2025年4月23日，中國科學(xué)院“地月空間DRO探索研究”專項通過DRO-A衛(wèi)星單角錐反射器與1.2米口徑地面望遠鏡系統(tǒng)，成功實現(xiàn)35萬公里地月距離尺度的激光測距。這一突破標志著我國在深空光學(xué)探測領(lǐng)域達到取得先進性成就，其核心技術(shù)涉及星載反射器與地面望遠鏡的精密光學(xué)元件設(shè)計。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

 一、星載單角錐反射器的光學(xué)設(shè)計與工藝

（一）光學(xué)元件類型與波段參數(shù)

星載反射器采用大口徑單角錐棱鏡設(shè)計，由三個相互垂直的全反射面構(gòu)成。其核心功能是將入射激光沿原路徑高效反射回地面，形成閉環(huán)測距鏈路。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，該反射器的光學(xué)性能參數(shù)可能涉及如下：

- 工作波段：適配1550nm近紅外激光，這一波長選擇基于以下考量：

  1. 大氣傳輸損耗低：1550nm處于近紅外窗口，大氣散射和吸收較弱，適合長距離傳輸。

  2. 人眼安全閾值高：相較于常見的1064nm激光，1550nm對人眼的損傷閾值更高，可允許更高功率輸出。

  3. 探測器靈敏度高：單光子雪崩二極管（SPAD）在1550nm波段具有較高的量子效率，可實現(xiàn)微弱信號探測。

- 反射效率：通過優(yōu)化二面角精度和表面鍍膜，反射器的單程反射效率超過95%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)陣列式反射器。

（單角錐激光角反射器-圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

（二）關(guān)鍵制作工藝

1. 微弧度級二面角控制 

   反射器三個反射面的夾角精度需控制在0.1微弧度以內(nèi)（相當(dāng)于1公里外看頭發(fā)絲的角度）。采用離子束拋光技術(shù)（Ion Beam Figuring, IBF）實現(xiàn)超精密表面加工：

   - 首先通過計算機數(shù)控（CNC）研磨形成初始面形，表面粗糙度控制在納米級。

   - 隨后利用離子束濺射（IBS）進行納米級材料去除，通過動態(tài)駐留時間算法補償面形誤差，最終實現(xiàn)二面角精度優(yōu)于0.1微弧度。

   - 采用激光干涉儀實時監(jiān)測面形變化，閉環(huán)調(diào)整加工參數(shù)。

DRO-A衛(wèi)星激光測距回波信號截圖

2. 低溫差鏡體熱控技術(shù)  

   反射器在太空環(huán)境中需承受-180℃至150℃的極端溫差，導(dǎo)致材料熱變形可能引入光學(xué)誤差。通過以下技術(shù)解決：

   - 材料選型：采用熔融石英作為基底材料，其熱膨脹系數(shù)（CTE）僅為0.03×10^-6/℃，比普通光學(xué)玻璃低一個數(shù)量級。

   - 表面鍍膜：在反射面鍍制金剛石薄膜，其熱導(dǎo)率高達2000 W/m·K，可快速均勻化溫度分布，將鏡體溫差控制在±2℃以內(nèi)。

   - 結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用蜂窩輕量化結(jié)構(gòu)，降低熱容量并增強抗變形能力，同時通過輻射遮擋層減少太陽輻照的影響。

3. 速差匹配遠場衍射設(shè)計  

   為補償衛(wèi)星軌道運動帶來的光行差效應(yīng)（約0.1毫弧度），反射器的遠場衍射光斑需與地面望遠鏡接收口徑精確匹配：

   - 利用Zemax光學(xué)設(shè)計軟件模擬不同入射角下的衍射圖案，優(yōu)化反射面曲率半徑和邊緣修形，使35萬公里外的光斑直徑壓縮至1.2米望遠鏡的接收視場內(nèi)。

   - 采用二元光學(xué)元件（DOE）對激光波前進行預(yù)補償，消除衛(wèi)星運動導(dǎo)致的相位畸變。

 二、地面望遠鏡的光學(xué)系統(tǒng)與工藝

（一）光學(xué)元件類型與波段參數(shù)

云南天文臺的1.2米口徑望遠鏡采用卡塞格林光學(xué)結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵光學(xué)元件可能包括：

