武汉大学校长为您解读：从激光雷达到量子激光雷达的跨越

10公里以上的“高空海洋”为何如此神秘？ [好文分享：www.ii77.com]

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　　窦贤康：中高层大气是什么？我们在地表面看到很多海洋，波涛汹涌。我们也看到对流层大气里有云、雨、风，五彩缤纷，冬天有雪，到热带地区有很多暴雨。在对流层10公里以上，还是有很多的大气，这就是我们经常讲的中高层大气。这个大气不是一个静态的，也有温度、密度和风场的变化，所以它被形象地比喻为神秘的、高空的海洋。

　　人类活动的空间，按照温度区分为几个层，对流层就是10公里以下的空间，这里面主要的现象有云、雨、雪，直接和水相关。所谓的对流层就是它在垂直方向上有剧烈的运动，叫对流。在10公里以上，或者20-50公里，这一层叫平流层，这一区域大气的流动基本上以水平流动为主。在平流层以上50-90公里的地方称之为中间层，这两个区域就构成了所谓的中高层大气的主要区域。这个区域的大气是变化的，跟地表对流层大气的变化一样。中高层大气的顶端，从90公里开始，上面就称之为电离层，90公里以下大气都是中性成份为主；90公里以上出现部分电离，一千多公里到几千公里完全电离，叫磁层。随着能量的不断注入，电离层的带电粒子往下沉降，也会改变中高层大气的状况。这个大气层我们看不见，或者我们不大习惯在这个区域里面生活和发展。但是这个区域大气离我们如此之近，而且这个大气里面的变化也是如此的五彩缤纷。

解密二战英国空军的一张王牌

　　窦贤康：大家知道我们探测所有的东西，进行遥感探测，进行远距离探测常用的是雷达。二战时期，德国和英国作战，德国的空军力量比较强大，但是英国发明了雷达，它发出一个电磁波，碰到一个物体的时候会反射回来，你利用发射波和接收波之间的时间差，乘上光速再除以2，大概知道反射物在什么位置。根据发出的电磁波，它反射回来波的能量的大小不同，大家可以想象一下，一个小球和一个大球，在同样距离上，发一个电磁波，获得的能量是不一样的。通过雷达波返回的时间差和返回能量的高低，可以大体上反映飞机的位置，这样能够准确地知道德机来袭的数量以及它现在飞机所处的位置，这样再去防卫和攻击变得比较有效。

量子激光雷达厉害在哪里？

　　窦贤康：欧洲在上个世纪末，提出了著名的“风神计划”，把激光雷达放到卫星上进行全球风场的测量。要进行全球风场的测量，就必须要通过卫星来做，欧洲这个计划成形的时间已经非常长。大概是90年代末提出来的这样一套系统，提出到今天，这个计划已经被推迟发射好几次，它的原因在哪？因为既然从高空往底下来进行探测，就需要比较强的激光，激光能量越来越大的时候，往往会把光路里面的某一个镜片烧坏。在这样的过程里，激光雷达在地面很容易做，烧坏了拧下来换一个就可以重新开始工作了。但是卫星上不行，因为上面没有人，没有办法更换器件。

　　如何在大功率条件下，实现稳定地、长期地观测，就变成是一个难题。这样前提下我们有另一个办法，发展出来一套系统，叫量子激光雷达，这也是我个人做到今天的科研工作里最得意的一件事情。

　　学生：校长，您好，我有一个问题，就是量子激光雷达跟传统雷达原理上有什么不同，它有什么比较显著的优点吗？

　　窦贤康：传统激光雷达，要通过提高能量和提高接收望远镜的面积来实现，但量子激光好在哪？我通过单光子的操作，可以降低它的噪声水平和提高它的工作效率。实现过去传统上通过能量提高和望远镜口径提高，来实现性能上的提高。后面我们通过超导的办法，能够把它非常弱小的信号检测出来，我们的提取和检测都基本上做到极致，这就是基本上目前技术条件下，我们能想象出来的激光雷达极限。

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