把激光建在月球最暗處：科學(xué)家提出“月球超穩(wěn)定激光器”打造天基GPS

月球南極的永久陰影坑終年不見(jiàn)陽(yáng)光，溫度低至約50 K，是太陽(yáng)系中最寒冷、最安靜的區(qū)域之一。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和 JILA（NIST與科羅拉多大學(xué)博爾德分校共建的聯(lián)合研究所）的物理學(xué)家Jun Ye及其團(tuán)隊(duì)，看到了建設(shè)下一代空間精密基礎(chǔ)設(shè)施的難得機(jī)遇。他們提出，可以在這些月球永久陰影坑中部署硅光學(xué)腔，并用它來(lái)鎖定激光頻率，從而獲得極高穩(wěn)定性的光源。這種“月球超穩(wěn)定激光器”未來(lái)有望為登月航天器提供類似GPS的導(dǎo)航信號(hào)，建立起地外天體上的光學(xué)原子鐘時(shí)間基準(zhǔn)，并服務(wù)于衛(wèi)星間精密測(cè)距、地月光通信以及引力波探測(cè)等一系列前沿科學(xué)任務(wù)。

圖1 Jun Ye（左）與團(tuán)隊(duì)成員Zoey Hu、Dahyeon Lee和Ben Lewis（從左到右）在實(shí)驗(yàn)室中展示光學(xué)激光腔模型。圖源：R. Jacobson/NIST

PART.01

月球暗坑：

天然的低溫、真空與低振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室

月球表面有數(shù)以百計(jì)的隕石坑長(zhǎng)期處于永久陰影中，其中許多位于月球南極附近。它們從不接受直射陽(yáng)光，是太陽(yáng)系中最黑暗、也最寒冷的區(qū)域之一。正因?yàn)槿绱耍琂un Ye和同事認(rèn)為，這些看似荒涼的“暗坑”可能是建造超穩(wěn)定激光核心部件的理想場(chǎng)所。

所謂超穩(wěn)激光，是指頻率幾乎不漂移的相干光源；用通俗的話說(shuō)，就是激光的“顏色”能夠長(zhǎng)時(shí)間保持不變。Jun Ye同時(shí)隸屬于NIST和JILA，后者是NIST與科羅拉多大學(xué)博爾德分校共同建立的研究機(jī)構(gòu)。他指出，在月球上，這類激光既可以提供主時(shí)間信號(hào)，也可以為月面航天器提供類似地球GPS的導(dǎo)航能力。

如果未來(lái)在月面部署多臺(tái)這樣的激光系統(tǒng)，它們還可用于高精度測(cè)量不同目標(biāo)之間的距離，甚至有機(jī)會(huì)捕捉時(shí)空中的細(xì)微漣漪，也就是引力波等新物理現(xiàn)象留下的信號(hào)。

在地球上，超穩(wěn)定激光系統(tǒng)很容易受到溫度波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、空氣擾動(dòng)和聲波影響；而月球沒(méi)有大氣，整體振動(dòng)環(huán)境也比地球安靜得多，本身就適合建設(shè)光學(xué)腔。月球南極永久陰影坑的優(yōu)勢(shì)更進(jìn)一步：那里溫度約為50 K（約 -223℃），可顯著減弱鏡面熱運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的隨機(jī)抖動(dòng)。

這些陰影坑中的真空環(huán)境還優(yōu)于普通月面區(qū)域，可進(jìn)一步減少聲波、游離粒子等因素對(duì)鏡面的擾動(dòng)。若把光學(xué)腔系統(tǒng)殘余熱量向更寒冷的外太空輻射出去，研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)腔體無(wú)需額外低溫恒溫器等主動(dòng)制冷設(shè)備，就可被動(dòng)冷卻到約16 K。在這一溫度附近，硅材料面對(duì)微小溫度變化時(shí)幾乎不膨脹也不收縮，從而保證光在兩面鏡子之間往返的距離極其穩(wěn)定。

PART.02

硅光學(xué)腔：

讓激光“顏色”不漂移的核心部件

要在月球上實(shí)現(xiàn)這種激光系統(tǒng)，航天員首先需要安裝硅光學(xué)腔。它可以理解為一塊兩端帶有高反射鏡的硅材料結(jié)構(gòu)，只有特定頻率的光能夠在兩面鏡子之間來(lái)回反射并形成共振。兩面鏡子之間的距離決定了哪些頻率可以穩(wěn)定存在；因此，對(duì)一臺(tái)超穩(wěn)定激光器而言，最關(guān)鍵的任務(wù)就是讓這段距離盡可能不變。

硅光學(xué)腔部署完成后，一臺(tái)商用激光器可放置在附近，例如隕石坑邊緣或永久陰影坑內(nèi)部。系統(tǒng)會(huì)將少量激光注入光學(xué)腔，并把激光頻率鎖定在腔體允許的某個(gè)共振頻率上。這樣一來(lái)，激光就能持續(xù)發(fā)出單一、穩(wěn)定的“顏色”，成為一條可被空間任務(wù)共享的高穩(wěn)定光學(xué)基準(zhǔn)。

這種設(shè)計(jì)的巧妙之處在于，它把月球最極端的環(huán)境條件轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)：寒冷幫助壓低熱噪聲，真空減少外界擾動(dòng)，較低振動(dòng)讓光學(xué)腔更安靜，而硅材料在特定低溫下的穩(wěn)定性則進(jìn)一步鞏固了激光頻率。換言之，月球暗坑不僅不是障礙，反而可能成為精密光學(xué)的天然實(shí)驗(yàn)室。

