“大氣一號”衛(wèi)星及激光雷達(dá)在軌工作示意圖。科研團(tuán)隊(duì)供圖

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡稱上海光機(jī)所）研究員劉繼橋曾在網(wǎng)絡(luò)上看到一張來自美國夏威夷的激光幕照片。照片上一道道巨大的綠色光柱從天而降，美國網(wǎng)友在評論中驚呼：“三體人”入侵！

隔著屏幕，劉繼橋嘴角上揚(yáng)。這一刻，他內(nèi)心的自豪感得以具象化。

因?yàn)閯⒗^橋知道，這并不是來自外太空的信號，而是他和同事們深耕10年的成果——全球首顆搭載主動激光雷達(dá)二氧化碳探測的大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星“大氣一號”。這顆衛(wèi)星于2022年4月16日發(fā)射升空，并于2024年7月25日交付使用。網(wǎng)絡(luò)照片上的光柱，正是這顆衛(wèi)星在掃描全球時所發(fā)出的綠色激光。

“西方媒體稱之為中國衛(wèi)星向美國展示‘神跡’，這實(shí)際上是我國科技實(shí)力的一次彰顯！”劉繼橋向《中國科學(xué)報》表示。

上海光機(jī)所黨委書記陳衛(wèi)標(biāo)告訴《中國科學(xué)報》：“激光就像‘蒼穹一劍’。10年來，科研團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持‘鑄劍精神’，敢于創(chuàng)新、持之以恒、協(xié)同創(chuàng)新，不斷攀登科學(xué)高峰?！?/p>

如今，“大氣一號”已經(jīng)在距離地面705公里的高空中穩(wěn)定運(yùn)行近3年。它傳回的數(shù)據(jù)也插上“翅膀”，飛入國內(nèi)外高校和科研院所，為碳足跡監(jiān)測與研究貢獻(xiàn)力量。

劍心所向：“中國人說干就干”

“這項(xiàng)技術(shù)太難了，遠(yuǎn)未成熟，期待你們10年后能看到一個好結(jié)果?！?015年，對陳衛(wèi)標(biāo)正在籌備的“二氧化碳高精度監(jiān)測激光雷達(dá)”項(xiàng)目，美國國家航空航天局（NASA）的幾位遙感載荷專家的反應(yīng)出奇的一致。

陳衛(wèi)標(biāo)心里清楚，同行們表達(dá)得比較委婉，但意思就是“你做不出來”。由于早已開展相關(guān)背景預(yù)研，對于有哪些技術(shù)難題，陳衛(wèi)標(biāo)了然于心。

但陳衛(wèi)標(biāo)較上了勁：“中國人說干就干！不成熟不要緊，我們可以持續(xù)攻關(guān)，融化堅(jiān)冰?！?016年，該項(xiàng)目進(jìn)入工程預(yù)研階段。

劉繼橋理解陳衛(wèi)標(biāo)。從學(xué)生時代起到工作后，他一直跟隨陳衛(wèi)標(biāo)，親身經(jīng)歷了科研團(tuán)隊(duì)多項(xiàng)國內(nèi)沒有先例的技術(shù)的研發(fā)。2003年，團(tuán)隊(duì)率先開展我國空間激光器研究，支撐了載人航天、月球探測、火星探測以及高分專項(xiàng)等國家重大專項(xiàng)的發(fā)展。正因?yàn)橛辛舜饲肮リP(guān)中獲得的經(jīng)驗(yàn)，面對“二氧化碳高精度監(jiān)測激光雷達(dá)”項(xiàng)目中的新問題，研究團(tuán)隊(duì)信心十足，下定決心為我國掌握全球高精度碳分布的基本數(shù)據(jù)作出貢獻(xiàn)。

與此同時，我國環(huán)境監(jiān)測部門提出監(jiān)測大氣細(xì)顆粒物和氣溶膠的需求。如果能在同一顆衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)二氧化碳與氣溶膠的同步測量，就能節(jié)省一大筆經(jīng)費(fèi)。

