开通会员 最近，有一项激动人心的技术进展：在2023年12月11日的技术演示中，NASA首次利用激光从距地球约3100万公里（约为地月距离的80倍）的深空发送传回了一段超高清流媒体视频。这段视频显示了一只名为塔特斯（Taters）的橘色虎斑猫（orange tabby cat）追逐一个移动的激光光点的画面，非常灵活生动。这也标志着一个历史性的里程碑——尽管此前研究人员曾利用激光在近地轨道和月球之间传输信号，但这一技术还是第一次在深空展示。
那么，这次深空激光通信演示有何特别之处？激光通信的基本原理又是什么？而中国在这一领域的布局又如何呢？大家好，我是中国科学院国家空间科学中心的周炳红。首先，我们先来看看激光通信的基本原理。
激光通信的原理
它不同于波长更长、频率更低的传统射频微波通信。在激光通信中，信息（如文字、图片、声音或视频数据）首先被编码成可以通过激光信号传输的格式。最简单的比喻就是，用手电筒对着远处的朋友发送摩尔斯电码，其中手电开代表1，关代表0。激光通信亦是如此，只是我们使用的是精准的激光束。对深空探测任务而言，地面接收端通常是直径几米的光学望远镜，它负责收集深空传来的激光，并将其转换为电信号，以解码传递过来的信息。
超高清视频的传输成果
这次NASA用激光从深空传回的超高清视频，显示了这项技术的显著进步。想象一下，这是从3100万公里外传回的高清视频！以前，通过无线电波传输数据，如果从火星传回地球，其波束发散将达到地球直径的100倍那么大。而激光通信的波束扩散仅有地球直径的0.1倍。与无线电波通信相比，激光通信的主要优势在于它更快且更轻。这意味着数据可以在更短的时间内传输完成，减少了航天器的电源使用，同时还减少了支持任务所需的中继终端和地面站点数量。此外，光通信终端体积小、重量轻、能耗低，从而使主任务能够搭载更多科学仪器或降低成本。
它为未来从深空传回复杂科学信息、高清图像和视频的高数据速率通信铺平了道路，甚至可以支持人类的下一个巨大飞跃，将人类送上火星。
那么，中国在激光通信的布局又如何呢？
中国在激光通信领域的发展同样令人瞩目。我们在2016年的墨子号量子通信卫星和实践13号等卫星项目中，已经进行了卫星到地面的高速激光通信技术试验验证，实现了超过5Gbps的通信速率，这是普通家庭100M宽带速度的50倍。此外，我国探月工程四期已经计划开展地月激光通信技术验证试验，利用经过适应性改造的中国科学院的光学望远镜系统来实现这一目标。
结尾
激光通信不仅将改变我们的太空探索方式，还可能为我们的日常生活带来革命性的变化。我国已经宣布2030年左右，将航天员送上月球表面，相信那个时候，我们一定可以看到中国人在月球上的高清视频直播，而且是用激光通信技术实现的！让我们共同期待这个深空激光通信的未来！
本文为科普中国·星空计划扶持作品
作者：周炳红 中国科学院国家空间科学中心研究员
审核：孙志斌 中国科学院国家空间科学中心研究员
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
