激光器出生在太空競賽初期，但是第一個成功的空間應用卻是地麵。1962年閃光燈泵浦固體激光器測量月球距離，1964年測量衛星距離，但他們的體積大而笨重，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激光器，但是雲層幹擾其與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0.05HzQ開關紅寶石激光高度計測繪了部分月球表麵。然而，無論是燈泵浦固體激光器還是氣體激光器都不適於在太空長期運作。機械手激光儀器隻有隨著二極管泵浦固體激光器的發展才能成為現實。
激光器到火星
第一個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，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。
全新火星軌道激光測高儀，是專門為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。這個任務獲得了巨大成功，從1998年3月到2001年6月，激光高度儀測量火星從南極到北極的海拔，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、Nd：YAG激光器每秒鍾發射十個48mJ脈衝，每束脈衝持續8ns。總共算下來，它發射了6.7億束脈衝，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個月，最初發射70mJ脈衝。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，從而允許觀察持續到2009年最後一台激光器失效。測高儀達到了垂直分辨率接近75px，在監測冰蓋變化方麵是至關重要的，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。
美國宇航局為水星信使任務(MESSENGERmissiontoMercury)修改了ICESat-1激光器的主振蕩功率放大(MOPA)，於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，焦點移到了一個更簡單的稱為月球激光通信演示(LLCD)的測試上。
LLCD發射器是基於商業通信部件，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250px望遠鏡發射0.5W的1550nm波段激光，一個16進製脈衝位置調製編碼四位數據脈衝，在月球軌道的月球大氣與粉塵環境探測器(LADEE)(見圖2)運行速率622Mbit/s。為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，是從月球無線鏈路的6倍，而發射器隻有一半大。“我們在頭三天就完成了所有我們需要演示的內容，在剩餘的時間裏我們隻是運行它。”Cornwell說，陸基激光器的上行鏈路傳輸數據速率高達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未來任務的主要通信係統”。
美國宇航局的下一個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地麵站有一對鏈路。初步計劃呼籲建立一個為期兩年的測試，但美國宇航局正在考慮2018發射長達五年實驗。
調製解調器模塊產生的光信號通過光纖傳輸到航天器上的光模塊，其中采用250px望遠鏡發射和收集光。除此之外，美國宇航局采用類似於LLCD激光技術將一個25kg激光器送入火星軌道，但是采用了更大的550px望遠鏡和更先進的電子裝置。
在上行鏈路將在1微米處提供作為一個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火星探測器100Mbit/s的時候地球6000萬公裏，超過250Mbit/s的火星3000萬公裏。康韋爾說，已經獲得批準，噴氣推進實驗室的研究，可以送200千比特/秒直接從火星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，通過一個稱為ChemCam的儀器將30mJ激光脈衝持續5ns聚焦到一個亞毫米點上。它使用一個鉀鎢酸釓[Nd：KGd(WO4)2或Nd：KGW]摻釹棒，因為其廣泛的溫度範圍。激光脈衝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，每個位置我們發射30束脈衝，”洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Roger Wiens、Chem Cam的主要研究者說，最初發射的幾束光脈衝的衝擊波吹走表麵灰塵，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，多束激光發射可以檢測和測量岩石中的梯度。”Wiens說。
2014年6月Chem Cam從一係列打靶中收集的數據。圖片合並了Chem Cam遠程微成像器記錄的岩石高分辨率黑白圖像和好奇號桅杆相機拍攝的彩色圖像。圖表繪製了金屬、氫及碳的豐度並做以標記。
早期公布的新聞稱“好奇號”發現的岩石形成於淡水湖泊底部。Wiens說這是一個我們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，Chem Cam儀器已經發射了近200000束脈衝，幾乎每隔一天運行一次。
最近Wiens除了忙乎Chem Cam以外，還開發了一款新型激光取樣係統稱為Super Cam，選定在2014年7月飛行並於2020年進行火星探測。
Super Cam將采用Nd：YAG激光器，因為研究團隊已經明確KGW提供的額外熱範圍是不必要的。為了收集更多的礦物學數據，將會采用Chem Cam技術進行拉曼光譜和LIBS。“我們使用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火星探測器，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倍頻釹釩酸釓(Nd-YVO4)MOPA，發射250～900μJ脈衝持續時間1.5ns，頻率10kHz。532nm輸出將被分成六個波束，排成三對，在整個壽命周期內發射一萬億個脈衝。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，從太空激光儀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輸，測量格陵蘭冰蓋變化，為氣候變化提供寶貴的地麵實況。
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