月球南極的永久陰影坑終年不見陽光，溫度低至約50 K，是太陽系中最寒冷、最安靜的區(qū)域之一。美國國家標準與技術研究院（NIST）和 JILA（NIST與科羅拉多大學博爾德分校共建的聯(lián)合研究所）的物理學家Jun Ye及其團隊，看到了建設下一代空間精密基礎設施的難得機遇。他們提出，可以在這些月球永久陰影坑中部署硅光學腔，并用它來鎖定激光頻率，從而獲得極高穩(wěn)定性的光源。這種“月球超穩(wěn)定激光器”未來有望為登月航天器提供類似GPS的導航信號，建立起地外天體上的光學原子鐘時間基準，并服務于衛(wèi)星間精密測距、地月光通信以及引力波探測等一系列前沿科學任務。

圖1 Jun Ye（左）與團隊成員Zoey Hu、Dahyeon Lee和Ben Lewis（從左到右）在實驗室中展示光學激光腔模型。圖源：R. Jacobson/NIST

PART.01

月球暗坑：

天然的低溫、真空與低振動實驗室

月球表面有數(shù)以百計的隕石坑長期處于永久陰影中，其中許多位于月球南極附近。它們從不接受直射陽光，是太陽系中最黑暗、也最寒冷的區(qū)域之一。正因為如此，Jun Ye和同事認為，這些看似荒涼的“暗坑”可能是建造超穩(wěn)定激光核心部件的理想場所。

所謂超穩(wěn)激光，是指頻率幾乎不漂移的相干光源；用通俗的話說，就是激光的“顏色”能夠長時間保持不變。Jun Ye同時隸屬于NIST和JILA，后者是NIST與科羅拉多大學博爾德分校共同建立的研究機構。他指出，在月球上，這類激光既可以提供主時間信號，也可以為月面航天器提供類似地球GPS的導航能力。

如果未來在月面部署多臺這樣的激光系統(tǒng)，它們還可用于高精度測量不同目標之間的距離，甚至有機會捕捉時空中的細微漣漪，也就是引力波等新物理現(xiàn)象留下的信號。

在地球上，超穩(wěn)定激光系統(tǒng)很容易受到溫度波動、機械振動、空氣擾動和聲波影響；而月球沒有大氣，整體振動環(huán)境也比地球安靜得多，本身就適合建設光學腔。月球南極永久陰影坑的優(yōu)勢更進一步：那里溫度約為50 K（約 -223℃），可顯著減弱鏡面熱運動帶來的隨機抖動。

這些陰影坑中的真空環(huán)境還優(yōu)于普通月面區(qū)域，可進一步減少聲波、游離粒子等因素對鏡面的擾動。若把光學腔系統(tǒng)殘余熱量向更寒冷的外太空輻射出去，研究團隊估計腔體無需額外低溫恒溫器等主動制冷設備，就可被動冷卻到約16 K。在這一溫度附近，硅材料面對微小溫度變化時幾乎不膨脹也不收縮，從而保證光在兩面鏡子之間往返的距離極其穩(wěn)定。

PART.02

硅光學腔：

讓激光“顏色”不漂移的核心部件

要在月球上實現(xiàn)這種激光系統(tǒng)，航天員首先需要安裝硅光學腔。它可以理解為一塊兩端帶有高反射鏡的硅材料結構，只有特定頻率的光能夠在兩面鏡子之間來回反射并形成共振。兩面鏡子之間的距離決定了哪些頻率可以穩(wěn)定存在；因此，對一臺超穩(wěn)定激光器而言，最關鍵的任務就是讓這段距離盡可能不變。

硅光學腔部署完成后，一臺商用激光器可放置在附近，例如隕石坑邊緣或永久陰影坑內部。系統(tǒng)會將少量激光注入光學腔，并把激光頻率鎖定在腔體允許的某個共振頻率上。這樣一來，激光就能持續(xù)發(fā)出單一、穩(wěn)定的“顏色”，成為一條可被空間任務共享的高穩(wěn)定光學基準。

這種設計的巧妙之處在于，它把月球最極端的環(huán)境條件轉化為優(yōu)勢：寒冷幫助壓低熱噪聲，真空減少外界擾動，較低振動讓光學腔更安靜，而硅材料在特定低溫下的穩(wěn)定性則進一步鞏固了激光頻率。換言之，月球暗坑不僅不是障礙，反而可能成為精密光學的天然實驗室。

