地月空间激光测距中的光学元件技术解析
2025年4月23日，中国科学院“地月空间DRO探索研究”专项通过DRO-A卫星单角锥反射器与1.2米口径地面望远镜系统，成功实现35万公里地月距离尺度的激光测距。这一突破标志着我国在深空光学探测领域达到取得先进性成就，其核心技术涉及星载反射器与地面望远镜的精密光学元件设计。
（图源网络，侵删）
一、星载单角锥反射器的光学设计与工艺
（一）光学元件类型与波段参数
星载反射器采用大口径单角锥棱镜设计，由三个相互垂直的全反射面构成。其核心功能是将入射激光沿原路径高效反射回地面，形成闭环测距链路。根据试验数据，该反射器的光学性能参数可能涉及如下：
- 工作波段：适配1550nm近红外激光，这一波长选择基于以下考量：
1. 大气传输损耗低：1550nm处于近红外窗口，大气散射和吸收较弱，适合长距离传输。
2. 人眼安全阈值高：相较于常见的1064nm激光，1550nm对人眼的损伤阈值更高，可允许更高功率输出。
3. 探测器灵敏度高：单光子雪崩二极管（SPAD）在1550nm波段具有较高的量子效率，可实现微弱信号探测。
- 反射效率：通过优化二面角精度和表面镀膜，反射器的单程反射效率超过95%，显著优于传统阵列式反射器。
（单角锥激光角反射器-图源网络，侵删）
（二）关键制作工艺
1. 微弧度级二面角控制
反射器三个反射面的夹角精度需控制在0.1微弧度以内（相当于1公里外看头发丝的角度）。采用离子束抛光技术（Ion Beam Figuring, IBF）实现超精密表面加工：
- 首先通过计算机数控（CNC）研磨形成初始面形，表面粗糙度控制在纳米级。
- 随后利用离子束溅射（IBS）进行纳米级材料去除，通过动态驻留时间算法补偿面形误差，最终实现二面角精度优于0.1微弧度。
- 采用激光干涉仪实时监测面形变化，闭环调整加工参数。
DRO-A卫星激光测距回波信号截图
2. 低温差镜体热控技术
反射器在太空环境中需承受-180℃至150℃的极端温差，导致材料热变形可能引入光学误差。通过以下技术解决：
- 材料选型：采用熔融石英作为基底材料，其热膨胀系数（CTE）仅为0.03×10^-6/℃，比普通光学玻璃低一个数量级。
- 表面镀膜：在反射面镀制金刚石薄膜，其热导率高达2000 W/m·K，可快速均匀化温度分布，将镜体温差控制在±2℃以内。
- 结构设计：采用蜂窝轻量化结构，降低热容量并增强抗变形能力，同时通过辐射遮挡层减少太阳辐照的影响。
3. 速差匹配远场衍射设计
为补偿卫星轨道运动带来的光行差效应（约0.1毫弧度），反射器的远场衍射光斑需与地面望远镜接收口径精确匹配：
- 利用Zemax光学设计软件模拟不同入射角下的衍射图案，优化反射面曲率半径和边缘修形，使35万公里外的光斑直径压缩至1.2米望远镜的接收视场内。
- 采用二元光学元件（DOE）对激光波前进行预补偿，消除卫星运动导致的相位畸变。
二、地面望远镜的光学系统与工艺
（一）光学元件类型与波段参数
云南天文台的1.2米口径望远镜采用卡塞格林光学结构，其关键光学元件可能包括：
- 主反射镜：直径1.2米，材料为ULE超低膨胀玻璃（CTE≈0.003×10^-6/℃），表面镀制银膜，在1550nm波段反射率超过99%。
- 次反射镜：直径200mm，采用碳化硅材料，轻量化设计（密度3.2g/cm?），表面镀制多层介质膜，实现对1550nm激光的高反射和可见光的高透射。
- 滤光片：采用窄带通滤光片，中心波长1550nm，半高宽（FWHM）20nm，抑制背景光干扰。
（二）关键制作工艺
1. 大口径镜面加工
主反射镜的制造流程如下：
- 熔融成型：将高纯度石英砂在2000℃熔融后浇铸成预制坯，冷却后进行粗磨。
- 精密研磨：采用磁流变抛光（MRF）技术，使用纳米级抛光液实现表面粗糙度Ra<0.5nm。
- 主动光学补偿：通过36个促动器实时调整镜面曲率，补偿重力和温度引起的变形，确保光学面形精度达到λ/20（λ=632.8nm）。
2. 高精度指向控制
望远镜的指向精度需达到0.5角秒（相当于10公里外瞄准硬币），通过以下技术实现：
- 六自由度支撑系统：采用空气轴承和柔性铰链，消除机械摩擦引起的抖动，指向重复性误差<0.1角秒。
- 星敏感器辅助：配备高精度星敏感器（精度0.01角秒），实时修正望远镜姿态，补偿地球自转和大气折射的影响。
3. 极微弱信号探测
针对反射回波仅含数十个光子的挑战，接收系统采用：
- 单光子雪崩二极管（SPAD）：量子效率在1550nm波段超过30%，暗计数率<100cps，可探测单个光子的能量（约1.28×10^-19焦耳）。
- 时间相关单光子计数（TCSPC）：将激光飞行时间的测量误差控制在50皮秒以内，对应距离误差7.5毫米。
三、技术创新与应用前景
（一）核心技术突破
1. 轻量化设计：单角锥反射器重量仅1.3公斤，较阿波罗月球反射器（23.6公斤）减重94%，同时保持同等反射能力。
2. 白昼测距能力：通过速差匹配设计和高灵敏度探测，首次实现地月距离尺度的白昼激光测距，观测窗口从夜间扩展至全时段。
3. 全链路自主化：从反射器研制到地面系统集成，关键技术均实现自主可控，突破国外技术封锁。
（二）深空探测应用
1. 高精度定轨：测距精度达厘米级，可支持月球探测器的精确着陆和小行星采样任务。
2. 引力物理研究：通过长期观测地月距离变化，验证广义相对论和探测引力波背景。
3. 空间碎片监测：对直径10厘米以上的太空碎片实现实时跟踪，测距精度15厘米，为航天安全提供保障。
（三）产业技术辐射
1. 光学加工：离子束抛光、磁流变抛光等技术可应用于半导体光刻物镜、天文望远镜等领域。
2. 探测器技术：单光子探测和TCSPC技术可拓展至量子通信、生物荧光成像等场景。
3. 热控材料：金刚石镀膜和ULE玻璃的应用为高功率激光器件、航空航天结构件提供解决方案。
总的来说，地月激光测距试验的成功，标志着我国在超精密光学元件设计、极微弱信号探测和复杂环境热控等领域达到国际领先水平。随着后续更多天文台站的加入和技术优化，该系统将为我国深空探测、基础物理研究和空间安全保障提供关键支撑，同时推动光学制造、探测器技术等相关产业的跨越式发展。未来，这一地月“激光标尺”有望进一步延伸至火星、小行星等更远深空目标，为人类探索宇宙奥秘开辟新路径。