圖2 鎖定到超穩(wěn)定硅光學(xué)腔的月球激光，可支撐月球時(shí)間尺度、地月光通信、衛(wèi)星測(cè)距與成像，以及空間光學(xué)原子鐘等應(yīng)用

圖源：J. Ye/NIST，月球背景圖由 NASA Visualization Studio 制作

PART.03

從月球?qū)Ш降焦鈱W(xué)原子鐘：

暗坑激光能做什么

當(dāng)激光頻率被穩(wěn)定下來(lái)后，它就可以成為月球版導(dǎo)航信號(hào)，幫助航天器在月面附近定位和安全著陸，尤其適用于月球南極附近光照條件復(fù)雜、地形起伏明顯的區(qū)域。隨著Artemis等任務(wù)把人類活動(dòng)推向月球南極，穩(wěn)定可靠的月面導(dǎo)航能力將越來(lái)越關(guān)鍵。

如果把這束穩(wěn)定激光與衛(wèi)星上的原子鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧和比對(duì)，它還可成為地外天體上首個(gè)光學(xué)原子鐘系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這樣的計(jì)時(shí)信號(hào)有望接近甚至媲美地球?qū)嶒?yàn)室中最精密、最準(zhǔn)確的光學(xué)原子鐘，而Jun Ye團(tuán)隊(duì)本身正是這一領(lǐng)域的重要建設(shè)者。

NIST新聞所配示意圖展示了這一設(shè)想的基礎(chǔ)設(shè)施圖景：位于永久陰影坑中的超穩(wěn)定硅光學(xué)腔鎖定月球激光，進(jìn)而支持月球時(shí)間尺度、地月光通信、衛(wèi)星星座之間的空間距離測(cè)量和成像，以及空間光學(xué)原子鐘。這意味著它不只是單臺(tái)科學(xué)儀器，而是可能成為未來(lái)月球精密測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的“基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)”。

從更遠(yuǎn)的科學(xué)目標(biāo)看，多臺(tái)月球激光器組成網(wǎng)絡(luò)后，可對(duì)月面或月球軌道目標(biāo)之間的距離進(jìn)行極高精度監(jiān)測(cè)。如果引力波經(jīng)過(guò)月球附近，時(shí)空的微弱擾動(dòng)會(huì)讓這些距離發(fā)生極小變化；穩(wěn)定激光系統(tǒng)有望把這種變化轉(zhuǎn)化為可測(cè)信號(hào)，為月基引力物理實(shí)驗(yàn)打開窗口。

PART.04

從設(shè)想到落地：

Artemis時(shí)代的可行路徑

Jun Ye及其同事在近期出版的Proceedings of the National Academy of Sciences上描述了這一方案。合作者包括JILA、NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）以及舊金山的Lunetronic公司的研究人員。

在月球隕石坑里建激光器乍聽(tīng)起來(lái)像是天馬行空，但它并非脫離現(xiàn)實(shí)任務(wù)。NASA 已把月球南極永久陰影坑附近的一些區(qū)域列為Artemis任務(wù)候選著陸區(qū)；這些區(qū)域不僅有科研價(jià)值，也可能蘊(yùn)藏水冰等資源，是長(zhǎng)期月球探索和維持人類存在的重要目標(biāo)。

Jun Ye的靈感來(lái)自與同事討論Artemis任務(wù)可能攜帶并部署哪些月面儀器。相比一些尚未在地球上成熟、或在任務(wù)層面不夠現(xiàn)實(shí)的設(shè)想，硅諧振腔技術(shù)已有多年研究積累。Jun Ye表示，團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期研究硅光學(xué)諧振腔，已經(jīng)清楚構(gòu)建這類系統(tǒng)的關(guān)鍵要素；一旦認(rèn)識(shí)到月球永久陰影區(qū)所能提供的環(huán)境條件，便發(fā)現(xiàn)那里幾乎是超穩(wěn)定激光器的理想場(chǎng)所。

在工程實(shí)施上，研究人員設(shè)想硅光學(xué)腔可先在地球上完成組裝，尺寸小到足以裝入Artemis飛船。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的論文共同作者Wei Zhang介紹，設(shè)備到達(dá)月球后需要展開輻射散熱板，以便向外太空散熱；隨后，航天員可通過(guò)遠(yuǎn)程或機(jī)械控制的月球車，將光學(xué)腔緩慢放入目標(biāo)隕石坑。

Lunetronic的共同作者Yiqi Ni也提醒，月球極區(qū)光照條件差，著陸本身具有挑戰(zhàn)。然而，永久陰影區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)都是月球探索的重點(diǎn)，因?yàn)槟抢锏乃推渌Y源可能支撐未來(lái)的長(zhǎng)期駐留。按照Yiqi Ni的估計(jì)，硅光學(xué)腔有望在兩年內(nèi)先在低地球軌道開展演示，三至五年內(nèi)部署到月球表面，并在未來(lái)通過(guò)多機(jī)構(gòu)協(xié)同最終安裝進(jìn)暗坑內(nèi)部。

這項(xiàng)方案的意義在于，它把精密計(jì)量、量子技術(shù)和深空探索連接到同一條路線圖上。若設(shè)想成真，人類將在地球之外建立一類新的基礎(chǔ)計(jì)量設(shè)施：它既為月球交通提供導(dǎo)航和授時(shí)，也把月球變成研究時(shí)間、引力和空間通信的前沿平臺(tái)。

https://www.nist.gov/news-events/news/2026/05/shooting-moon-ultrastable-lasers-dark-craters-could-enable-lunar-navigation

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本文轉(zhuǎn)載自“中國(guó)激光評(píng)論”，原標(biāo)題《“月球超穩(wěn)定激光器”或?qū)⒏膶懺旅鎸?dǎo)航與精密計(jì)時(shí)》。

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