擺在眼前的一項(xiàng)項(xiàng)國家迫切需求讓研究團(tuán)隊(duì)感受到了沉甸甸的責(zé)任與使命，成為“鑄劍人”的“劍心所向”。這支“鑄劍”團(tuán)隊(duì)經(jīng)過10年磨礪，最終“鑄就”國際首個二氧化碳探測激光雷達(dá)，也是國際首個氣溶膠高光譜探測激光雷達(dá)。它是世界上體制最難、波長最多、能量最高、頻率最穩(wěn)、精度最高的“五最”探測激光雷達(dá)。

劍鋒所指：面對困難敢于創(chuàng)新

二氧化碳分子能夠吸收特定波長的激光能量，通過計(jì)算便可得到其在大氣中的濃度。這便是用激光探測二氧化碳的科學(xué)原理?；诖?，設(shè)計(jì)一顆能夠探測二氧化碳的衛(wèi)星，除了選擇合適的激光波長之外，還需要配齊發(fā)射和接收激光信號的裝置，并通過數(shù)據(jù)和算法分析光譜。

這聽起來并不復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來卻有相當(dāng)大的難度。二氧化碳在大氣中的含量非常少，濃度大約為百萬分之四百二十，即420ppm。

此外，全球二氧化碳來源復(fù)雜，比如人類活動密集區(qū)的化石燃料燃燒會增加二氧化碳排放，而森林和海洋等自然環(huán)境則能夠吸收二氧化碳，這兩種過程分別被稱為“碳源”和“碳匯”。要想精確區(qū)分它們，相關(guān)監(jiān)測需達(dá)到0.3%的質(zhì)量精度，即小于1ppm的測量精度。

2011年起，上海光機(jī)所科研團(tuán)隊(duì)開展預(yù)研，探索新技術(shù)。上海光機(jī)所研究員馬秀華負(fù)責(zé)新型激光器單機(jī)的研制。

馬秀華告訴《中國科學(xué)報》，與傳統(tǒng)激光器相比，這種新型激光器能夠提供窄譜線、高頻率穩(wěn)定性及3個波段的大能量激光輸出，滿足高精度監(jiān)測的需求。

測量精度高需要激光具備較高的能量；專門測量二氧化碳的頻譜又需要嚴(yán)格控制激光頻率的穩(wěn)定性，任何頻率漂移都會影響測量精度。而這兩個條件恰恰是矛盾的。

“采用傳統(tǒng)方法，我們面臨的挑戰(zhàn)是提高激光能量造成的發(fā)熱會導(dǎo)致激光諧振腔擾動，進(jìn)而引起頻譜漂移。”陳衛(wèi)標(biāo)說，“于是，我們考慮能否找出一條路線，既能輸出高重頻和高能量，又能保證頻譜的穩(wěn)定性?！?/p>

由此不難理解美國專家提出的質(zhì)疑。2010年前后，NASA和歐洲航天局（ESA）曾提出研制同類型衛(wèi)星，但都因技術(shù)難度大推遲或取消。

上海光機(jī)所研究員陳迪俊在學(xué)生時代就接觸到相關(guān)研究，2009年博士畢業(yè)后他投入這項(xiàng)工作中，負(fù)責(zé)穩(wěn)頻器研制。當(dāng)時，國內(nèi)外都沒有有效的解決方案，他幾乎從“零”起步。“一開始沒有意識到它的難度，既然是國家所需，就去做。”陳迪俊告訴《中國科學(xué)報》。

陳迪俊硬著頭皮一個方案、一個方案嘗試。為了實(shí)現(xiàn)頻率參考，他們最初采用了一種填充二氧化碳?xì)怏w的空心光纖。但在實(shí)施過程中，他們發(fā)現(xiàn)由于光纖直徑過小，導(dǎo)致顯著的干涉效應(yīng)，從而影響了輸出激光的質(zhì)量。于是，他們用自由空間光路代替光纖，盡可能降低干涉效應(yīng)的影響，滿足所需的性能指標(biāo)。方案經(jīng)歷了多次迭代和優(yōu)化。

