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。仰望太空探索太空融入太空STAGE1.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牛顿发现万有引力，成为近代物理学的开端。STAGE2.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。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。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：STAGE3.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。航天技术动力：激光推进能源：惯性核聚变控制：光纤陀螺、光压通信技术太赫兹技术量子纠缠通信探测技术高光谱成像全息成像鬼成像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）；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！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-breathingmode）：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（Ablationmode）：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两者，在大气层内利用方案A，升出大气层时切换到B方案。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。研究现状：目前在激光推进领域，美国的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。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...
