激光测距——精准测量地月距离的标尺

激光测距试验是用激光对星地距离的科学测量。其原理是将高度各向同性的脉冲激光束对准卫星表面上的角反射器，通过发送和接收之间的时间差计算卫星与地面的距离。目前，人类历史上最长的激光测距试验是月球激光测距。你可以想象，一束光从地面观测站从地球上发出，然后从月球飞回来。地球和月球之间的距离可以通过一次旅行的时间来换算。这是一项综合性技术，涵盖激光、光电探测、自动控制、空间轨道等学科领域。这是目前测量地月距离最精确的技术手段。它的观测数据对天体地球动力学、地月系统动力学、月球物理学和引力理论的验证等许多学科的研究具有重要价值。

月球激光测距听起来很简单，在概念上并不新奇。然而，用技术来展示它要困难得多。中国科学院云南天文台应用天文学研究组副组长、副研究员李玉强曾介绍过三个难点。

首先，从传统技术的角度来看，月球激光测距的主要难点在于普通光路系统中激光发射和激光接收的转换。有必要确保系统能够正常发射激光并接收回波信号。

第二是望远镜的跟踪和指向精度。当望远镜的指向精度为3秒时，激光束中心与月球反射镜指向月球的距离可达6公里，而最大的月球反射镜阿波罗15号的有效反射面积仅为3402平方厘米，这将直接影响激光月球测量的成功。

第三，激光束的质量和光学系统的效率影响激光器的实际发射能量和质量。这要求激光发射装置的制造技术也应该是高超的。

中国华中科技大学罗俊院士团队早在2015年就开始设计和开发激光角度反射镜。2018年5月，嫦娥四号中继卫星“鹊桥”发射升空。魁桥搭载了激光角反射器，为中国的地月激光测距试验提供了依据，也为未来的秦天太空引力波探测计划做了开创性的研究工作。

这部作品最初是由“中国科普——科技前沿大师讲座”创作的。重印时请注明出处。

作者:赵淼