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1、与光共舞光子学与空天信息技术未来的交叉点,报告人：何 鹏 导 师：韦 娟 教授,1,回顾：光学用于空天信息技术的历史与现状,人类和浩瀚太空的关系可大致分为三个阶段： 我们的位置 我们从仰望阶段已经过渡到探索阶段的中早期，这 一非凡的历史进程中，随处可见到光学与空天信息 科学的交织起舞。简单的回顾，是为了更好地把握 这股脉动，更准确地预测并占领先机。,2,Stage 1. 仰望篇：,人类早期，我们利用肉眼分辨星座的变化，记载星辰的运转，茫茫星空催生了多少闪光的智慧，又带来了多少迷人的遐想。 然而目力终归有限，通过光学望远镜的发明，人类将自己的视野达到了一个前所未有的高度，对行星轨道的探索直接导致
2、牛顿发现万有引力，成为近代物理学的开端。,3,Stage 2. 探索篇：,万户，这个大明王朝、也是世界上第一个“宇航员”在为自己设计的火箭试飞时，不幸在一声巨响中粉身碎骨。绑满火药的竹椅没能送他上天，却把他送上了天堂。然而这毕竟是人类首次尝试与太空接触，故将其视为探索太空的开端亦无不可。后来为纪念这个可歌可泣的航天始祖，人们用他的名字命名了一座月球的环形山。,4,齐奥科夫斯基、冯布劳恩一个个伟大的名字铭刻在了航天器 从理论奠基到工程实现的征途上。,5,探测器、载人航天器、空间站 人类对太空的探索越来越深入、越来越频繁，（比如今年中国发射火箭的频率大幅上升），而空间站的建立无疑为各种极端条件的科
3、学研究提供了一个宝贵的平台，（如我国正在建设的天宫），未来空间科技的发展将融合更多前沿技术。光学、激光科学等基础研究的最新成就也将极大促进未来空间信息科学的革新。 由于我是光学工程专业、超短超强激光方向，下面我将结合光子学的最新进展，介绍光子学与空间信息科学的几个未来的结合点：,6,Stage 3. 未来篇：,下面我将结合我的研究背景，介绍激光科学的前沿进展 在空天信息技术几方面上的应用前景。,7,激光推进,化学火箭推进系统有如下缺点： 有效载荷比低，成本高（运载火箭中 90%左右的起飞质量为推进剂，有效载荷很小）； 对环境有害（除了液氢和液氧、煤油推进剂无毒，大部分的推进剂如偏二甲肼是有毒的
4、）； 成本昂贵，发射周期长。,新概念的激光推进系统，由于将工质与能源分离，无需携带能源供应系统，比冲大、成本低，很有发展前途！,8,激光推进原理：,激光推进目前有两种方式： A.大气呼吸模式（ Air-breathing mode）： 地面发射的高能激光经飞行器尾部反射聚焦，并击穿大气，形成高温等离子体向后喷射，从而推动飞行器；,B.火箭烧蚀模式（Ablation mode）： 激光直接烧蚀飞行器携带的工质形成等离子体蒸汽向后喷射，推动飞行器。,两者区别在于：大气呼吸模式不消耗飞行器自身质量（比冲可达无穷大），但只能在大气层内工作；烧蚀模式消耗一定质量，但工作环境不受限。因此一个可行手段是结合
5、两者，在大气层内利用方案A，升出大气层时切换到B方案。,9,问题及解决方案：,激光推进中的最大难题是如何控制激光光束的抖动。众所周知，激光具有发散小、方向性好的优点，但这并不意味这它没有发散，而且大气是随机介质，如何提高系统的鲁棒性（Robustness）是重中之重。 针对这一点，中科院物理所提出用高能超短脉冲激光击穿大气，此时形成的等离子体会起到一个凹透镜的作用，将略微发散的光束会聚起来，进而再次击穿大气形成等离子体，周而复始。 这样形成的激光等离子通道相当稳定，可克服长程作用下光束抖动的不足，并解决了光束随距离增加的能量损耗问题，直到超出大气层。,10,研究现状：,目前在激光推进领域，美国
