与光共舞——光子学与空天信息技术未来的交叉点.pptx

1、与光共舞光子学和未来航空信息技术的交汇点。主持人：何鹏导演：魏娟教授。回顾：光学在航天信息技术中应用的历史和现状。人类与广阔空间的关系大致可以分为三个阶段：我们的位置我们已经从仰视阶段过渡到探索的中期和早期阶段。在这个非同寻常的历史过程中，光学和航天信息科学交织的舞蹈随处可见。一个简短的回顾是为了更好地把握这个脉搏，更准确地预测它，并发挥带头作用。在人类早期，我们用肉眼来辨别星座的变化，记录星星的运行。无边的星空孕育了许多灿烂的智慧，也带来了许多迷人的遐想。然而，视力毕竟是有限的。通过光学望远镜的发明，人类达到了前所未有的高度。对行星轨道的探索直接导致牛顿发现了重力，这成为现代物理学的开端。探

2、索：世界上第一位明朝宇航员万万，不幸在驾驶为自己设计的火箭时被一声巨响夺去了生命。绑着火药的竹椅没能把他送上天堂，却把他送上了天堂。然而，这是人类第一次尝试与太空接触，因此有必要将其视为探索太空的开端。后来，为了纪念这位史诗般的太空祖先，人们以他的名字命名了一个月球坑。奇奥科夫斯基和冯布劳恩的伟大名字铭刻在航天器从理论基础到工程实现的旅程中。探测器、载人航天器和空间站人类对空间的探索越来越深入和频繁(例如，今年中国发射火箭的频率大大增加)，而空间站的建立无疑为各种极端条件下的科学研究提供了一个宝贵的平台(例如，中国正在建造的天宫)，未来空间科学技术的发展将融合更多的尖端技术。光学和激光科学等基

3、础研究的最新成果也将极大地推动未来空间信息科学的创新。由于我是光学工程专业的学生，具有超短超强激光的方向，我将根据光子学的最新进展介绍光子学与空间信息科学的几个未来的结合点：第三阶段。未来章节：我将根据自己的研究背景，介绍激光科学前沿进展在航天信息技术几个方面的应用前景。激光推进和化学火箭推进系统存在以下缺点：有效载荷比低、成本高(运载火箭约90%的起飞质量是推进剂，有效载荷很小)；对环境有害(除液氢、液氧和煤油推进剂外，大多数推进剂如偏二甲肼是有毒的)；成本高，传输周期长。新概念激光推进系统，由于工作介质和能量的分离，不需要携带能量供应系统，比冲大，成本低，具有很大的发展前景！激光推进原理：

4、目前激光推进有两种方式：一是吸气式模式：从地面发射的高能激光被飞机尾部反射和聚焦，并穿透大气，形成一股高温等离子体向后喷射，从而推动飞机；火箭烧蚀模式：激光直接烧蚀飞机携带的工作介质，形成等离子体蒸汽，反向喷射推动飞机。两者的区别在于，大气呼吸模式不消耗飞机本身的质量(比冲可以达到无穷大)，而只能在大气中工作；消融模式消耗一定的质量，但工作环境不受限制。因此，一个可行的方法是将两者结合起来，在大气中使用方案A，当从大气中升起时切换到方案B。激光推进的最大问题是如何控制激光束的抖动。众所周知，激光具有发散角小、方向性好的优点，但这并不意味着它没有发散角，而且大气是一种随机介质，因此如何提高系统的

5、鲁棒性是当务之急。有鉴于此，中国科学院物理研究所提出用高能超短脉冲激光突破大气层，而此时形成的等离子体将充当conv凹透镜这样形成的激光等离子体通道相当稳定，可以克服长距离作用下光束抖动的不足，解决光束能量随距离增加而损失的问题，直至超过大气。目前，美国国家航空航天局、日本东京理工大学和德国航天中心在激光推进领域做了大量开创性的研究；中国科学院物理研究所和国防科技大学在激光推进非平衡动力学和船舶结构设计方面做得很好。综上所述，作为一种先进的空间推进系统，激光推进驱动飞行器具有比冲高、成本低、操作简单等特点，高温等离子体转化烧蚀方式产生的推力比化学推进剂产生的推力效率高得多。因此，即使使用高能激

6、光系统在太空飞行，其有效载荷也远高于目前备受关注的化学推进系统。此外，由于近年来微机电系统的发展，微卫星和纳米卫星受到了极大的关注，对精密轨道转移和定位技术提出了更高的要求。微型卫星的最小可控推力在微型牛甚至纳米牛的数量级。激光推进具有调节范围广、总重量轻、体积小、转换率高等优点，在微推进技术中具有独特的优势。虽然刚刚起步，但它必将在中国未来的航天工业中迅速发展。激光惯性约束核聚变需要巨大的空间飞行能量。未来，我们的火箭和宇宙飞船将越来越频繁地升向天空，而地球上的资源不足以满足如此大的能源需求。核聚变释放的能量比裂变释放的能量高得多，所需的工作物质(氘和氚)在宇宙中极其丰富。然而，启动这一核反

7、应(即，达到火灾临界点)所需的能量也是巨大的。例如，引爆氢弹所需的高温高压是通过原子弹爆炸获得的，因此有必要探索有效的可控核聚变方法。目前，受控核聚变的方式可分为磁约束(托卡马克装置)和惯性约束(激光诱导)，激光诱导惯性核聚变也可分为两种类型：(1)一般采用高能激光将氚和氘靶丸向中心均匀压缩产生内爆，这就要求激光均匀性高；如果不均匀或靶丸表面不够光滑，将导致瑞利-泰勒不稳定和熄火。“快速点火”:基于啁啾脉冲放大(CPA)的超短超强激光的强度可以达到1020瓦/厘米(甚至更高)的功率密度，靶丸上产生的高能电子束电流将直接把能量转移到内部，诱发中心点火。目前，日本的LFEX和欧盟的HiPER计划都

