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(shù)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(shù)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(shù)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(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(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，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(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。
三重光譜分析儀
ChemCam機身內(nèi)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(cè)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(nèi)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(guān)，從而可以調(diào)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(nèi)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(shù)，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(gòu)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(nèi)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
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