6、的NASA、日本的东京技术研究所、德国空间中心做了许多开拓性的研究；国内的中科院物理所在激光等离子体通道方面、国防科技大学在激光推进的非平衡动力学、船型结构设计方面都做了不错的工作。,11,小结,作为一种先进航天推进系统，激光推进驱动飞行器除了上述的高比冲、低成本、操作简单的特点，烧蚀模式产生高温等离子体转化的推力比之化学推进剂效率高得多，因此即使携带高能激光系统在太空中飞行也比当前化学推进系统的有效载荷高得多，受到高度关注。,另外，由于近年来微机电的发展，微小卫星和纳卫星受到极大关注，因此对于精确变轨、定位技术就提出了更高的要求。对于微小卫星的最小可控推力要求在微牛甚至纳牛量级，激光推进调节
7、范围大、总重量轻、体积小、转化率高，因此在微推进技术上有着独特优势。虽刚刚起步，但未来在我国未来航天事业中势必有迅猛发展。,12,13,激光惯性约束核聚变,航天所需动力巨大，未来我们的火箭、飞船升天会越来越频繁，地球上的资源并不足以应对这么大的能源需求。核聚变所释放的能量远高于裂变，且所需工作物质（氘、氚）在宇宙中极为丰富，然而这种核反应的启动（即达到临界点火状态）所需能量也是巨大的，如引爆氢弹所需高温高压是以原子弹爆炸获得的，因此有必要探索卓有成效的可控核聚变方法。 目前可控核聚变的途径 可分为磁约束（托卡马 克装置）与惯性约束（ 激光诱导）,14,激光诱导惯性核聚变（ICF）也可分为两种：
8、,一般传统是用高能激光对氚氘靶丸向中心均匀压缩引发内爆，要求激光均匀性极高；若不够均匀或靶丸表面不够光滑就会导致瑞利-泰勒不稳定，并且熄火。 “快点火”：基于啁啾脉冲放大（CPA）的超短超强激光的强度可达到1020W/cm的功率密度（甚至更高），打在靶丸上产生的高能电子束流会直接将能量传到内部，诱发中心的点火。目前日本的LFEX、欧盟的HiPER计划都是围绕“快点火”方式展开的。,15,美国国家点火装置（NIF）,16,我国的神光系列,王淦昌先生在1964年就独立提出了惯性约束核聚变的思想，在他的积极推动下，我国先后建成了类似NIF的神光I号、II号，图为2010年神光III号建成的报道与聚变
9、原理示意图。 相信在一代代人的努力下，人类在本世纪中期将完全掌握有效点火（即点火耗费能量为有效产能的1%以下）的技术，使人类从能源的束缚下解脱出来，“在地球上造个小太阳！”（钱学森语）,17,18,航天器的测控、姿态调整：,航天器在飞行中要兼具稳定性和灵活性 1.光纤陀螺 光纤陀螺是基于光学的萨格纳克原理的 一种惯性导航仪，具有极高的灵敏度与 机械强度。由于不存在运动部件，所以 完全没有磨损，且耐冲击耐振动，在航天、军事方面颇受重视，已成为现今和未来20年惯性技术的主攻方向。 其研究的重点在于如何进一步提高精度、减小随机漂移（0.010.001/h）。,19,航天器的测控、姿态调整：,最近五年
10、里出现了多种新型的光纤陀螺，在此介绍一种我最看好的慢光光纤陀螺。人们通过制作特殊的纳米结构光纤，可将光速（群速度）减小到惊人的m/s量级。当3*108m/s的光速减至极慢的17m/s后，理论上可以获得超高灵敏度、高稳定性、低漂移的光纤陀螺。 耦合谐振型慢光陀螺原理图： 上个月的光子学会上，西工大就激光陀螺报道了一种新型的结构，也比较有意思，在此不再赘述。,20,航天器的测控、姿态调整：,2.光压 类似激光推进的机理，人们可利用激光束对航天器的飞行姿态进行精细调整，并且可以融合激光雷达的测量、激光推进的控制于一身，达到反应时间极短的精细测控。 此外，光压还可以用于清理太空垃圾，通过烧蚀空间垃圾产