8、是围绕“速战速决”的方法展开的。国家点火装置()、中国的系列和王在1964年独立提出了惯性约束聚变的设想。在他的积极推动下，中国先后建成了类似NIF的申光一号和二号。图为2010年申光三号的报告及融合原理图。相信经过几代人的努力，人类将在本世纪中叶完全掌握有效点火技术(即点火的能耗不到有效生产能力的1%)，使人类摆脱能源的束缚，“在地球上造一个小太阳！”(钱学森)，航天器测量与控制，姿态调整：航天器在飞行中应具有稳定性和灵活性。光纤陀螺光纤陀螺是基于萨格纳克光学原理的惯性导航仪，具有极高的灵敏度和机械强度。因为没有运动部件，所以完全没有磨损，并且它是抗冲击和抗振动的。它引起了航天和军事领域的广

9、泛关注，并成为当前和未来20年惯性技术的主要发展方向。研究的重点是如何进一步提高精度和减少随机漂移(0.010.001/h)。在过去的五年里，出现了许多新型光纤陀螺仪。本文介绍了一种我最喜欢的慢光光纤陀螺。通过制造特殊的纳米结构光纤，人们可以降低光速(gr耦合共振慢光陀螺示意图：上个月，西工大光子学会报道了一种新的激光陀螺结构，它也很有趣，这里不再赘述。航天器的测量和控制以及姿态调整：2。光压力类似于激光推进的机制。人们可以利用激光束来微调航天器的飞行姿态，并且可以将激光雷达测量和激光推进控制结合起来，以很短的反应时间实现精确的测量和控制。此外，光压还可用于清理空间碎片，并通过烧蚀空间碎片产生

10、推力，使其落入大气层并燃烧。3.基于背景的图像检测黎明明和黄昏是车辆的发射时间窗口，对比度高，便于检测。本质上，图像检测只不过是目标和背景的分离。以前的方法是基于目标检测的。然而，我们电子工程学院已经开发了一套基于背景的光电图像识别系统。不同的设计思想极大地提高了检测的精度和速度，这对未来扩展时间窗具有重要意义。我想在这里提一下。THz简介：0.1THz-10THz频段一直是从电子学到光子学的一个空白。太赫兹具有通信的优势：与微波相比，太赫兹通信具有更大的带宽，比微波通信高1-4个数量级，可以提供高达10Gb/S的无线传输速率，比目前的超宽带技术快数百甚至数千倍；太赫兹波束更窄，方向性更好，可

11、以探测到更小的目标，定位更准确；它具有更好的安全性和抗干扰性能。由于波长短，在执行相同功能的情况下，天线的尺寸可以做得更小。适用于星间通信和短程地面无线局域网。太赫兹技术的问题是辐射源难以制备。近年来，人们通过光学整流、光学参数转换和光电导实现了实用太赫兹源的发展。在太赫兹波的探测和控制方面，我对各种由负折射材料制成的器件更加乐观。负折射材料是一种颠覆传统光学原理的新型材料。它在滤波、调制和偏振控制方面具有优势，具有广阔的应用前景。除了通信之外，太赫兹波在航天器无损检测、卫星环境检测以及反恐和生物领域也有着广阔的应用前景。纠缠态是量子系统中的一种常见状态，它具有子态之间的联系和不可分割性。纠缠

12、态的一个主要特征引起了人们的关注：非局域性，它是一种幽灵般的超距离和瞬时行为，完全打破了我们在宏观世界中形成的局域感知。例如，如果你抓挠这个光子，与之纠缠的光子会笑。而且它的动作传递时间为零，也就是说，两个光子在不同的位置上基本上是在一起的！目前，中国潘建伟院士课题组已经实现了6个光子的纠缠，进行了100多公里的密钥分配实验，并成功研制了量子中继器，堪称量子隐形传态领域的世界第一。然而，在实际应用之前还有很长的路要走，在未来还有很多工作要做。此外，由于量子力学与经典物理学完全不同，量子信息学具有几个特点：存储容量大，N个量子比特可以存储2n个N位二进制数(0，1)，而经典的N位寄存器只能存储N

13、个数。在n500，2500比宇宙中原子的总数还多！瞬时信息传输(纠缠态特性)非克隆性(量子保密通信的基础)量子纠缠通信听起来很神秘，但是最近已经有了许多可喜的实验进展。光子学应用于空间探测技术、高光谱技术和未来发展Xi光学与力学研究所所长向立斌为我国高光谱成像事业做出了巨大贡献。牛顿棱镜曾经将光分解成一系列单色光的组合。分光计的想法是“推扫”由一系列波长的光形成的图像，并将它们存储为一个数据立方体，该立方体承载不同波长的光的分布全息探测和成像全息术可以用很小的存储材料记录大量的信息，在表面探测和空间探测方面有较高的精度。恢复的数据所携带的信息极其丰富，应该引起重视。鬼成像鬼成像是量子光学的一个前沿分支，其原理非常奇妙，并且它还利用量子纠缠态进行超距离成像，在超精密制导、星间通信和外层空间探索等方面有着巨大的潜力