中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称上海光机所）研究员刘继桥曾在网络上看到一张来自美国夏威夷的激光幕照片。照片上一道道巨大的绿色光柱从天而降，美国网友在评论中惊呼：“三体人”入侵！



“大气一号”卫星及激光雷达在轨工作示意图。

隔着屏幕，刘继桥嘴角上扬。这一刻，他内心的自豪感得以具象化。

因为刘继桥知道，这并不是来自外太空的信号，而是他和同事们深耕10年的成果——全球首颗搭载主动激光雷达二氧化碳探测的大气环境监测卫星“大气一号”。这颗卫星于2022年4月16日发射升空，并于2024年7月25日交付使用。网络照片上的光柱，正是这颗卫星在扫描全球时所发出的绿色激光。

“西方媒体称之为中国卫星向美国展示‘神迹’，这实际上是我国科技实力的一次彰显！”刘继桥向《中国科学报》表示。

上海光机所党委书记陈卫标告诉《中国科学报》：“激光就像‘苍穹一剑’。10年来，科研团队始终坚持‘铸剑精神’，敢于创新、持之以恒、协同创新，不断攀登科学高峰。”



“大气一号”激光雷达获取的全年二氧化碳柱浓度平均分布图（覆盖南北两极以及全球海域）。

如今，“大气一号”已经在距离地面705公里的高空中稳定运行近3年。它传回的数据也插上“翅膀”，飞入国内外高校和科研院所，为碳足迹监测与研究贡献力量。

剑心所向：“中国人说干就干”

“这项技术太难了，远未成熟，期待你们10年后能看到一个好结果。”2015年，对陈卫标正在筹备的“二氧化碳高精度监测激光雷达”项目，美国国家航空航天局（NASA）的几位遥感载荷专家的反应出奇的一致。

陈卫标心里清楚，同行们表达得比较委婉，但意思就是“你做不出来”。由于早已开展相关背景预研，对于有哪些技术难题，陈卫标了然于心。

但陈卫标较上了劲：“中国人说干就干！不成熟不要紧，我们可以持续攻关，融化坚冰。”2016年，该项目进入工程预研阶段。

刘继桥理解陈卫标。从学生时代起到工作后，他一直跟随陈卫标，亲身经历了科研团队多项国内没有先例的技术的研发。2003年，团队率先开展我国空间激光器研究，支撑了载人航天、月球探测、火星探测以及高分专项等国家重大专项的发展。正因为有了此前攻关中获得的经验，面对“二氧化碳高精度监测激光雷达”项目中的新问题，研究团队信心十足，下定决心为我国掌握全球高精度碳分布的基本数据作出贡献。

与此同时，我国环境监测部门提出监测大气细颗粒物和气溶胶的需求。如果能在同一颗卫星上实现二氧化碳与气溶胶的同步测量，就能节省一大笔经费。

摆在眼前的一项项国家迫切需求让研究团队感受到了沉甸甸的责任与使命，成为“铸剑人”的“剑心所向”。这支“铸剑”团队经过10年磨砺，最终“铸就”国际首个二氧化碳探测激光雷达，也是国际首个气溶胶高光谱探测激光雷达。它是世界上体制最难、波长最多、能量最高、频率最稳、精度最高的“五最”探测激光雷达。

剑锋所指：面对困难敢于创新

二氧化碳分子能够吸收特定波长的激光能量，通过计算便可得到其在大气中的浓度。这便是用激光探测二氧化碳的科学原理。基于此，设计一颗能够探测二氧化碳的卫星，除了选择合适的激光波长之外，还需要配齐发射和接收激光信号的装置，并通过数据和算法分析光谱。

这听起来并不复杂，实现起来却有相当大的难度。二氧化碳在大气中的含量非常少，浓度大约为百万分之四百二十，即420ppm。

此外，全球二氧化碳来源复杂，比如人类活动密集区的化石燃料燃烧会增加二氧化碳排放，而森林和海洋等自然环境则能够吸收二氧化碳，这两种过程分别被称为“碳源”和“碳汇”。要想精确区分它们，相关监测需达到0.3%的质量精度，即小于1ppm的测量精度。

2011年起，上海光机所科研团队开展预研，探索新技术。上海光机所研究员马秀华负责新型激光器单机的研制。

马秀华告诉《中国科学报》，与传统激光器相比，这种新型激光器能够提供窄谱线、高频率稳定性及3个波段的大能量激光输出，满足高精度监测的需求。

测量精度高需要激光具备较高的能量；专门测量二氧化碳的频谱又需要严格控制激光频率的稳定性，任何频率漂移都会影响测量精度。而这两个条件恰恰是矛盾的。

“采用传统方法，我们面临的挑战是提高激光能量造成的发热会导致激光谐振腔扰动，进而引起频谱漂移。”陈卫标说，“于是，我们考虑能否找出一条路线，既能输出高重频和高能量，又能保证频谱的稳定性。”

由此不难理解美国专家提出的质疑。2010年前后，NASA和欧洲航天局（ESA）曾提出研制同类型卫星，但都因技术难度大推迟或取消。

上海光机所研究员陈迪俊在学生时代就接触到相关研究，2009年博士毕业后他投入这项工作中，负责稳频器研制。当时，国内外都没有有效的解决方案，他几乎从“零”起步。“一开始没有意识到它的难度，既然是国家所需，就去做。”陈迪俊告诉《中国科学报》。

