年9月發射的搭載火星軌道激光測高儀(yi) ，在進入火星軌道的前三天也就是 1993年8月21日失去了聯係。不久，更小的激光高度計測量了月球和近地小行星愛神星的距離。

　　圖1所示為(wei) 全新火星軌道激光測高儀(yi) ，是專(zhuan) 門為(wei) 較小的後續火星探測任務 1996年發射的火星全球勘探者號製造的。這個(ge) 任務獲得了巨大成功，從(cong) 1998年3月到2001年6月，激光高度儀(yi) 測量火星從(cong) 南極到北極的海拔，形成了太陽係行星中最精確的全球地形圖。二極管泵浦、Q開關(guan) 、Nd：YAG激光器每秒鍾發射十個(ge) 48mJ脈衝(chong) ，每束脈衝(chong) 持續8ns。總共算下來，它發射了6.7億(yi) 束脈衝(chong) ，這一數據引自一份表述火星有冰川的最新報告。

　　2003年1月12日，美國宇航局發射了第一顆對地持續觀測星載激光雷達，地球科學激光測高係統，ICESat-1，研究格陵蘭(lan) 島和南極冰蓋的變化。它包括三台1064nm波長的Nd：YAG激光器，每台機器連續運作18個(ge) 月，最初發射70mJ脈衝(chong) 。然而，第一台激光器隻運行了37天，第二台激光器的輸出也迅速下降，所以美國宇航局轉移到一係列短程運動，從(cong) 而允許觀察持續到2009年最後一台激光器失效。測高儀(yi) 達到了垂直分辨率接近3cm，在監測冰蓋變化方麵是至關(guan) 重要的，同時也收集了世界各地的森林高度數據。

　　未來NASA地麵係統計劃包括激光雷達表麵形貌任務，該任務由美國國家研究委員會(hui) 在2007年提議。目標包括垂直分辨率0.1m、水平分辨率5m的全球地形測繪，繪製局部規劃的山體(ti) 滑坡和洪澇災害。也可以同時記錄土地地形和冠層結構。

　　美國宇航局為(wei) 水星信使任務(MESSENGER mission to Mercury)修改了ICESat-1激光器的主振蕩功率放大(MOPA)，於(yu) 2004年8月發射，2011年3月探測器到達水星軌道，截至記者發稿時，激光高度計仍然在收集地球表麵的數據。

　　激光通信

　　二極管泵浦在向深空高速激光鏈路方麵複蘇，無線電鏈路的受限速度產(chan) 生了數據瓶頸。繼美國宇航局在2005年預算中計劃在2009年推出一款稱為(wei) 火星通信軌道器的5W、100Mbit/s激光繼電器失敗之後，焦點移到了一個(ge) 更簡單的稱為(wei) 月球激光通信演示(LLCD)的測試上。

　　LLCD發射器是基於(yu) 商業(ye) 通信部件，包括分布反饋二極管激光器、摻鉺光纖放大器和調製器，避免空間定製激光器的高成本，美國宇航局光通信事業(ye) 部總監Donald Cornwell說。設計、建造和運行由麻省理工學院的林肯實驗室完成，發射器通過10cm望遠鏡發射0.5W 1550nm波段激光，一個(ge) 16進製脈衝(chong) 位置調製編碼四位數據脈衝(chong) ，在月球軌道的月球大氣與(yu) 粉塵環境探測器(LADEE)(見圖2)運行速率622Mbit/s。為(wei) 了最大限度提高靈敏度，地麵接收器采用工作在1-3K的超導納米線陣列探測器。單個(ge) 1550nm光子可以加熱4nm線足夠阻止超導，Cornwell說“這一靈敏度是很驚人的，檢測效率達到70%~80%”。

　2013年10月，LLCD成功驗證了622Mbit/s下載速度，是從(cong) 月球無線鏈路的 6倍，而發射器隻有一半大。“我們(men) 在頭三天就完成了所有我們(men) 需要演示的內(nei) 容，在剩餘(yu) 的時間裏我們(men) 隻是運行它，”Cornwell說，陸基激光器的上行鏈路傳(chuan) 輸數據速率高達20Mbit/s，比最好的無線鏈路快5000倍。“這一演示說明該技術可以作為(wei) 未來任務的主要通信係統”。

　　美國宇航局的下一個(ge) 激光測試將以千兆比特的速率在一對地麵站之間中繼數據，在激光通信中繼示範(LCRD)中上行和下行激光鏈路都在1550nm波段完成，在地球同步通信衛星的收發器上每個(ge) 地麵站有一對鏈路。初步計劃呼籲建立一個(ge) 為(wei) 期兩(liang) 年的測試，但美國宇航局正在考慮2018發射長達五年實驗。

