激光如何抢占通信领域的先机？

出 品：科普中国

作 者：兰顺正

策 划：宋雅娟 涂子怡

监 制：光明网科普事业部

近日，在佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心，通用原子电磁系统公司与美国国防部太空发展局利用SpaceX公司“猎鹰9号”商业火箭将激光互联网络通信系统（LINCS）卫星发射到指定轨道。

独树一帜的激光通信

激光作为一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征，激光通信则是利用激光来作为信息的载体。与传统的无线电通信相比，卫星激光通信具有许多独到之处：

首先激光载波频率具有数百 THz量级，比载波频率在几 GHz 到几十 GHz 范围内的传统无线电通信高 3~5 个数量级，可携带更多信息，通信速率更高。其次激光发散角小，束宽极窄且指向性好，在空间中不易被捕获。在进行激光通信时，设备必须位于狭窄的光束之内，才能接收到较为清晰的信号，因此可以利用激光进行两点之间的高度保密通信，也可以建立防拦截激光通信网络，进行多点保密通信，通信过程中不易受外界干扰，拥有更好的安全性和可靠性。同时激光波长比无线电波长小 3~5 个数量级，激光通信系统所需的收发光学天线、发射与接收部件等器件与无线电所需器件相比，尺寸小、重量轻，可满足小型化、轻量化、低功耗的要求。

激光通信是未来通信技术发展的重要方向之一

虽然激光通信也存在着一定的局限性。如与微波通信相比，激光通信的成本较高；激光在大气传输的过程中，会被雪雾和雨水大大衰减而影响通信的质量；且激光束极高的方向性也导致对设备的稳定性和精度提出很高的要求。但是总体来说，激光通信必将在军事领域以及未来空间高速数据传输方面得到广泛的应用，这已经成为国际上的共识及趋势。此前美国太空发展局局长德里克·图尔尼尔就曾说过，激光通信可以带来“高带宽、低延时、信号干扰概率低的通信网络，适用于任何平台，无论是在水面上，船上，还是在空中”。

“大国竞争”的助力

其实美国等国家在很早之前就已经率先开展卫星激光通信技术研究，如在 1968 年美国 NASA 戈达德太空飞行中心的科研人员就曾将一束激光从地面站发送至近地轨道卫星 GEOS⁃II，进行激光传输实验，分析了大气湍流对激光信号传输的影响；1985年美方又运用高精度跟瞄技术建立了稳定的激光通信链路。而在2013 年，美国月球激光通信演示验证项目成功实施，为其卫星激光通信发展奠定了深厚技术基础。

无线电通信易受到对方电子战部队的干扰

这些年美国重回“大国竞争”，因此为应对同级别的对手，美军对于通信安全的要求也骤然加强。美军认为，当前各类武器系统都依靠无线电信号通信，而这也是一些自动功能的基础，自动功能虽可以提升武器的防御力，但无线电信号很容易被“黑客入侵”。根据华盛顿的说法，俄罗斯在研制电子战系统方面取得了重大进展。五角大楼联合人工智能中心最近发布报告说：“俄罗斯军队的技术比美国更先进，而且正在迅速发展人工智能，以获得战场信息优势”。在这种情况下，激光通信就成为美军的关注重点之一。

据报道，此次是美国国防部太空发展局自2019年成立以来第一次发射卫星。激光互联网络通信系统由12颗微型 “立方卫星”（CubeSats）组成，每颗卫星载有一个C波段双波长全双工光通信终端(OCT)和一个红外（IR）有效载荷，所有部件均有原子电磁系统公司圣地亚哥生产厂设计和制造，目前已有两个卫星进入轨道开始调试运行。据分析，美国军方和通用原子公司将试图改变通信方式，欲抢在俄罗斯等国前面占得卫星激光通信的先机。通用原子电磁系统集团总裁斯科特·福尼表示，未来是光通信的天下，即将开展的实验标志着通信“进化”的开端。

军事小词典

激光通信原理：在利用激光进行通信时，技术人员需要首先将各种形式的信号转变为调制光束。在接收站，技术人员需要用激光接收装置接收调制光束，并进行解调，从而将所需信号与激光束（载波）分离，与信号强度相关的输出电流将被逐级放大，然后被输送到扬声器或其他装置。

来源： 科普中国-军事科技前沿

简单认识激光原理，每日学习一个知识点

激光，应该说是个家喻户晓的东西，但是如果真的问起来什么是激光，恐怕不会有太多人能准确地说上来。激光，英文称之为laser，这个东西的中文名称当年是很受争议的，“莱塞”、“雷射”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”怎么叫的都有，小时候好像还没少听到镭射这个词，都以为跟居里夫人的镭有关系，现在想想其实就是laser的音译之一，幸亏最后有钱学森院士拍板，这个东西也算是有个官方的中文名称了。laser这个词来自于五个词汇的英文首字母，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，直译过来叫受激辐射光放大器，虽然不像直接叫激光来的酷炫，但是对于我们这些相关专业的科研狗而言，这个全称很精炼的概括了激光产生的原理。

想要说明白激光的原理，还真不能着急，要绕一个大弯，一上来就太直接对于不太了解这方面的同学来说有点刺激。

激光的原理必须要从物质中的粒子能量说起，还必须是一些特定物质中的特定粒子，有两个或者两个以上的能量状态，有时候处在高能状态，激昂亢奋，有时候处在低能状态，像早晨两三点钟的太阳。

