過(guò)去一年，全球科技取得了不少突破及進(jìn)展。激光通信按其應(yīng)用范圍可以劃分為光纖通信和無(wú)線激光通信兩類。激光通信技術(shù)由于其單色性好、方向性強(qiáng)、光功率集中、難以竊聽(tīng)、成本低、安裝快等特點(diǎn)，引起各國(guó)的高度重視。在激光通信領(lǐng)域，去年較為耀眼的主要有兩大事件。
雙向激光通信傳輸速度提高4800倍
去年5月麻省理工學(xué)院科學(xué)家表示，他們研發(fā)出一種快速傳送大量數(shù)據(jù)、使其輕松穿越遼闊太空的方法。這可能為月球上的宇航員提供一個(gè)“寬帶網(wǎng)絡(luò)”。這是衛(wèi)星光學(xué)組件的一個(gè)電腦輔助設(shè)計(jì)藍(lán)圖。
美國(guó)宇航局的月球激光通信演示包括月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)器和地球間的雙向激光通信。它展示了這樣一個(gè)方法可能傳輸大量數(shù)據(jù)。這意味著高清視頻可從地球傳送到外太空，也可能從外太空發(fā)送到地球。
通過(guò)專業(yè)激光通信設(shè)備，這個(gè)科研組已進(jìn)行把數(shù)據(jù)從地球傳送到月球的測(cè)試。這個(gè)記錄比以前的傳輸速度高出4800倍。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的馬克·史蒂文斯表示：“這是我們首次公布研究成果的概述以及它是如何運(yùn)作的。在軌性能非常優(yōu)越，很接近我們預(yù)計(jì)的結(jié)果，這使我們相信對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)有了很好的理解。”
2013年，這個(gè)科研組的月球激光通信演示（LLCD）以每秒622兆位的下載速度在月球和地球間傳輸數(shù)據(jù)超過(guò)23.9萬(wàn)英里（約合38.5萬(wàn)公里）。這個(gè)傳輸速度超過(guò)任何無(wú)線電頻率（RF）系統(tǒng)。另外，他們還以每秒19.44兆位的傳輸速度在地球和月球間傳送數(shù)據(jù)。這個(gè)速度比迄今所用最好的無(wú)線電頻率上行鏈路高出4800倍。
史蒂文斯說(shuō)：“通過(guò)激光束以高數(shù)據(jù)速率把數(shù)據(jù)從地球傳送到月球目前是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鞑ス馐杈嚯x高達(dá)40萬(wàn)公里。光束穿越大氣時(shí)，難度加倍，因?yàn)橥牧骺赡苁菇邮掌鞯男盘?hào)快速衰落或中途喪失。我們演示了中等大小云衰減的耐受性以及大氣湍流誘發(fā)的較大的信號(hào)功率的變化。結(jié)果證明，即使有很少的信號(hào)余量，也會(huì)提供沒(méi)有誤差的性能。”盡管月球激光通信演示和近地任務(wù)直接相關(guān)，但這個(gè)科研組預(yù)測(cè)它還可能適用于深空任務(wù)以及火星和外行星任務(wù)。
激光脈沖實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離通信
去年7月29日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)物理學(xué)教授霍華德·米爾克伯格和自己的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出一種可以讓空氣具備玻璃導(dǎo)波管一樣作用的方法。據(jù)其刊發(fā)在《光學(xué)》月刊上的論文介紹，空氣導(dǎo)波管的結(jié)構(gòu)為：一個(gè)由低密度空氣組成的“外壁”，包裹著充滿高密度空氣的內(nèi)芯。而與普通光纖一樣，外壁的折射率要低于內(nèi)芯。這種結(jié)構(gòu)的“空氣”導(dǎo)波管能夠長(zhǎng)距離、無(wú)損耗地傳送光信號(hào)。
目前的光纖產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)一般由透明的玻璃管芯和低折射材料制成的包裹外皮組成。外皮的作用是當(dāng)光試圖逃逸出管芯時(shí)，將其反射回來(lái)。不過(guò)，固體材料有著明顯的短板。一是能夠控制和駕馭的能量有限，二是離不開(kāi)鋪設(shè)管道、安裝支架等外部支持，使其無(wú)法在諸如大氣層甚至太空這樣的特殊環(huán)境中發(fā)揮作用。
霍華德團(tuán)隊(duì)制造空氣導(dǎo)波管的方法是使用超強(qiáng)激光脈沖。激光脈沖能夠在空氣中電離出很細(xì)的“光絲”，而這些光絲會(huì)提高周圍空氣的溫度，令空氣擴(kuò)散，并在其經(jīng)過(guò)之后留下一條低密度的、內(nèi)部空氣折射率低于外部氣體的空洞。
光絲存在的時(shí)間短得驚人，只有約一萬(wàn)億分之一秒，而空洞則可以存活幾毫秒，幾乎是激光脈沖的100萬(wàn)倍。霍華德團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，正因?yàn)榭諝鈱?dǎo)波管能夠較長(zhǎng)時(shí)間存在，因而單個(gè)的它就可以傳導(dǎo)激光并收集信號(hào)。
目前，霍華德的團(tuán)隊(duì)正在致力于使空氣導(dǎo)波管的長(zhǎng)度達(dá)到至少50米。憑借該技術(shù)，我們不僅可以對(duì)大氣上層或核反應(yīng)堆這樣的極端環(huán)境進(jìn)行化學(xué)分析，改進(jìn)激光雷達(dá)的性能以繪制高分辨率的三維地形圖，最終還能在太空中的任意地方隨時(shí)交流——讓人類未來(lái)的通信方式發(fā)生質(zhì)的改變。
