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激光测距:只为更精准地找到你

发布时间:2020-12-30
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激光的概念

受激辐射1916年,爱因斯坦在论述普朗克黑体辐射公式的推导中提出受激辐射概念,相关论文《辐射的量子理论》发表在德文《物理学年鉴》上。他在玻尔能级理论的基础上进一步发展了光量子理论,他不但论述了辐射的两种形式:自发辐射和受激辐射,而且也讨论了光子与分子之间的两种相互作用:能量交换和动量交换。然而,爱因斯坦并没有想到利用受激辐射来实现光的放大。因为根据玻尔兹曼统计分布,平衡态中低能级的粒子数总比高能级多,靠受激辐射来实现光的放大实际上是不可能的。

汤斯(左)和戈登展示微波受激辐射放大器

激光的发明:从Maser到Laser

1951年,美国哥伦比亚大学的汤斯(Charles Townes)教授突发奇想,提出利用氨分子气体放大微波辐射的设计方案。1953年12月,汤斯和他的合作者以及学生成功研制了第一台微波受激辐射放大器Maser(microwave amplification by stimulated emission of radiation),工作在1.25厘米波段。之后不久,他们又从理论上证明可以在光学和红外波段实现这种受激放大器,并给出了光学受激辐射放大器的命名Laser(light amplification by stimulated emission of radiation),即激光。

前苏联的巴索夫(Nikolay Basov)和普罗霍洛夫(Aleksandr Prokhorov)独立进行类似的研究工作。汤斯也因此和巴索夫、普罗霍洛夫一起分享了1964年诺贝尔物理学奖。名师出高徒,2020年诺贝尔物理学奖得主之一根策尔(Reinhard Genzel)的博士后合作导师正是汤斯。更有意思的是,激光在根策尔获诺奖的银河系中心超大质量黑洞相关工作中发挥了关键作用,这可能是汤斯本人都没有想到的。

1960年7月7日,美国科学家、休斯实验室的梅曼(Theodore Maiman)根据汤斯等人的理论发明了第一台激光器,此时,距离爱因斯坦提出受激辐射已有44年。有趣的是,梅曼把他的论文投寄给《物理评论快报》(Physical Review Letters)后,不料竟遭退稿!于是梅曼在1960年7月7日在纽约学报上宣布了这一消息,不久又将结果以简报的形式在Nature上发表。直到第二年,《物理评论》(Physical Review )才发表他的详细论文。


激光的中文取名

1961年,中国大陆第一台激光器在中国科学院长春光机所由王之江等研制成功。但当时中国并没有激光一词,中国科学界对Laser的英文翻译多种多样,例如“光的受激辐射放大器”、“光量子放大器”,这些名字显然太长,不利于称呼。还有一些音译,如“莱塞”或者“雷射”。

1961年我国研制的第一台红宝石激光器

命名的混乱给科学界、教育界带来极大的不便。1964年冬天,中国全国第三届光量子放大器学术报告会在上海召开,研究并通过对专有名词的统一翻译和命名。会议召开前,《光受激发射情报》杂志编辑部给中国著名科学家钱学森写了一封信,请他给Laser取一个中文名字。不久,钱学森回信建议命名为“激光”。这一名字表现出光的本质、又描述了这类光和传统光的不同,“激”体现了受激发生、激发态等意义。从此,Laser有了统一的中文名称。


卫星激光测距

自出现以来,激光就被广泛应用于各行各业。早在70年代,激光测距就被用在天文学领域。随着1969年阿波罗11号登陆月球,地面激光测距站就通过阿波罗11号安置在月球表面的后向反射镜测量精确的地月距离。

安装在月球表面的反射器

卫星激光测距(SLR)和月球激光测距(LLR)使用短脉冲激光和最先进的光学接收器和定时电子设备测量从地面站到地球轨道卫星和月球上的逆射器阵列的双向飞行时间(以及距离)。