当粒子从高能状态松懈下来变成低能状态时，损失的能量就会以光子的形式辐射出来。

诸如白炽灯的光源发光都是通过自发辐射，通电后高能态粒子数增多，自发辐射就发生得非常频繁。

这个过程称为自发辐射 ，这里应该可以很容易看出来，这还不是激光，虽然同样是光，是光也不是激光，反正就不是激光。

自发辐射的光子很散漫，如果说激光的光子像天安门广场的阅兵队伍，那自发辐射的光子就像一群脱缰的野狗，毫无组织纪律性，而且它的发生不受控制，有时候不来，有时候乱来。

既然亢奋的粒子会损失能量转变得萎靡，那么反过来，本来一蹶不振的粒子会不会通过某种方法获取能量的兴奋起来呢？答案是肯定的，同辐射过程类似的，低能量的粒子会紧盯着路过的光子，见到合适的就会“劫持”下来，把光子的能量一扫而光，用来将自己上升到高能态，这一过程称为受激吸收 。

1917年，爱因斯坦提出了一个想法，高能量状态的粒子可能也喜欢盯着路过的光子，当有自己心仪的光子路过的时候，高能粒子不会把它们留住，而是放出能量跟它走，像极了爱情。原来的粒子损失了能量，从高能变化为低能，而变化的能量会产生一个与路过的光子完全相同的光子，这个过程称为受激辐射 。

辐射是产生激光最核心的部分，可以看到辐射前后就表现为光被放大了，并且产生的光子与原光子的频率相同步调一致，也就是所谓的具有相干性

路过的光子从一个变化为两个，即光被放大了。这时候小学语文基础扎实的同学敏锐地发现，受激辐射光放大，这个名字的关键词已经全部出现了，但是还是先冷静，此时的光仍然不能称为激光，还有两个重要问题需要解决，也就是前面铺垫介绍的自发辐射和受激吸收。

首先要克服的问题是受激吸收，如果高低能级的粒子都同时盯着路过的光子，那很难保证最后到底是被劫持的多还是放出的光子多。而且事实上，自然条件下低能级的粒子都会多于高能级的粒子，这里就需要加入第一个人为的介入，即用某种方法，让低能级的粒子都跑到高能级去，让大家都亢奋起来。此时的状态有个很cooool的名字，叫粒子数反转 ，或者称为激发态 。产生粒子数反转的方法因物而异，取决于用于辐射产生激光的物质，这种方法可以是通电，也可以是光照，总之一定是一种输入能量的手段。

当受激辐射远大于受激吸收，就可以开始面对另一座大山，自发辐射。自发辐射是高能态粒子自然发生的，换言之只要有高能态粒子，它就有可能发生，更何况之前已经人为的将低能态粒子都上升到了高能态，自发辐射过程自然是拦都拦不住。因此解决问题的思路就在于，要想办法让辐射远大于自发辐射。

办法就是在粒子数反转状态的工作物质前后两端加上两个反射镜，其中一端是全反射镜，另一端是部分的反射镜，这一结构被称为谐振腔。当受激辐射发生时，方向合适的光子会在两个反射镜之间反复横跳，多次经过工作物质，反复产生受激辐射，不断增强光束。

部分反射镜会随时能将一部分光透射出来，而随着不断受激辐射放大，透射的光束也被不断增强。由于两面反射镜位于特定的方向，对于方向不合适的受激辐射光，也就无法产生稳定的震荡，因此我们能看到激光有明确的方向性，这也是谐振腔筛选的结果。

可以看到只要传播方向符合要求的光才能在腔内形成稳定的震荡，不断被变大，这也就是激光具有明确方向性的原因，因为传播方向不符合要求的光都被筛选出去了。

这也就是产生激光最基本的原理，我们在学习激光原理的时候，会被要求记住激光的三大要素，工作物质（增益介质） ，泵浦源（能量输入） ，谐振腔 ，认识并了解了这些，也就算定性的了解了激光是怎么产生的，在这种条件下，也就有能力判断生活中见到的很多光到底是不是激光。

比如太阳光是不是激光？这个肯定不是，根据上面说的，激光其实并不是自然存在的，太阳光是由核聚变发出的，再强它也不是受激辐射光放大的结果，这个应该是大家的共识，没什么可说的。小时候玩过的激光笔，这个是不是激光？这个还真有可能是激光，排除个别拿普通发光二极管糊弄的情况，很多激光笔都采用了激光二极管之类的东西，当然成本也是很低的，作为激光而言它的强度，相干性等等能力也是比较差的，毕竟用途不同。科幻电影星球大战里面的激光剑是不是激光？虽然激光切割这个已经是现在能做到的，但是让激光只传播一定距离，不一直传播这个还做不到，电影里的东西可以叫可伸缩发光二极管，顺着这个思路没准就能做个光剑出来，成本还不高。

正经不正经地说了一堆，这是小编第一次在知乎写东西，今年国际光日的时候，因为算是活动的组织者，所以被要求在公众号上写了关于科普激光的文章，活动结束了文章我就想修改下发在知乎，本人虽然是相关专业，但是并不是研究激光的，认识有限，今后有机会会分享一些其他的有意思的光学知识，当然主要是面向科普，尽量避免太深的东西。

我希望这篇文章面向的人群主要是一些非专业感兴趣的人，或者本科生要学激光原理，或者学完没学懂，甚至刚读研相关专业但是甚至对激光原理都没有入门级认识的人，可以定性的先了解一下到底激光是什么原理，再在此基础上填充血肉去深度了解激光或者进入科研工作，当然也欢迎专业的大佬来批评指正。如果反响好或者说如果有反响的话，我还会以这个标准再写一些关于光纤通信，傅里叶光学，非线性光学等等的文章。

作者：傅里叶光知道学

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