陳衛(wèi)標(biāo)同志創(chuàng)建了我國(guó)空間激光器工程技術(shù)體系，提出了空間激光雷達(dá)大氣環(huán)境多要素精準(zhǔn)遙感方法及相干激光空間鏈路測(cè)距－通信－時(shí)頻傳輸一體化體制，主持了國(guó)際首套星載大氣多要素探測(cè)激光雷達(dá)、我國(guó)首臺(tái)空間激光器等標(biāo)志性工程，為我國(guó)載人航天、探月、深空探測(cè)、高分專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家空間基礎(chǔ)設(shè)施等重大工程作出重要貢獻(xiàn)。

空間激光技術(shù)是構(gòu)建空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和推動(dòng)航天科技發(fā)展的核心支撐。在中國(guó)航天領(lǐng)域，陳衛(wèi)標(biāo)牽頭組建中國(guó)科學(xué)院空間激光創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，建成空間高可靠、長(zhǎng)壽命激光器產(chǎn)品研發(fā)基地和可靠性評(píng)估中心；率先發(fā)展星載大氣海洋激光雷達(dá)融合遙感方法和技術(shù)新體制，以及自由空間激光通信系統(tǒng)體系；先后首研星載二氧化碳和氣溶膠聯(lián)合探測(cè)激光雷達(dá)，星間激光通信和天空地海激光通信系統(tǒng)等代表性系統(tǒng)；累計(jì)發(fā)射各類(lèi)空間激光器近百套，為我國(guó)月球探測(cè)與載人航天、火星探測(cè)、“高分”專(zhuān)項(xiàng)和國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施等國(guó)家重大航天任務(wù)做出重要貢獻(xiàn)。

獨(dú)立自主，首創(chuàng)“中國(guó)制造”空間激光器

2001年，陳衛(wèi)標(biāo)懷揣空間激光的夢(mèng)想回國(guó)加盟中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所，自此與空間激光結(jié)下深厚感情，他默默下定了決心——要在中國(guó)航天領(lǐng)域開(kāi)啟“中國(guó)自主可控的空間激光器”。而之前，我國(guó)自研空間激光器尚屬空白。

2007年，“嫦娥”一號(hào)激光高度計(jì)的成功發(fā)射和在軌應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)首個(gè)國(guó)產(chǎn)空間全固態(tài)激光器誕生，這也使我國(guó)成為少數(shù)擁有太空激光技術(shù)的國(guó)家。

在“嫦娥”一號(hào)任務(wù)中，激光器發(fā)射精準(zhǔn)的主動(dòng)測(cè)距脈沖激光，助力激光高度計(jì)測(cè)量月球表面的三維數(shù)字高程信息，繪制月球三維立體圖像。這是我國(guó)首次在航天器上搭載激光器，沒(méi)有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，這臺(tái)激光器誕生的背后是陳衛(wèi)標(biāo)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)無(wú)數(shù)個(gè)不眠之夜、“從零開(kāi)始”的一場(chǎng)硬仗。記得一個(gè)驚險(xiǎn)的“真空罐事故”：初樣產(chǎn)品交付前的真空測(cè)試，罐內(nèi)一切正常，但一出罐就“罷工”；通過(guò)緊急排查，才得知這是殘余高壓的低氣壓放電所致。一次次故障，一次次教訓(xùn)，團(tuán)隊(duì)形成了反復(fù)“想缺陷、想漏洞”的雙想習(xí)慣。陳衛(wèi)標(biāo)常說(shuō)：“航天工程的成功，就是差一點(diǎn)失敗?！?/p>

有了第一次的成功，陳衛(wèi)標(biāo)團(tuán)隊(duì)持續(xù)承擔(dān)“嫦娥”二期、三期任務(wù)中的所有激光器研制任務(wù)。在“嫦娥”三號(hào)任務(wù)中，研制著陸器軟著陸的激光測(cè)距敏感器、激光三維成像敏感器的激光器。團(tuán)隊(duì)大膽創(chuàng)新，在國(guó)際上首次將脈沖光纖激光器送入太空，以滿(mǎn)足快速成像和小型輕量化的任務(wù)需求，為著陸避障提供了有力保障?！版隙稹蔽逄?hào)增加激光測(cè)速敏感器，首次將單頻窄線寬光纖激光器在月球應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)著陸器的三維速度測(cè)量，增強(qiáng)軟著陸能力。

圖1 陳衛(wèi)標(biāo)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行項(xiàng)目攻堅(jiān)

創(chuàng)新突破，引領(lǐng)空間激光技術(shù)制高點(diǎn)

