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       激光誘導擊穿光譜儀器研發(fā)在火星探測應用中的巨大技術挑戰(zhàn)。 

       好奇號火星車在成功抵達火星并完成一系列著陸步驟后，開始了為期兩年的火星表面勘探的科研工作。 

        該科研項目使用ChemCam化學與照相機科學儀器來實現(xiàn)目標物的可視化，火星車桅桿裝載的ChemCam由一個激光誘導擊穿光譜儀（LIBS）和一個高分辨率成像儀組成。ChemCam是首個LIBS技術在行星科學中的應用實例，并且已經(jīng)成功發(fā)出過激光并分析好奇號周圍選中的火星巖石。

 
好奇號火星車的桅桿豎起，頂部裝載ChemCam

       雖然LIBS的原理相對較簡單明了，但考慮到好奇號火星車所工作的特殊環(huán)境要求，實際應用方面面臨著重重挑戰(zhàn)。 

更小，更輕便的激光器 
        ChemCam中的激光器由法國Thales Optronics公司研發(fā)制造。據(jù)該公司項目經(jīng)理Eric Durand 介紹，早在2001年，ChemCam配件供應商之一法國國家空間研究中心（CNES）在首次和Thales Optronics 溝通時就提出，Thales的產(chǎn)品Diva半導體泵浦固體激光器的光學性能很適合火星LIBS勘探應用，但是需要縮小體積和重量以適應航天環(huán)境的嚴苛要求。

 
        Diva激光器原來設計為在常溫下工作，設備需要改進為能在無主動冷卻系統(tǒng)的條件下，在溫差為60度的環(huán)境溫度下運作。對重量的要求更加苛刻：Diva激光器原來有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火星之旅。

 
LIBS技術的實際應用原理圖

       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量。另外，由一個振蕩器加上兩個板條放大器的系統(tǒng)也被應用于設計之中。但是以上兩點需要系統(tǒng)有更強的傳導冷卻能力。 

       原來的Nd:YAG激光介質被替換成了Nd:KGW晶體棒或者摻釹鎢酸鉀釓晶體，并由700瓦二極管堆?？v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具有極小的吸收率波動，從而可以實現(xiàn)二極管和激光棒的傳導冷卻，以便在大溫差的火星環(huán)境中工作。 

       研發(fā)團隊同時改進了Q開關系統(tǒng)，原來的4千伏特供電不太適合用于其它行星，通過改用基于RTP（磷酸鈦氧銣）普克爾盒的Q開關系統(tǒng)，就只需要1千伏特供電并且可在要求的大溫差范圍內工作。 

       令人振奮的是，早在2003年當ChemCam被正式確認為好奇號火星探測組件時，THALES就研制出了在實驗環(huán)境中運作良好的光學組件。并在接下來的4年中構建6組不同的模型來研究系統(tǒng)參數(shù)，并于2007年交付用于最終飛行設備。 

       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，開始時并沒有足夠的信心，但是他們最終成功改造了滿足如下工作要求的激光器：一個輸出24毫焦以上脈沖能量、8納秒以內脈寬、1067納米波長的激光光源，并且它的理想工作溫度為-20到+20攝氏度。 

三重光譜分析儀 

       ChemCam機身內還包含有CCD相機和光譜儀電子元件，分別安裝在好奇號火星車的桅桿上，通過光纜接受激光激發(fā)產(chǎn)生的等離子光束。 

       ChemCam包含的三個光譜分析儀由海洋光學（Ocean Optics）提供，據(jù)該公司的Rob Morris介紹，基于HR2000型號的光譜分析儀經(jīng)過了較大的定制改造，以達到更好的空間利用率。ChemCam的三個光譜儀分別能檢測三個不同波段的光譜：240.1-342.2納米的紫外波段（UV）；382.1-469.3納米的紫光波段（VIO）；474.0-906.5納米的可見光以及近紅外波段（VNIR）。飛行外殼采用了鈹金屬來制作，三個光譜儀被去除頂蓋后疊在一起，都是為了減輕整體重量。 

       溫度控制也需要一些技巧。具有極低導熱性的鈦金屬被用來制作安裝腳，以此提升光譜儀的絕熱性能。光譜儀的側面通過聚酰亞胺膠帶貼著火星車外壁，另外一層膠帶被貼在了火星車的內壁，用來增加兩個表面的熱傳導，借助凌晨時火星車外壁的低溫來進一步冷卻光譜儀，直到外壁被日光照熱。額外的熱電制冷裝置也被加裝于系統(tǒng)中，以便進一步控制光譜儀的溫度。 

定制CCD相機 

       ChemCam采用了由e2v公司提供的三個CCD相機，分別用于三個光譜儀。（該公司還提供了一個CCD相機用于好奇號火星車的另一個CheMin粉末X射線衍射科學儀器） 

       三個CCD相機基于該公司的標準4210產(chǎn)品，其表面根據(jù)對應的不同光譜范圍而分別進行了鍍膜處理：掃描UV波段的CCD鍍了普通商用紫外增透膜，掃描VIO波段的CCD鍍了增強型寬帶膜，掃描VNIR波段的CCD鍍了全定制膜。 

        該項目經(jīng)理Wolfgang Suske介紹，第三個CCD相機是4210產(chǎn)品的全新版，它采用了漸變式增透鍍膜，也就是說，CCD的不同區(qū)域的鍍膜厚度是不同的，對不同波長的反射與位置相關，從而可以調整適應以達到該波段的最優(yōu)性能。這項創(chuàng)新主要用來解決標準具效應帶來的問題，標準具效應是指CCD探測器因其內部的干涉效應而對不同波長會有不同的響應，在450納米以上的波段，這個問題會更明顯。在VNIR CCD探頭上使用漸變式增透鍍膜后，探測器上的每個像素欄就能與波長相匹配了。#p#分頁標題#e#

商業(yè)價值 

       如e2v公司的Suske所說，在行星項目研發(fā)中出現(xiàn)的具有突破進展的鍍膜技術，正是合同價值所在。 

       海洋光學將繼續(xù)與美國宇航局和其他太空機構保持緊密合作。Morris表示，該公司在各種項目中的貢獻包括：對在太空中飛行的火箭監(jiān)測，月球表面監(jiān)測，以及各種非太空探索項目中推進科學發(fā)展的應用。 

       Thales研發(fā)的ChemCam激光器還沒有找到直接的商業(yè)應用。Durant表示，盡管LIBS應用已經(jīng)很普及很有用，但是考慮到激光器高昂的價格并且難以降低成本，這種太空應用激光器還并不具有對普通市場的較好適應性。在Thales內部體現(xiàn)出很強的協(xié)作精神，并且他們對該LIBS系統(tǒng)成功應用于火星探測感到非常自豪。

 
CHEMCAM Mast Unit