- 主反射鏡：直徑1.2米，材料為ULE超低膨脹玻璃（CTE≈0.003×10^-6/℃），表面鍍制銀膜，在1550nm波段反射率超過99%。

- 次反射鏡：直徑200mm，采用碳化硅材料，輕量化設(shè)計（密度3.2g/cm3），表面鍍制多層介質(zhì)膜，實現(xiàn)對1550nm激光的高反射和可見光的高透射。

- 濾光片：采用窄帶通濾光片，中心波長1550nm，半高寬（FWHM）20nm，抑制背景光干擾。

（BP1550窄帶濾光片）

（二）關(guān)鍵制作工藝

1. 大口徑鏡面加工  

   主反射鏡的制造流程如下：

   - 熔融成型：將高純度石英砂在2000℃熔融后澆鑄成預(yù)制坯，冷卻后進行粗磨。

   - 精密研磨：采用磁流變拋光（MRF）技術(shù)，使用納米級拋光液實現(xiàn)表面粗糙度Ra<0.5nm。

   - 主動光學(xué)補償：通過36個促動器實時調(diào)整鏡面曲率，補償重力和溫度引起的變形，確保光學(xué)面形精度達到λ/20（λ=632.8nm）。

2. 高精度指向控制  

   望遠鏡的指向精度需達到0.5角秒（相當(dāng)于10公里外瞄準硬幣），通過以下技術(shù)實現(xiàn)：

   - 六自由度支撐系統(tǒng)：采用空氣軸承和柔性鉸鏈，消除機械摩擦引起的抖動，指向重復(fù)性誤差<0.1角秒。

   - 星敏感器輔助：配備高精度星敏感器（精度0.01角秒），實時修正望遠鏡姿態(tài)，補償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)和大氣折射的影響。

3. 極微弱信號探測  

   針對反射回波僅含數(shù)十個光子的挑戰(zhàn)，接收系統(tǒng)采用：

   - 單光子雪崩二極管（SPAD）：量子效率在1550nm波段超過30%，暗計數(shù)率<100cps，可探測單個光子的能量（約1.28×10^-19焦耳）。

   - 時間相關(guān)單光子計數(shù)（TCSPC）：將激光飛行時間的測量誤差控制在50皮秒以內(nèi)，對應(yīng)距離誤差7.5毫米。

 三、技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用前景

 （一）核心技術(shù)突破

1. 輕量化設(shè)計：單角錐反射器重量僅1.3公斤，較阿波羅月球反射器（23.6公斤）減重94%，同時保持同等反射能力。

2. 白晝測距能力：通過速差匹配設(shè)計和高靈敏度探測，首次實現(xiàn)地月距離尺度的白晝激光測距，觀測窗口從夜間擴展至全時段。

3. 全鏈路自主化：從反射器研制到地面系統(tǒng)集成，關(guān)鍵技術(shù)均實現(xiàn)自主可控，突破國外技術(shù)封鎖。

 （二）深空探測應(yīng)用

1. 高精度定軌：測距精度達厘米級，可支持月球探測器的精確著陸和小行星采樣任務(wù)。

2. 引力物理研究：通過長期觀測地月距離變化，驗證廣義相對論和探測引力波背景。

3. 空間碎片監(jiān)測：對直徑10厘米以上的太空碎片實現(xiàn)實時跟蹤，測距精度15厘米，為航天安全提供保障。

 （三）產(chǎn)業(yè)技術(shù)輻射

1. 光學(xué)加工：離子束拋光、磁流變拋光等技術(shù)可應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻物鏡、天文望遠鏡等領(lǐng)域。

2. 探測器技術(shù)：單光子探測和TCSPC技術(shù)可拓展至量子通信、生物熒光成像等場景。

3. 熱控材料：金剛石鍍膜和ULE玻璃的應(yīng)用為高功率激光器件、航空航天結(jié)構(gòu)件提供解決方案。

總的來說，地月激光測距試驗的成功，標志著我國在超精密光學(xué)元件設(shè)計、極微弱信號探測和復(fù)雜環(huán)境熱控等領(lǐng)域達到國際領(lǐng)先水平。隨著后續(xù)更多天文臺站的加入和技術(shù)優(yōu)化，該系統(tǒng)將為我國深空探測、基礎(chǔ)物理研究和空間安全保障提供關(guān)鍵支撐，同時推動光學(xué)制造、探測器技術(shù)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。未來，這一地月“激光標尺”有望進一步延伸至火星、小行星等更遠深空目標，為人類探索宇宙奧秘開辟新路徑。