【安捷伦】从地球上空 500 公里的轨道上监测冰川有多难？揭秘 NASA 的神秘武器

前不久，瑞士政府表示已经失去了 500 座冰川，而到本世纪末，剩余的 1500 个冰川中有 90% 也可能会消失，看到这一数字，不禁感到痛心。长期以来，科学技术不断帮助人类探索和了解周围的世界，为人类提供更好的居住环境，人类也逐步开始利用科学技术保护这个世界。

2018 年 9 月 15 日，NASA 发射了 ICESat-2 卫星（图1），用于测量地球上冰川高度的变化，以更好地监测全球变暖^[1]。Q-Switch 激光器是冰川高度检测系统的重要组成部分，安捷伦的 Cary 7000 全能型分光光度计（UMS）被用来帮助开发和验证该系统的关键激光光学组件。

图 1. ICESat-2 卫星的概念图：监测冰盖和极地冰原。

在地球上空 500 公里的轨道上监测冰川高度变化有多困难呢？打个比方，其分辨难度相当于站在足球场的一端去目测另一端500张纸中是否少一张纸。ICESat-2 卫星的监测方法是，采用快速脉冲绿色激光将 300 万亿个光子发送到地面，测量能够返回的少数光子的传播时间，以判断冰川高度的变化。

不过，在太空中使用高功率激光很容易在射出卫星之前损坏与之交互的光学器件，ICESat-2 卫星的仪器项目经理 Donya Douglas-Bradshaw 提到，“在启动激光前，必须要确保光路中不含杂质，否则可能会损坏光学器件”。基于 RTP 晶体（图 2 ）使用的关键光学器件广泛用于电光学和高损伤阈值应用。通常采用光学镀膜以减少材料的反射并增强透射率，有时则相反，用于增强反射并减小透射率[2]。

图 2. 磷酸钛氧铷（RTP，RbTiOPO₄），非线性光学晶体。

图片来源：Raicol Crystals

Cary 7000 UMS（图3）是一种 UV-Vis-NIR 分光光度计，适用于测量从紫外线（250 nm）到可见光（包括绿色激光波长）到近红外（2500 nm）波长的样品的角反射率和透射率。因此，NASA 选择使用 Cary 7000 UMS 来精确检查和表征 Q-Switch 激光系统中光学镀膜或非镀膜 RTP 晶体有效性。

图 3. Cary 7000 UMS 可以在无人值守的情况下测量几乎任何入射角度的绝对反射率和透射率。

如果了解切割金属板的激光切割系统的话，就能很好地理解光学镀膜质量对于高功率激光器的重要性。Q-Switch 激光器在峰值时会输出千兆瓦激光脉冲，这就要求激光器窗口具有高透射率和低吸收率，并且反射镜要具有极高的反射率（> 99.9%），否则这股激光脉冲在激光器内部反射，损害激光器自身。

因此，使用分光光度计对激光器组件的透射和反射性能进行准确表征，保证这股高能量的激光脉冲不会损害激光器，才能帮助 ICESat-2 卫星顺利完成探测冰川高度变化的工作。

2019 年 6 月， ICESat-2 卫星的数据首次向科学界公开，并且定期在 NASA ICESat-2 网站上进行更新。

参考文献

[1]. NASA 文章：https://www.nasa.gov/feature/goddard/icesat-2-laser-fires-for-1st-time-measures-antarctic-height/.
[2]. Laser damage resistance of RbTiOPO4: evidence of polarization dependent anisotropy. Optics Express Vol. 15, Issue 21, pp. 13849-13857  (2007), https://doi.org/10.1364/OE.15.013849.

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