太極計劃通過衛星編隊的形式進行空間引力波探測，而構建星間激光鏈路是其中的關鍵環節之一。相比應用于星間激光通信、重力場測量等領域的傳統星間激光鏈路構建任務，太極計劃需應用有限的星上資源實現三百萬公里超遠距離激光捕獲及1 nrad/Hz1/2量級超高精度指向，因此其實現難度要大得多。為此，科學家提出采用三級捕獲探測方案，通過星敏感器（STR）、CMOS捕獲相機及四象限探測器（QPD）逐級探測壓制激光指向偏差。目前對該方案的研究仍停留在仿真模擬及關鍵技術原理方法學論證階段，并未充分考慮各階段之間系統參數及核心探測技術之間的耦合關系，亟需通過全流程地面模擬實驗進一步驗證激光鏈路方案主要技術指標的可行性。

針對上述問題，中國科學院力學研究所引力波實驗中心與中國科學院大學杭州高等研究院太極團隊研究人員開展了面向太極計劃的超高精度星間激光鏈路構建地面驗證技術研究，設計并搭建了激光捕獲跟瞄一體化地面模擬實驗系統（圖1）。該系統在完整還原捕獲跟瞄方案光學系統及實施流程的基礎上充分考慮了對激光遠場波前、高斯平頂光束接收、弱接收光強等空間實際運行情況的模擬。系統采用小口徑光闌結合大發散角出射光，依據合理的參數設計及器件選型，在實驗室近場傳輸情況下實現了雙端近似夫瑯禾費衍射模擬及高斯平頂光束接收。

光學平臺上放置有CMOS及QPD兩級探測器，利用自研的上位機軟件可實現捕獲-跟瞄全流程自動模擬。模擬實驗采用DWS信號實時監測激光指向角度變化，實驗數據展示了由初始指向—掃描開環捕獲—閉環捕獲—精密指向的全流程指向角度變化（圖2），實現了對初始時刻百微弧度量級指向偏差的逐級壓制。

在激光捕獲探測技術方面，該研究首次提出并采用了改進的質心算法，在百皮瓦級弱光情況下實現了亞像素級光斑中心定位精度。在QPD前設計了共軛成像系統，降低了beam-walk對DWS技術非線性誤差產生的影響，提高了精密指向階段角度測量精度。在QPD探測器處，激光捕獲及激光精密指向結果（圖3），對應到實際400倍放大率的望遠鏡前均能滿足太極計劃要求，充分驗證了目前擬采用方案的可行性。

該項研究工作從物理實驗的角度出發，設計并搭建了星間激光鏈路構建地面模擬實驗系統，一方面為相應關鍵技術研究提供了模擬實驗平臺，驗證了關鍵技術間的耦合關系，提出方法學上的改進策略并指導器件參數選擇；另一方面，充分驗證了整個方案的可行性，為未來方案轉入工程化實現階段提供了完備的理論驗證及技術支持。相關研究成果近期發表在 Optics and Lasers in Engineering上。

圖1 捕獲跟瞄一體化地面模擬實驗系統實物圖

圖2 捕獲-跟瞄全流程模擬實驗yaw方向角度變化

圖3 (a)激光捕獲完成后角度殘余誤差示意圖。(b) 激光精密指向階段殘余指向抖動幅度譜密度曲線