陳迪俊記得，那是2017年夏天的一天，一輪實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，電腦屏幕上終于出現(xiàn)期待已久的數(shù)值“10-10”。這意味著方案成功了，激光頻率的穩(wěn)定性達(dá)到了10-10。

那一刻，陳迪俊的第一反應(yīng)是終于可以放假了！而對整個科研團(tuán)隊(duì)來說，這又是一個新的開始。

劍術(shù)所練：持之以恒的堅(jiān)守

2016年，項(xiàng)目進(jìn)入工程預(yù)研階段。如何確保衛(wèi)星在空間環(huán)境下可靠工作，成為科研團(tuán)隊(duì)的新挑戰(zhàn)。

劉繼橋介紹：“考慮到整個衛(wèi)星項(xiàng)目的高昂成本，雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命為8年，國際上同類激光雷達(dá)通常僅要求壽命為3到4年?！睘榇耍麄儗す馄鞯募夹g(shù)體制和整機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面考慮。

一次學(xué)術(shù)交流中，當(dāng)科研團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)赴德國，打算在國際舞臺上展示這些創(chuàng)新思路時，卻再次遭到冷遇。國際專家依然不看好，認(rèn)為中國學(xué)者不可能在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星激光雷達(dá)如此長壽命的在軌運(yùn)行。

馬秀華坦言，聽到這樣的評價，他們心里很不是滋味。所幸他們沒有放棄，質(zhì)疑反而更加堅(jiān)定了他們爭當(dāng)先行者和探索者的決心。經(jīng)過大量的仿真設(shè)計(jì)和反復(fù)論證，團(tuán)隊(duì)及時調(diào)整了傳統(tǒng)的“種子源植入”技術(shù)，開發(fā)出全新的“光纖加固體增益放大”技術(shù)。

“我們實(shí)現(xiàn)了這把‘劍’從能用到好用，再到耐用的目標(biāo)。”馬秀華表示?？蒲袌F(tuán)隊(duì)完全自主掌握了從光纖激光器、固體激光器到配套的空間激光薄膜等的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自主創(chuàng)新。

2018年，“大氣一號”衛(wèi)星工程型號正式立項(xiàng)。相關(guān)測試結(jié)果顯示，這臺新型激光器工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)?！拔覀兊漠a(chǎn)品不僅不遜色于國際同行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，還在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超越，不再跟隨他人的腳步！”陳衛(wèi)標(biāo)說。

多年堅(jiān)守，“鑄劍人”終于修煉出高超“鑄劍術(shù)”。

對于堅(jiān)持的意義，馬秀華有自己的體會。由于激光器發(fā)射能量大，吸附的灰塵會影響壽命，因此相關(guān)工作需要在百級超凈間進(jìn)行，工作人員必須穿戴全套超凈服。

馬秀華說：“由于研制周期緊張，大家常常要連續(xù)工作18小時以上，對每個人而言都是巨大的挑戰(zhàn)?！痹谌蝿?wù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，許多人需要24小時待命。“有的同事只能穿著超凈服原地睡兩三個小時，然后繼續(xù)工作?！瘪R秀華說，“我們都相信，持之以恒地認(rèn)真做一件事情，是能夠成功的?！?/p>

劍穗所系：通力合作協(xié)同攻關(guān)

“如履薄冰，如坐針氈?！标愋l(wèi)標(biāo)常常提到老一輩航天人口中的這8個字。他晚上做夢都在考慮項(xiàng)目中可能出現(xiàn)的問題，有時第二天一早就去找同事討論。大家都說他有點(diǎn)“神經(jīng)質(zhì)”。

