近日,美國(guó)科學(xué)家對(duì)遠(yuǎn)在火星上的“好奇”號(hào)火星車(chē)頭部的“激光眼”進(jìn)行了修復(fù),使其再次正常工作。據(jù)悉,2012年8月6日,好奇號(hào)在萬(wàn)眾矚目之下成功著陸火星。在登陸火星后一年里,好奇號(hào)為美國(guó)宇航局提供了190G的數(shù)據(jù),其中包括3.67萬(wàn)張高分辨率圖像以及3.5萬(wàn)張低分辨率圖像;其搭載的激光設(shè)備發(fā)射激光7.5萬(wàn)次,用于對(duì)目標(biāo)巖體的成分進(jìn)行分析。另外,中國(guó)嫦娥三號(hào)在2013年實(shí)現(xiàn)成功登月的過(guò)程中,“激光眼”也發(fā)揮了重要作用。接下來(lái),OFweek激光網(wǎng)編輯帶你簡(jiǎn)單了解中美“激光眼”究竟起到了什么作用。
“好奇”號(hào)共攜帶10種不同科學(xué)儀器,ChemCam只是其中之一。抵達(dá)火星之后,“好奇”號(hào)的化學(xué)與攝像機(jī)儀器(以下簡(jiǎn)稱 ChemCam)將發(fā)射強(qiáng)激光脈沖,蒸發(fā)火星塵土,而后對(duì)光譜進(jìn)行分析。ChemCam發(fā)射的強(qiáng)激光脈沖可以蒸發(fā)針頭大小的區(qū)域。這臺(tái)儀器還裝有激光器,用于觀測(cè)被蒸發(fā)的物質(zhì)產(chǎn)生的等離子體閃光,并記錄下光線包含的顏色。一臺(tái)分光計(jì)隨后對(duì)這些光譜色進(jìn)行分析,幫助科學(xué)家確定被蒸發(fā)物質(zhì)的元素構(gòu)成。
ChemCam可以向一個(gè)區(qū)域或者多個(gè)區(qū)域快速發(fā)射連續(xù)多激光脈沖,在火星表面取樣分析過(guò)程中賦予研究人員極大的靈活性。 ChemCam項(xiàng)目組首席研究員羅杰-韋恩斯表示:“ChemCam在設(shè)計(jì)上用于尋找輕元素、例如碳、氮和氧,所有這些元素都對(duì)生命至關(guān)重要。這一系統(tǒng)能夠立即發(fā)現(xiàn)火星表面的霜或者其他源中的水以及碳。碳是構(gòu)成生命以及生命副產(chǎn)品的基本要素。由于具有這些功能,ChemCam成為‘好奇’號(hào)任務(wù)一個(gè)至關(guān)重要的組成部分。”
ChemCam可以分析整個(gè)可見(jiàn)光光譜以及紅外和紫外光譜,尋找周期表上的任何元素。ChemCam能夠?qū)嚯x“好奇”號(hào)大約23英尺(約合7米)的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。這臺(tái)儀器采用的技術(shù)由美國(guó)洛斯-阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā),被稱之為“激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)”(以下簡(jiǎn)稱LIBS)。這項(xiàng)技術(shù)的核心是紅外線激光器――肉眼看不到紅外線――所發(fā)射的激光能量超過(guò)100萬(wàn)個(gè)電燈,能夠聚焦一個(gè)微小區(qū)域,聚焦時(shí)間達(dá)到十億分之五秒。
在地球上,LIBS用于確定極端環(huán)境下的物體構(gòu)成,例如核反應(yīng)堆和海床。隨著“好奇”號(hào)任務(wù)的實(shí)施,這項(xiàng)技術(shù)第一次走出地球。法國(guó)國(guó)家太空研究中心負(fù)責(zé)制造ChemCam的激光器和望遠(yuǎn)鏡。洛斯-阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室則負(fù)責(zé)制造ChemCam的分光計(jì)和數(shù)據(jù)處理器,同時(shí)擔(dān)任這一項(xiàng)目的負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)。
ChemCam中的激光器由法國(guó)Thales Optronics公司研發(fā)制造。據(jù)該公司項(xiàng)目經(jīng)理Eric Durand 介紹,早在2001年,ChemCam配件供應(yīng)商之一法國(guó)國(guó)家空間研究中心(CNES)在首次和Thales Optronics 溝通時(shí)就提出,Thales的產(chǎn)品Diva半導(dǎo)體泵浦固體激光器的光學(xué)性能很適合火星LIBS勘探應(yīng)用,但是需要縮小體積和重量以適應(yīng)航天環(huán)境的嚴(yán)苛要求。
Diva激光器原來(lái)設(shè)計(jì)為在常溫下工作,設(shè)備需要改進(jìn)為能在無(wú)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的條件下,在溫差為60度的環(huán)境溫度下運(yùn)作。對(duì)重量的要求更加苛刻:Diva激光器原來(lái)有10公斤重,CNES要求Thales研發(fā)出重量只有500克的激光器,并且要求該激光器能夠順利通過(guò)火星之旅。
在解決方案中,所有的溫控組件都被去除掉了,以減小整體的體積與質(zhì)量。另外,由一個(gè)振蕩器加上兩個(gè)板條放大器的系統(tǒng)也被應(yīng)用于設(shè)計(jì)之中。但是以上兩點(diǎn)需要系統(tǒng)有更強(qiáng)的傳導(dǎo)冷卻能力。
原來(lái)的Nd:YAG激光介質(zhì)被替換成了Nd:KGW晶體棒或者摻釹鎢酸鉀釓晶體,并由700瓦二極管堆棧縱向泵浦。Nd:KGW晶體棒的寬光譜吸收特性使其在大溫差范圍內(nèi)具有極小的吸收率波動(dòng),從而可以實(shí)現(xiàn)二極管和激光棒的傳導(dǎo)冷卻,以便在大溫差的火星環(huán)境中工作。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)同時(shí)改進(jìn)了Q開(kāi)關(guān)系統(tǒng),原來(lái)的4千伏特供電不太適合用于其它行星,通過(guò)改用基于RTP(磷酸鈦氧銣)普克爾盒的Q開(kāi)關(guān)系統(tǒng),就只需要1千伏特供電并且可在要求的大溫差范圍內(nèi)工作。
令人振奮的是,早在2003年當(dāng)ChemCam被正式確認(rèn)為好奇號(hào)火星探測(cè)組件時(shí),THALES就研制出了在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)作良好的光學(xué)組件。并在接下來(lái)的4年中構(gòu)建6組不同的模型來(lái)研究系統(tǒng)參數(shù),并于2007年交付用于最終飛行設(shè)備。
據(jù)Durand介紹,他們幾乎完全重新改造了激光器,挑戰(zhàn)比較大,開(kāi)始時(shí)并沒(méi)有足夠的信心,但是他們最終成功改造了滿足如下工作要求的激光器:一個(gè)輸出24毫焦以上脈沖能量、8納秒以內(nèi)脈寬、1067納米波長(zhǎng)的激光光源,并且它的理想工作溫度為-20到+20攝氏度。