空間激光器的研制，堪稱(chēng)“在太空中繡花”。陳衛(wèi)標(biāo)團(tuán)隊(duì)曾總結(jié)出四大難題：高效導(dǎo)熱、抗沖擊、真空環(huán)境適應(yīng)性、高性能長(zhǎng)壽命。每個(gè)問(wèn)題都是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

首當(dāng)其沖的便是輻射傳導(dǎo)冷卻問(wèn)題。固體激光器的熱集中在非常小的區(qū)域，必須傳導(dǎo)到太空冷背景中，因此如何高效、低梯度導(dǎo)熱是確保激光器性能的關(guān)鍵。陳衛(wèi)標(biāo)團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一體化傳導(dǎo)冷卻泵浦技術(shù)，成功解決了高熱傳導(dǎo)、高泵浦效率和緊湊一體化的工程難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了泵浦效率大于90%，200W泵浦功率下溫度梯度低于4℃的導(dǎo)熱能力。

激光器隨航天器發(fā)射和在軌運(yùn)行中，必須承受巨大的力學(xué)沖擊和高低溫度沖擊，還能存活并保持高的性能，這對(duì)有諸多光學(xué)元件組成的高精密激光器來(lái)說(shuō)，是個(gè)極大挑戰(zhàn)。此外，對(duì)深空探測(cè)激光應(yīng)用來(lái)說(shuō)，激光器必須滿(mǎn)足小型輕量化，如研制火星巖石成分探測(cè)激光器中，任務(wù)只分配給激光器600g，而且要求在-60℃ ~30℃的極端溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。陳衛(wèi)標(biāo)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)反復(fù)試驗(yàn)，創(chuàng)新發(fā)明被動(dòng)調(diào)Q、力學(xué)不敏感的腔結(jié)構(gòu)和VCSEL寬溫泵浦構(gòu)型，確保了激光器在火星環(huán)境下穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

為了確保各類(lèi)高性能激光器的長(zhǎng)壽命穩(wěn)定工作，陳衛(wèi)標(biāo)團(tuán)隊(duì)還發(fā)明和攻克了避免真空污染誘導(dǎo)損傷的無(wú)膠封裝技術(shù)、光纖固體混合放大技術(shù)等，創(chuàng)建了空間激光光電器件可靠性評(píng)估中心，確保每個(gè)元件安全可靠應(yīng)用到空間激光器系統(tǒng)中。目前，多種空間激光器的性能指標(biāo)在國(guó)際同類(lèi)中綜合指標(biāo)最優(yōu)。激光器陸續(xù)應(yīng)用到陸地三維測(cè)繪、生態(tài)資源探測(cè)、大氣成分探測(cè)等對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中。

戰(zhàn)略高地，搶占中國(guó)雙碳戰(zhàn)略話(huà)語(yǔ)權(quán)

2022年，隨著“大氣”一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射成功，全球首臺(tái)二氧化碳和氣溶膠同探激光雷達(dá)在軌運(yùn)行。陳衛(wèi)標(biāo)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)完成了一項(xiàng)“不可能的任務(wù)”——在同一顆衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)“污碳同測(cè)”，二氧化碳探測(cè)精度優(yōu)于1ppm，填補(bǔ)了全球兩極二氧化碳晝夜變化監(jiān)測(cè)的空白。從單機(jī)到系統(tǒng)，從跟跑到領(lǐng)跑：“大氣”一號(hào)交出的“優(yōu)秀答卷”令人振奮。

然而，這一成就的起點(diǎn)卻充滿(mǎn)質(zhì)疑。2015年，NASA專(zhuān)家曾評(píng)價(jià)陳衛(wèi)標(biāo)團(tuán)隊(duì)的方案“風(fēng)險(xiǎn)太高”，潛臺(tái)詞是“做不出來(lái)”。傳統(tǒng)激光技術(shù)存在大能量輸出和長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定保持的矛盾，而二氧化碳探測(cè)采用的“差分吸收法”，恰恰對(duì)激光器提出了頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定和高脈沖能量輸出需求。陳衛(wèi)標(biāo)團(tuán)隊(duì)勇于創(chuàng)新，成功攻克了多波長(zhǎng)激光穩(wěn)頻與混合體制能量放大的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)激光雷達(dá)的多波段頻率穩(wěn)定與高能量輸出，突破了長(zhǎng)期存在的技術(shù)瓶頸，為高精度探測(cè)提供了有力保障。