陈迪俊硬着头皮一个方案、一个方案尝试。为了实现频率参考，他们最初采用了一种填充二氧化碳气体的空心光纤。但在实施过程中，他们发现由于光纤直径过小，导致显著的干涉效应，从而影响了输出激光的质量。于是，他们用自由空间光路代替光纤，尽可能降低干涉效应的影响，满足所需的性能指标。方案经历了多次迭代和优化。

陈迪俊记得，那是2017年夏天的一天，一轮实验结束后，电脑屏幕上终于出现期待已久的数值“10-10”。这意味着方案成功了，激光频率的稳定性达到了10-10。

那一刻，陈迪俊的第一反应是终于可以放假了！而对整个科研团队来说，这又是一个新的开始。

剑术所练：持之以恒的坚守

2016年，项目进入工程预研阶段。如何确保卫星在空间环境下可靠工作，成为科研团队的新挑战。

刘继桥介绍：“考虑到整个卫星项目的高昂成本，雷达系统的设计寿命为8年，国际上同类激光雷达通常仅要求寿命为3到4年。”为此，他们对激光器的技术体制和整机设计进行了全面考虑。

一次学术交流中，当科研团队远赴德国，打算在国际舞台上展示这些创新思路时，却再次遭到冷遇。国际专家依然不看好，认为中国学者不可能在短时间内实现卫星激光雷达如此长寿命的在轨运行。

马秀华坦言，听到这样的评价，他们心里很不是滋味。所幸他们没有放弃，质疑反而更加坚定了他们争当先行者和探索者的决心。经过大量的仿真设计和反复论证，团队及时调整了传统的“种子源植入”技术，开发出全新的“光纤加固体增益放大”技术。

“我们实现了这把‘剑’从能用到好用，再到耐用的目标。”马秀华表示。科研团队完全自主掌握了从光纤激光器、固体激光器到配套的空间激光薄膜等的核心技术，实现了自主创新。

2018年，“大气一号”卫星工程型号正式立项。相关测试结果显示，这台新型激光器工作稳定，实现了预期目标。“我们的产品不仅不逊色于国际同行设计的产品，还在关键技术领域实现超越，不再跟随他人的脚步！”陈卫标说。

多年坚守，“铸剑人”终于修炼出高超“铸剑术”。

对于坚持的意义，马秀华有自己的体会。由于激光器发射能量大，吸附的灰尘会影响寿命，因此相关工作需要在百级超净间进行，工作人员必须穿戴全套超净服。

马秀华说：“由于研制周期紧张，大家常常要连续工作18小时以上，对每个人而言都是巨大的挑战。”在任务的关键节点，许多人需要24小时待命。“有的同事只能穿着超净服原地睡两三个小时，然后继续工作。”马秀华说，“我们都相信，持之以恒地认真做一件事情，是能够成功的。”

剑穗所系：通力合作协同攻关

“如履薄冰，如坐针毡。”陈卫标常常提到老一辈航天人口中的这8个字。他晚上做梦都在考虑项目中可能出现的问题，有时第二天一早就去找同事讨论。大家都说他有点“神经质”。

从事航天研究必须“较真”，这是科研团队的共识。

上海光机所研究员竹孝鹏带领小组负责激光光学接收单机研制以及系统集成测试和定标。为了保证实际产品中每一块镜片的角度与设计方案一致，小组成员要对这些镜片底座先进行修磨，再进行安装。“这是一个非常艰难也非常重要的过程，必须精益求精。”为了尽可能减少微小振动的影响，竹孝鹏经常在夜深人静时和这些镜片“较真”。

竹孝鹏加入团队时，任务处于工程研制阶段，经常连着熬通宵。“如果你不能按照计划完成，别人的工作只得停下，就会影响整体研制进度。”竹孝鹏说，“大家都在努力干的时候，不能因为你‘掉链子’而影响整个团队。”这是竹孝鹏对协同创新的理解。

负责雷达整机结构和热控系统的上海光机所高级工程师万渊也有相似的体会。他在雷达构型设计上做了大胆创新。

2018年前后，雷达整机研制完成后的一次模拟实验在有着巨大噪声的厂房中进行。突然，“啪”——清脆的断裂声响起。“坏了！”万渊知道，框体断裂了，他的设计失败了。

同事们没有指责万渊，而是迅速投入工作状态，找来专家集思广益。最终，万渊在原有的思路上改进了雷达构型，成功排除了框体断裂的隐患。

“二氧化碳高精度监测激光雷达”是个庞大的系统工程，涵盖发射、接收、定标以及各种电源系统的集成。在陈卫标看来，团队协作尤为重要。

“在团队内部，我们强调协同工作的重要性，大家尊重各自的角色和贡献。”陈卫标说。

同时，该项目在上海光机所牵头下，还要依靠多家外部协作单位协同完成。例如，制造一个两米的铝复合材料锭并将其厚度压缩至约25厘米，需要使用全国唯一 一台8万吨级的模锻液压机。为此，科研团队积极与相关单位进行协调和技术保障，最终实现高质量的产品输出。

2022年4月16日，“大气一号”卫星成功发射，身处各地的团队成员都长舒一口气。“像把自己的‘孩子’送走了一样，感到既轻松又牵挂。”陈迪俊道出了很多人的心声。

当然，他们还感到自豪与骄傲。“我们做出了比国际上同类产品难度更高的星载激光雷达。”刘继桥说。

2024年6月，当陈卫标带领科研团队赴德国再一次参加学术会议时，他们在“特邀报告”中介绍了“十年铸剑”的过程和成果。

“国际专家羡慕中国学者说干就干，并且真的花了10年就干成了。”陈卫标骄傲地说。



卫星激光雷达研制团队主要代表。科研团队供图