近日，美國科學(xué)家對遠在火星上的“好奇”號火星車頭部的“激光眼”進行了修復(fù)，使其再次正常工作。據(jù)悉，2012年8月6日，好奇號在萬眾矚目之下成功著陸火星。在登陸火星后一年里，好奇號為美國宇航局提供了190G的數(shù)據(jù)，其中包括3.67萬張高分辨率圖像以及3.5萬張低分辨率圖像；其搭載的激光設(shè)備發(fā)射激光7.5萬次，用于對目標巖體的成分進行分析。另外，中國嫦娥三號在2013年實現(xiàn)成功登月的過程中，“激光眼”也發(fā)揮了重要作用。接下來，OFweek激光網(wǎng)編輯帶你簡單了解中美“激光眼”究竟起到了什么作用。
“好奇”號共攜帶10種不同科學(xué)儀器，ChemCam只是其中之一。抵達火星之后，“好奇”號的化學(xué)與攝像機儀器(以下簡稱 ChemCam)將發(fā)射強激光脈沖，蒸發(fā)火星塵土，而后對光譜進行分析。ChemCam發(fā)射的強激光脈沖可以蒸發(fā)針頭大小的區(qū)域。這臺儀器還裝有激光器，用于觀測被蒸發(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。一臺分光計隨后對這些光譜色進行分析，幫助科學(xué)家確定被蒸發(fā)物質(zhì)的元素構(gòu)成。
ChemCam可以向一個區(qū)域或者多個區(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程中賦予研究人員極大的靈活性。 ChemCam項目組首席研究員羅杰-韋恩斯表示：“ChemCam在設(shè)計上用于尋找輕元素、例如碳、氮和氧，所有這些元素都對生命至關(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’號任務(wù)一個至關(guān)重要的組成部分。”
ChemCam可以分析整個可見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”號大約23英尺(約合7米)的區(qū)域進行探測。這臺儀器采用的技術(shù)由美國洛斯-阿拉莫斯國家實驗室研發(fā)，被稱之為“激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)”(以下簡稱LIBS)。這項技術(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100萬個電燈，能夠聚焦一個微小區(qū)域，聚焦時間達到十億分之五秒。
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”號任務(wù)的實施，這項技術(shù)第一次走出地球。法國國家太空研究中心負責制造ChemCam的激光器和望遠鏡。洛斯-阿拉莫斯國家實驗室則負責制造ChemCam的分光計和數(shù)據(jù)處理器，同時擔任這一項目的負責機構(gòu)。
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(yīng)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(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)境的嚴苛要求。
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(yīng)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(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)境的嚴苛要求。
Diva激光器原來設(shè)計為在常溫下工作，設(shè)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。
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，由一個振蕩器加上兩個板條放大器的系統(tǒng)也被應(yīng)用于設(shè)計之中。但是以上兩點需要系統(tǒng)有更強的傳導(dǎo)冷卻能力。
原來的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?？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(nèi)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(dǎo)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(guān)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(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(xué)組件。并在接下來的4年中構(gòu)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(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(nèi)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。
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