同時(shí)，為了驗(yàn)證激光雷達(dá)二氧化碳測(cè)量精度，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研制出在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬整層大氣環(huán)境的標(biāo)定設(shè)備，建立了一個(gè)長(zhǎng)約40m、直徑300mm的溫度、壓力可控的二氧化碳吸收池。以1ppm濃度分辨率來(lái)檢驗(yàn)激光雷達(dá)的測(cè)量精度和準(zhǔn)度，確保激光雷達(dá)發(fā)射前，系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)得到定標(biāo)，讓用戶(hù)放心。激光雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜，研制過(guò)程充滿(mǎn)挑戰(zhàn)，每個(gè)細(xì)節(jié)都需要高度的耐心和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，任何一個(gè)細(xì)微的誤差都可能影響最終的結(jié)果。陳衛(wèi)標(biāo)和團(tuán)隊(duì)成員憑借著扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和頑強(qiáng)的毅力，對(duì)激光雷達(dá)發(fā)射、接收、定標(biāo)各個(gè)細(xì)節(jié)精密測(cè)量和嚴(yán)格測(cè)試，從而保證激光雷達(dá)的測(cè)量精度。陳衛(wèi)標(biāo)經(jīng)常與團(tuán)隊(duì)嘮叨航天“細(xì)節(jié)決定成敗”的寶貴精神。

2022年4月，搭載全球首顆大氣二氧化碳和高光譜氣溶膠探測(cè)激光雷達(dá)的衛(wèi)星“大氣”一號(hào)發(fā)射成功，我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)全球溫室氣體和氣溶膠高精度激光遙感探測(cè)。人類(lèi)首次獲得全球兩極地區(qū)及全球夜晚的二氧化碳柱濃度，比對(duì)精度優(yōu)于1ppm。這一成果不僅開(kāi)啟了星載激光雷達(dá)溫室氣體遙感先河，還為“雙碳”戰(zhàn)略貢獻(xiàn)中國(guó)數(shù)據(jù)，是我國(guó)踐行支持全球氣候變化研究的重要舉措。

圖2 陳衛(wèi)標(biāo)在進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試

薪火相傳，培養(yǎng)空間激光應(yīng)用接班人

在陳衛(wèi)標(biāo)看來(lái)，航天工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，每個(gè)團(tuán)隊(duì)及個(gè)人都是其中不可或缺的一環(huán)。他常對(duì)團(tuán)隊(duì)成員說(shuō)：“做航天任務(wù)，最重要的就是認(rèn)真、負(fù)責(zé)?！标愋l(wèi)標(biāo)曾連續(xù)3個(gè)月睡在研究所的行軍床上，為保證完成國(guó)家空間站應(yīng)用系統(tǒng)的研制和交付，身先士卒，踐行“特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關(guān)、特別能奉獻(xiàn)”的載人航天精神。

從“嫦娥”探月到“大氣”一號(hào)，陳衛(wèi)標(biāo)團(tuán)隊(duì)用20年時(shí)間，將中國(guó)空間激光器從“零的突破”推向“國(guó)際領(lǐng)先”。他們始終心懷國(guó)之大者，堅(jiān)持科技創(chuàng)新，堅(jiān)守探月精神和載人航天精神。團(tuán)隊(duì)從2001年成立時(shí)僅有寥寥數(shù)人，到如今已壯大到200余人。從單一空間激光器，發(fā)展到依托空間高性能激光器，延伸發(fā)展空間激光雷達(dá)遙感、空間激光通信以及空間科學(xué)等多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。這支隊(duì)伍的成長(zhǎng)是中國(guó)航天發(fā)展的最佳縮影?！皣?guó)家航天任務(wù)越來(lái)越重，我們要讓更多年輕人挑大梁”，他把很多精力放在青年人培養(yǎng)上，為的是把航天精神傳承下去。

圖3 陳衛(wèi)標(biāo)在工作中

前瞻布局，驅(qū)動(dòng)空間激光未來(lái)發(fā)展新方向

正如陳衛(wèi)標(biāo)所言：“激光照亮的不只是深空，還有中國(guó)科技自立自強(qiáng)的未來(lái)?！睆摹版隙稹币惶?hào)到“嫦娥”七號(hào)，從月球探測(cè)、火星探測(cè)，再到對(duì)地觀測(cè)，在這條星辰征途上，陳衛(wèi)標(biāo)始終瞄準(zhǔn)航天技術(shù)前沿，勇攀科學(xué)高峰，用科技創(chuàng)新書(shū)寫(xiě)著航天人的精彩篇章。

陳衛(wèi)標(biāo)常說(shuō)：航天任務(wù)必須嚴(yán)謹(jǐn)，但不代表保守不創(chuàng)新。未來(lái)，他們聚焦國(guó)家需求，持續(xù)在深空探測(cè)、空間科學(xué)、對(duì)地觀測(cè)和空間安全等領(lǐng)域開(kāi)拓創(chuàng)新。未來(lái)的空間激光技術(shù)將朝著更高精準(zhǔn)化、更小型化、更智能化的方向發(fā)展，未來(lái)空間激光應(yīng)用將更加豐富，團(tuán)隊(duì)將不斷探索創(chuàng)新，為我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。