從事航天研究必須“較真”，這是科研團(tuán)隊(duì)的共識。

上海光機(jī)所研究員竹孝鵬帶領(lǐng)小組負(fù)責(zé)激光光學(xué)接收單機(jī)研制以及系統(tǒng)集成測試和定標(biāo)。為了保證實(shí)際產(chǎn)品中每一塊鏡片的角度與設(shè)計(jì)方案一致，小組成員要對這些鏡片底座先進(jìn)行修磨，再進(jìn)行安裝?！斑@是一個非常艱難也非常重要的過程，必須精益求精?！睘榱吮M可能減少微小振動的影響，竹孝鵬經(jīng)常在夜深人靜時和這些鏡片“較真”。

竹孝鵬加入團(tuán)隊(duì)時，任務(wù)處于工程研制階段，經(jīng)常連著熬通宵?！叭绻悴荒馨凑沼?jì)劃完成，別人的工作只得停下，就會影響整體研制進(jìn)度?！敝裥Ⅸi說，“大家都在努力干的時候，不能因?yàn)槟恪翩溩印绊懻麄€團(tuán)隊(duì)?！边@是竹孝鵬對協(xié)同創(chuàng)新的理解。

負(fù)責(zé)雷達(dá)整機(jī)結(jié)構(gòu)和熱控系統(tǒng)的上海光機(jī)所高級工程師萬淵也有相似的體會。他在雷達(dá)構(gòu)型設(shè)計(jì)上做了大膽創(chuàng)新。

2018年前后，雷達(dá)整機(jī)研制完成后的一次模擬實(shí)驗(yàn)在有著巨大噪聲的廠房中進(jìn)行。突然，“啪”——清脆的斷裂聲響起。“壞了！”萬淵知道，框體斷裂了，他的設(shè)計(jì)失敗了。

同事們沒有指責(zé)萬淵，而是迅速投入工作狀態(tài)，找來專家集思廣益。最終，萬淵在原有的思路上改進(jìn)了雷達(dá)構(gòu)型，成功排除了框體斷裂的隱患。

“二氧化碳高精度監(jiān)測激光雷達(dá)”是個龐大的系統(tǒng)工程，涵蓋發(fā)射、接收、定標(biāo)以及各種電源系統(tǒng)的集成。在陳衛(wèi)標(biāo)看來，團(tuán)隊(duì)協(xié)作尤為重要。

“在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部，我們強(qiáng)調(diào)協(xié)同工作的重要性，大家尊重各自的角色和貢獻(xiàn)。”陳衛(wèi)標(biāo)說。

同時，該項(xiàng)目在上海光機(jī)所牽頭下，還要依靠多家外部協(xié)作單位協(xié)同完成。例如，制造一個兩米的鋁復(fù)合材料錠并將其厚度壓縮至約25厘米，需要使用全國唯一一臺8萬噸級的模鍛液壓機(jī)。為此，科研團(tuán)隊(duì)積極與相關(guān)單位進(jìn)行協(xié)調(diào)和技術(shù)保障，最終實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的產(chǎn)品輸出。

2022年4月16日，“大氣一號”衛(wèi)星成功發(fā)射，身處各地的團(tuán)隊(duì)成員都長舒一口氣?！跋癜炎约旱摹⒆印妥吡艘粯樱械郊容p松又牽掛?！标惖峡〉莱隽撕芏嗳说男穆暋?/p>

當(dāng)然，他們還感到自豪與驕傲。“我們做出了比國際上同類產(chǎn)品難度更高的星載激光雷達(dá)?！眲⒗^橋說。

2024年6月，當(dāng)陳衛(wèi)標(biāo)帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)赴德國再一次參加學(xué)術(shù)會議時，他們在“特邀報告”中介紹了“十年鑄劍”的過程和成果。

“國際專家羨慕中國學(xué)者說干就干，并且真的花了10年就干成了?！标愋l(wèi)標(biāo)驕傲地說。

（原載于《中國科學(xué)報》?2025-02-25?第1版?要聞）