圖2 鎖定到超穩(wěn)定硅光學腔的月球激光，可支撐月球時間尺度、地月光通信、衛(wèi)星測距與成像，以及空間光學原子鐘等應用

圖源：J. Ye/NIST，月球背景圖由 NASA Visualization Studio 制作

PART.03

從月球導航到光學原子鐘：

暗坑激光能做什么

當激光頻率被穩(wěn)定下來后，它就可以成為月球版導航信號，幫助航天器在月面附近定位和安全著陸，尤其適用于月球南極附近光照條件復雜、地形起伏明顯的區(qū)域。隨著Artemis等任務把人類活動推向月球南極，穩(wěn)定可靠的月面導航能力將越來越關鍵。

如果把這束穩(wěn)定激光與衛(wèi)星上的原子鐘信號進行調諧和比對，它還可成為地外天體上首個光學原子鐘系統(tǒng)的基礎。這樣的計時信號有望接近甚至媲美地球實驗室中最精密、最準確的光學原子鐘，而Jun Ye團隊本身正是這一領域的重要建設者。

NIST新聞所配示意圖展示了這一設想的基礎設施圖景：位于永久陰影坑中的超穩(wěn)定硅光學腔鎖定月球激光，進而支持月球時間尺度、地月光通信、衛(wèi)星星座之間的空間距離測量和成像，以及空間光學原子鐘。這意味著它不只是單臺科學儀器，而是可能成為未來月球精密測量網絡的“基準節(jié)點”。

從更遠的科學目標看，多臺月球激光器組成網絡后，可對月面或月球軌道目標之間的距離進行極高精度監(jiān)測。如果引力波經過月球附近，時空的微弱擾動會讓這些距離發(fā)生極小變化；穩(wěn)定激光系統(tǒng)有望把這種變化轉化為可測信號，為月基引力物理實驗打開窗口。

PART.04

從設想到落地：

Artemis時代的可行路徑

Jun Ye及其同事在近期出版的Proceedings of the National Academy of Sciences上描述了這一方案。合作者包括JILA、NASA噴氣推進實驗室、德國聯(lián)邦物理技術研究院（PTB）以及舊金山的Lunetronic公司的研究人員。

在月球隕石坑里建激光器乍聽起來像是天馬行空，但它并非脫離現(xiàn)實任務。NASA 已把月球南極永久陰影坑附近的一些區(qū)域列為Artemis任務候選著陸區(qū)；這些區(qū)域不僅有科研價值，也可能蘊藏水冰等資源，是長期月球探索和維持人類存在的重要目標。

Jun Ye的靈感來自與同事討論Artemis任務可能攜帶并部署哪些月面儀器。相比一些尚未在地球上成熟、或在任務層面不夠現(xiàn)實的設想，硅諧振腔技術已有多年研究積累。Jun Ye表示，團隊長期研究硅光學諧振腔，已經清楚構建這類系統(tǒng)的關鍵要素；一旦認識到月球永久陰影區(qū)所能提供的環(huán)境條件，便發(fā)現(xiàn)那里幾乎是超穩(wěn)定激光器的理想場所。

在工程實施上，研究人員設想硅光學腔可先在地球上完成組裝，尺寸小到足以裝入Artemis飛船。NASA噴氣推進實驗室的論文共同作者Wei Zhang介紹，設備到達月球后需要展開輻射散熱板，以便向外太空散熱；隨后，航天員可通過遠程或機械控制的月球車，將光學腔緩慢放入目標隕石坑。

Lunetronic的共同作者Yiqi Ni也提醒，月球極區(qū)光照條件差，著陸本身具有挑戰(zhàn)。然而，永久陰影區(qū)長期以來都是月球探索的重點，因為那里的水冰和其他資源可能支撐未來的長期駐留。按照Yiqi Ni的估計，硅光學腔有望在兩年內先在低地球軌道開展演示，三至五年內部署到月球表面，并在未來通過多機構協(xié)同最終安裝進暗坑內部。

這項方案的意義在于，它把精密計量、量子技術和深空探索連接到同一條路線圖上。若設想成真，人類將在地球之外建立一類新的基礎計量設施：它既為月球交通提供導航和授時，也把月球變成研究時間、引力和空間通信的前沿平臺。

https://www.nist.gov/news-events/news/2026/05/shooting-moon-ultrastable-lasers-dark-craters-could-enable-lunar-navigation

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本文轉載自“中國激光評論”，原標題《“月球超穩(wěn)定激光器”或將改寫月面導航與精密計時》。

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