太極計劃通過衛(wèi)星編隊的形式進(jìn)行空間引力波探測，而構(gòu)建星間激光鏈路是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。相比應(yīng)用于星間激光通信、重力場測量等領(lǐng)域的傳統(tǒng)星間激光鏈路構(gòu)建任務(wù)，太極計劃需應(yīng)用有限的星上資源實現(xiàn)三百萬公里超遠(yuǎn)距離激光捕獲及1 nrad/Hz1/2量級超高精度指向，因此其實現(xiàn)難度要大得多。為此，科學(xué)家提出采用三級捕獲探測方案，通過星敏感器（STR）、CMOS捕獲相機(jī)及四象限探測器（QPD）逐級探測壓制激光指向偏差。目前對該方案的研究仍停留在仿真模擬及關(guān)鍵技術(shù)原理方法學(xué)論證階段，并未充分考慮各階段之間系統(tǒng)參數(shù)及核心探測技術(shù)之間的耦合關(guān)系，亟需通過全流程地面模擬實驗進(jìn)一步驗證激光鏈路方案主要技術(shù)指標(biāo)的可行性。
針對上述問題，中國科學(xué)院力學(xué)研究所引力波實驗中心與中國科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院太極團(tuán)隊研究人員開展了面向太極計劃的超高精度星間激光鏈路構(gòu)建地面驗證技術(shù)研究，設(shè)計并搭建了激光捕獲跟瞄一體化地面模擬實驗系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)在完整還原捕獲跟瞄方案光學(xué)系統(tǒng)及實施流程的基礎(chǔ)上充分考慮了對激光遠(yuǎn)場波前、高斯平頂光束接收、弱接收光強(qiáng)等空間實際運行情況的模擬。系統(tǒng)采用小口徑光闌結(jié)合大發(fā)散角出射光，依據(jù)合理的參數(shù)設(shè)計及器件選型，在實驗室近場傳輸情況下實現(xiàn)了雙端近似夫瑯禾費衍射模擬及高斯平頂光束接收。
光學(xué)平臺上放置有CMOS及QPD兩級探測器，利用自研的上位機(jī)軟件可實現(xiàn)捕獲-跟瞄全流程自動模擬。模擬實驗采用DWS信號實時監(jiān)測激光指向角度變化，實驗數(shù)據(jù)展示了由初始指向—掃描開環(huán)捕獲—閉環(huán)捕獲—精密指向的全流程指向角度變化（圖2），實現(xiàn)了對初始時刻百微弧度量級指向偏差的逐級壓制。
在激光捕獲探測技術(shù)方面，該研究首次提出并采用了改進(jìn)的質(zhì)心算法，在百皮瓦級弱光情況下實現(xiàn)了亞像素級光斑中心定位精度。在QPD前設(shè)計了共軛成像系統(tǒng)，降低了beam-walk對DWS技術(shù)非線性誤差產(chǎn)生的影響，提高了精密指向階段角度測量精度。在QPD探測器處，激光捕獲及激光精密指向結(jié)果（圖3），對應(yīng)到實際400倍放大率的望遠(yuǎn)鏡前均能滿足太極計劃要求，充分驗證了目前擬采用方案的可行性。
該項研究工作從物理實驗的角度出發(fā)，設(shè)計并搭建了星間激光鏈路構(gòu)建地面模擬實驗系統(tǒng)，一方面為相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)研究提供了模擬實驗平臺，驗證了關(guān)鍵技術(shù)間的耦合關(guān)系，提出方法學(xué)上的改進(jìn)策略并指導(dǎo)器件參數(shù)選擇；另一方面，充分驗證了整個方案的可行性，為未來方案轉(zhuǎn)入工程化實現(xiàn)階段提供了完備的理論驗證及技術(shù)支持。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在 Optics and Lasers in Engineering上。
圖1 捕獲跟瞄一體化地面模擬實驗系統(tǒng)實物圖
圖2 捕獲-跟瞄全流程模擬實驗yaw方向角度變化
圖3 (a)激光捕獲完成后角度殘余誤差示意圖。(b) 激光精密指向階段殘余指向抖動幅度譜密度曲線
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