当我们仰望星空，除了被璀璨的星辰和月相变化所吸引，更令人着迷的是那片看似透明、却充满奥秘的中高层大气。这片位于十几千米至几百千米高度之间的区域，比我们日常生活的对流层更为稀薄纯净，但这里更容易受到太阳活动和地球磁场的影响，与人类生存环境及航天活动密切相关。中高层大气中的物理过程复杂多变，其密度的变化能够显著影响卫星轨道预测。为了探索这一神秘领域，科学家们不懈努力，发展了一系列先进的遥感工具，其中就包括了激光雷达技术。

激光雷达：开启中高层大气研究的新篇章

20世纪60年代，随着激光技术的诞生，激光雷达迅速成为大气科学研究的重要工具。通过利用激光与大气成分相互作用的特点，激光雷达不仅能穿透云雾，还能精确测量温度、密度和风速等参数。根据不同高度的大气特性，科学家们开发出了多种类型的激光雷达，如用于探测30公里以下气溶胶分布的气溶胶激光雷达、监测30至80公里高空温度和密度的瑞利散射激光雷达，以及检测80至200公里金属原子和离子浓度的共振荧光激光雷达。

然而，对于200公里以上的高层大气，由于其极端稀薄，传统激光雷达难以获取足够的信号强度。面对这一挑战，科研人员经过多年探索，最终研发出一种创新性的探测手段——亚稳态氦激光雷达，它能够在200至1000公里的高度范围内工作，填补了高层大气观测的技术空白。

亚稳态氦激光雷达的工作原理和技术突破

亚稳态氦激光雷达采用了一种独特的探测方法，即利用存在于高层大气中的亚稳态氦原子作为示踪物。当地面发射的高能激光束照射到这些氦原子时，会激发它们发出均匀向四周散射的荧光。尽管只有极小部分荧光能沿垂直方向返回地面并被接收，但这微弱的信号却蕴含着宝贵的信息，可以用来计算大气中亚稳态氦原子的密度，并进一步推断基态氦原子的数量。

为了实现这一艰巨任务，中国科学技术大学的研究团队克服了重重困难。他们首先研制了一款单脉冲能量高达400毫焦耳（mJ）的1083纳米脉冲激光器，确保有足够的能量激发稀少的亚稳态氦原子。同时，考虑到远距离传输带来的信号衰减问题，团队设计了一套由六个一米口径望远镜组成的阵列式接收系统，以增加接收效率，降低成本。此外，为了捕捉极其微弱的荧光信号，研究人员还开发了一种高性能的超导纳米线探测器，它可以灵敏地探测单个光子，并保持极低的噪声水平。

整个系统的集成不仅需要精密的光学设计，还需要强大的电子控制系统来协调各个组件之间的协同工作。例如，通过精确控制发射光与接收光的方向一致性，保证了即使在如此狭小的视场内也能高效收集信号。经过五年的艰苦攻关，这台国际领先的阵列式大口径激光雷达终于在2023年建成，并实现了全季节稳定运行的能力。

科技创新背后的团队力量

每一个伟大的科学成就背后都有一群默默奉献的科技工作者。在这项工程中，不仅有经验丰富的激光雷达专家和空间物理学家参与，还有许多年轻的研究生成长为专业人才。正是这种跨学科的合作精神和技术积累，使得我国在激光遥感领域取得了重要进展，也为未来更多的科研发现奠定了坚实基础。如今，这座占地150平方米的“钢铁巨兽”正静静地守望着夜空，用它的“千里眼”揭示着高层大气的秘密，带领我们走向更加广阔的知识宇宙。（中国科学技术大学）