　　除此之外，美國宇航局采用類似於(yu) LLCD激光技術將一個(ge) 25kg激光器送入火星軌道，但是采用了更大的22cm望遠鏡和更先進的電子裝置。

　　在上行鏈路將在1微米，以提供作為(wei) 一個(ge) 指點標所需的幾百瓦。下行到5米帕洛馬望遠鏡可以提供從(cong) 火星探測器100Mbit/s的時候地球6000萬(wan) 公裏，超過250Mbit/s的火星3000萬(wan) 公裏。康韋爾說，已經獲得批準，並補充說，噴氣推進實驗室的研究，可以送200千比特/秒直接從(cong) 火星2020路虎給地麵接收機5kg的激光鏈路。

　　火星上的激光器

　　自2012年8月以來，好奇號火星車已經探測到火星土壤和岩石，通過一個(ge) 稱為(wei) ChemCam 的儀(yi) 器將30mJ激光脈衝(chong) 持續5ns聚焦到一個(ge) 亞(ya) 毫米點上(見圖3)。它使用一個(ge) 鉀鎢酸釓[Nd：KGd(WO4)2或Nd：KGW]摻釹棒，因為(wei) 其廣泛的溫度範圍。激光脈衝(chong) 燒蝕材料表麵並進行激光誘導擊穿光譜(LIBS)上的斑點高達7m的距離。

　　“通常情況下，每個(ge) 位置我們(men) 發射30束脈衝(chong) ，”洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Roger Wiens、ChemCam的主要研究者說，最初發射的幾束光脈衝(chong) 的衝(chong) 擊波吹走表麵灰塵，然後露出光禿禿的岩石，然後激光燒蝕外露岩石，光譜儀(yi) 測量熱離子發射進而識別存在的元素。“如果風化殘留在表麵附近組成的梯度內(nei) ，多束激光發射可以檢測和測量岩石中的梯度，”Wiens說。

　　早期公布的新聞稱“好奇號”發現的岩石形成於(yu) 淡水湖泊底部。Wiens說這是“一個(ge) 我們(men) 考試適合居住的環境”，雖然岩石不是有生命的直接證據。到9月下旬，ChemCam儀(yi) 器已經發射了近200 000束脈衝(chong) (見圖4)，幾乎每隔一天運行一次。

　　最近Wiens除了忙乎ChemCam以外，還開發了一款新型激光取樣係統稱為(wei) SuperCam，選定在2014年7月飛行並於(yu) 2020年進行火星探測。#p#分頁標題#e#

　　SuperCam將采用Nd：YAG，因為(wei) 研究團隊已經明確KGW提供的額外熱範圍是不必要的。為(wei) 了收集更多的礦物學數據，將會(hui) 采用ChemCam技術進行拉曼光譜和LIBS。“我們(men) 使用LIBS的激光束，控製電源，加倍頻率，拉曼光譜可以做出12m，”Wiens說，添加適當成本的功能可以幫助滿足火星2020的雄偉(wei) 目標，例如識別最有趣的岩石樣品並在罐子緩存以便未來返回任務取樣。

嚴(yan) 峻挑戰

　　空間應用也提出了特殊挑戰，其中包括在極端環境下的極其可靠運行，以及建立滿足各種要求的激光器係統。美國航空航天局也遇到了一些問題，如ICESat-1搭載激光器的意外短壽命導致高級地形激光測高儀(yi) 係統(ATLAS)選擇不同架構，在ICESat-2上更換了激光器。

　　美國航空航天局的最新設計要求一個(ge) 倍頻釹釩酸釓(Nd-YVO4)MOPA，發射250～900μJ脈衝(chong) 持續時間1.5ns，頻率10kHz。532nm輸出將被分成六個(ge) 波束，排成三對，在整個(ge) 壽命周期內(nei) 發射一萬(wan) 億(yi) 個(ge) 脈衝(chong) 。原本計劃在2016年推出，而飛船的激光器和光子計數監測係統遇到了問題，使得成本上升，發射很有可能推遲到 2017年或2018年。

　　然而，從(cong) 太空激光儀(yi) 器的收益可以證明額外的成本和努力，通常沒有其他技術可以滿足苛刻的條件，比如深空高速數據傳(chuan) 輸，測量格陵蘭(lan) 冰蓋變化，為(wei) 氣候變化提供寶貴的地麵實況。