11、生推力，使其坠入大气层燃烧掉。 3. 基于背景的图像检测 黎明和黄昏是运载器发射的时间窗口，此时对比度高便于检测。而图像检测本质上无非是目标与背景的分离，以前的方法都是基于目标的检测，而我校电子工程学院开发了一套基于背景的光电图像识别系统，截然不同的设计思路使得检测精度和速度都有大幅提高，对未来扩展时间窗口很有意义。在此提一下。,21,22,太赫兹技术在移动通信中的应用前景,太赫兹简介：0.1THz-10THz频带范围，从前一直是从电子学到光子学的一道鸿沟,23,太赫兹由于通信的优点：,与微波比较，THz通信的带宽更大，比微波通信高出l一4个数量级，可提供高达10Gb/S的无线传输速率，比当前
12、的超宽带技术快几百甚至上千倍； THz波束更窄，方向性更好，可以探测更小的目标以及更精确地定位； 具有更好的保密性及抗干扰能 由于波长短，在完成同样功能的情况下，天线的尺寸可以做得更小。 适用于卫星间通信，以及短程地面无线局域网。,24,太赫兹技术的问题是辐射源难于制备，最近人们通过光学整流、光参量转换、光电导等方式都实现了实用太赫兹源的研制。 太赫兹波的检测与控制上，我比较看好负折射材料制备的各种器件。负折射材料是颠覆了传统光学原理的一类新材料，在滤波、调制、偏振控制方面得天独厚，很有前途。,除通信外，太赫兹波在航天器的无损检测、卫星的环境检测方面有很大应用前景，在反恐、生物学上也有应用。,
13、25,26,量子纠缠通信,纠缠态是量子体系一种常见的态，它具有子态之间的关联性与不可分性，纠缠态受到瞩目是由于其一大特点：非定域性这种鬼魅般的超距离、瞬时作用完全打破了我们宏观世界中所形成的定域感知，打个比方，你挠一下这个光子，那个和它纠缠的光子就会笑！而且其作用传递时间为零，也就是说两个分别处在不同位置的光子本质上是在一起的！,27,我国潘建伟院士课题组目前实现了六个光子的纠缠，进行了100km以上密钥分发实验，并成功地研制了量子中继器，在量子远程传态这一领域可算世界第一。然而离实际应用还有相当长的距离，未来还有大量工作要做。,另外，由于量子力学完全不同于经典物理，量子信息学有这么几个特色：
14、 极大的存储量，n个量子比特能存储2n个n位的二进制数（0，1），而经典的n位寄存器只能存储n个数。 n500时，2500比宇宙间原子总数还多！ 瞬时的信息传递（纠缠态特性） 不可克隆性（量子保密通信的基础） 量子纠缠通信听起来好像很玄，但最近已有许多实验上的可喜进展。,28,29,光子学用于空间探测技术,高光谱仪及未来发展 西安光机所的相里斌院长在高光谱成像方面为我国做了很大贡献。 牛顿的三棱镜曾将光分解为一系列单色光的组合，光谱仪的思想就是将一系列波长光成的像“推扫”，存储为一个数据立方体，它携带了不同波长光的分布情况。未来可考虑结合偏振光进行探测。 这在矿物探测、环境监测等等方面已经发挥
15、了巨大作用（如嫦娥系列）。,全息探测与成像 全息方法可利用很小的存储物质记录下巨量的信息，而且在面形检测、空间探测上拥有更高的精度，还原出的数据携带的信息量极为丰富，应当给予关注。,鬼成像 鬼成像是量子光学中相当前沿的一个分支，原理十分奇妙，也是利用量子纠缠态进行超距成像，在超精确制导、卫星间通信、外太空探测中有极大潜力。,30,总结,由于这样一个综合型大工程要融合各个学科的先进技术，空天科技常被看作一个国家综合国力的集中反映，同样，通过作这个课件我发现，几乎光子学方面所有重大进展都有潜力于未来某天被用于空天信息技术某个方面的革新。 电子学已相当成熟，而光子学还有许许多多方面有待开发，因此十分令人憧憬。光子学远未成熟，还有很多问题需要人踏实努力地克服。 以上是我分析的光子学与空间信息科学未来的几个交叉点，挂一漏万，还请老师不吝指教！谢谢！,31,