卫星激光测距示意图



如今国际激光测距服务(ILRS)组织的合作观测站遍布全球,并与各国的组织机构相互合作,提供全球卫星和月球激光测距数据及其相关产品,以支持大地测量和地球物理研究活动,以及对维护准确的国际地球自转和参考系统服务(IERS)。

ILRS收集、合并、存档和分发足够准确的卫星激光测距和月球激光测距观测数据集,以满足广泛的科学、工程、操作应用和实验的目标。ILRS使用这些数据集来生成许多科学和操作数据产品,包括:地球方向参数、ILRS跟踪系统的测站坐标和速度、时变地理中心坐标、地球重力场的静态和时变系数、厘米精度的卫星星历、基本物理常数、月球星历和天平动、月球方向参数等。

目前,国际上主要的激光测距网包括美国宇航局(NASA)网、欧洲网(Eurolas)、西太平洋网(WPLTN)和中国SLR网。

NASA网自二十世纪七十年代起组建,目前有9台仪器,分布在美国本土、南太平洋、南美洲以及澳大利亚等地,技术先进,测距精度高,观测数量约占全球常规运行的40多个站的一半,长期处于国际SLR界的领先地位。Lageos卫星单次测距精度为1-1.5厘米(@1000公里,下同),其中MOBLAS由于回波很强,精度高,可达7-8毫米,处于国际领先水平。


欧洲网成立于1989年,现有18个站,欧洲台站的天气情况不如美国和澳大利亚,观测数量相对较少,但在卫星预报方面有独到之处,英国RGO(现改名为NERC)的卫星预报精度很高,已广泛用于全球的SLR站。奥地利Graz站硬件比较先进,Lageos卫星单次测距精度8毫米,欧洲第一。


西太平洋SLR网成立于1994年,成员有:中国、日本、澳大利亚、俄罗斯和沙特阿拉伯,共15个站。日本Keystonede 在1999年已实现比较稳定的白天测距,测距精度达到1-1.5厘米;俄罗斯的SLR站很多,单次测距精度约4-6厘米。


中国SLR网有5个固定站和2个流动站,1971-1972年华北光电所(与北京天文台合作)和上海天文台(与上海光机所合作)在国内最早开始SLR试验。第一代系统采用红宝石调Q激光器,单次测距精度1-2米。1980年,上海天文台将测距精度提高到20-30厘米;1983年,由中国科学院牵头,实现单次测距精度15厘米;到1997年,我国激光测距精度提升到1-2厘米,达到世界主流水平。


目前,中国SLR网由上海天文台、长春人卫站、云南天文台、北京房山站、武汉测地所、武汉流动站、西安站、阿根廷站等组成。中国各个台站的激光测距数据质量逐年上升,其中长春人卫站激光测距数据数量与数据质量常年位居世界前三。

全年激光测距观测数贡献情况

近年来,我国在激光测距方面取得了多项进展。中山大学与中国科学院云南天文台合作,升级昆明的卫星激光测距系统,于2018年1月22日实现中国首次地月距离激光精确测量,也使我国成为世界上第五个拥有此项能力的国家。

同时,中国的激光观测也在逐步实现全国产化,目前激光发射器、激光控制器已实现国产化并达到世界先进水平,激光接收器的国产化也在逐步推进,预计2021年能完成设计指标。

2020年9月28日,中国科学院紫金山天文台和上海天文台联合利用改造后的青海观测站1.2米量子通信光学望远镜,成功实现低轨到同步轨道上合作卫星(指星上装有角反射器的卫星)的高精度激光测量,最远测量距离超过4万公里,测距精度优于1厘米。



德令哈量子通信望远镜激光测距实验

百年来,科学家与工程师们一起,逐步揭示了激光的神秘面纱。激光的应用也从专业领域逐步走向大众生活,无论是ipad上安装的激光摄像头还是无人驾驶汽车使用的激光测距,都预示着激光在未来将会有着更广泛的发展和应用。



作者简介

黄星旻 中国科学院紫金山天文台博士研究生。

鹿瑶 中国科学院紫金山天文台特别研究助理。


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