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中美“激光眼”大不同:激光器走向深空

2015-05-27 09:38
苏子言岁月
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  近日,美国科学家对远在火星上的“好奇”号火星车头部的“激光眼”进行了修复,使其再次正常工作。据悉,2012年8月6日,好奇号在万众瞩目之下成功着陆火星。在登陆火星后一年里,好奇号为美国宇航局提供了190G的数据,其中包括3.67万张高分辨率图像以及3.5万张低分辨率图像;其搭载的激光设备发射激光7.5万次,用于对目标岩体的成分进行分析。另外,中国嫦娥三号在2013年实现成功登月的过程中,“激光眼”也发挥了重要作用。接下来,OFweek激光网编辑带你简单了解中美“激光眼”究竟起到了什么作用。

  1、好奇号“激光眼”:进行光谱分析

  “好奇”号共携带10种不同科学仪器,ChemCam只是其中之一。抵达火星之后,“好奇”号的化学与摄像机仪器(以下简称 ChemCam)将发射强激光脉冲,蒸发火星尘土,而后对光谱进行分析。ChemCam发射的强激光脉冲可以蒸发针头大小的区域。这台仪器还装有激光器,用于观测被蒸发的物质产生的等离子体闪光,并记录下光线包含的颜色。一台分光计随后对这些光谱色进行分析,帮助科学家确定被蒸发物质的元素构成。

  ChemCam可以向一个区域或者多个区域快速发射连续多激光脉冲,在火星表面取样分析过程中赋予研究人员极大的灵活性。 ChemCam项目组首席研究员罗杰-韦恩斯表示:“ChemCam在设计上用于寻找轻元素、例如碳、氮和氧,所有这些元素都对生命至关重要。这一系统能够立即发现火星表面的霜或者其他源中的水以及碳。碳是构成生命以及生命副产品的基本要素。由于具有这些功能,ChemCam成为‘好奇’号任务一个至关重要的组成部分。”

  ChemCam可以分析整个可见光光谱以及红外和紫外光谱,寻找周期表上的任何元素。ChemCam能够对距离“好奇”号大约23英尺(约合7米)的区域进行探测。这台仪器采用的技术由美国洛斯-阿拉莫斯国家实验室研发,被称之为“激光诱导击穿光谱技术”(以下简称LIBS)。这项技术的核心是红外线激光器――肉眼看不到红外线――所发射的激光能量超过100万个电灯,能够聚焦一个微小区域,聚焦时间达到十亿分之五秒。

  在地球上,LIBS用于确定极端环境下的物体构成,例如核反应堆和海床。随着“好奇”号任务的实施,这项技术第一次走出地球。法国国家太空研究中心负责制造ChemCam的激光器和望远镜。洛斯-阿拉莫斯国家实验室则负责制造ChemCam的分光计和数据处理器,同时担任这一项目的负责机构。

  ChemCam中的激光器由法国Thales Optronics公司研发制造。据该公司项目经理Eric Durand 介绍,早在2001年,ChemCam配件供应商之一法国国家空间研究中心(CNES)在首次和Thales Optronics 沟通时就提出,Thales的产品Diva半导体泵浦固体激光器的光学性能很适合火星LIBS勘探应用,但是需要缩小体积和重量以适应航天环境的严苛要求。

  Diva激光器原来设计为在常温下工作,设备需要改进为能在无主动冷却系统的条件下,在温差为60度的环境温度下运作。对重量的要求更加苛刻:Diva激光器原来有10公斤重,CNES要求Thales研发出重量只有500克的激光器,并且要求该激光器能够顺利通过火星之旅。

  在解决方案中,所有的温控组件都被去除掉了,以减小整体的体积与质量。另外,由一个振荡器加上两个板条放大器的系统也被应用于设计之中。但是以上两点需要系统有更强的传导冷却能力。

  原来的Nd:YAG激光介质被替换成了Nd:KGW晶体棒或者掺钕钨酸钾钆晶体,并由700瓦二极管堆栈纵向泵浦。Nd:KGW晶体棒的宽光谱吸收特性使其在大温差范围内具有极小的吸收率波动,从而可以实现二极管和激光棒的传导冷却,以便在大温差的火星环境中工作。

  研发团队同时改进了Q开关系统,原来的4千伏特供电不太适合用于其它行星,通过改用基于RTP(磷酸钛氧铷)普克尔盒的Q开关系统,就只需要1千伏特供电并且可在要求的大温差范围内工作。

  令人振奋的是,早在2003年当ChemCam被正式确认为好奇号火星探测组件时,THALES就研制出了在实验环境中运作良好的光学组件。并在接下来的4年中构建6组不同的模型来研究系统参数,并于2007年交付用于最终飞行设备。

  据Durand介绍,他们几乎完全重新改造了激光器,挑战比较大,开始时并没有足够的信心,但是他们最终成功改造了满足如下工作要求的激光器:一个输出24毫焦以上脉冲能量、8纳秒以内脉宽、1067纳米波长的激光光源,并且它的理想工作温度为-20到+20摄氏度。

  2、嫦娥三号“激光眼”:认路识途

  嫦娥三号任务是我国探月工程“绕、落、回”三步走中的第二步,是承前启后的关键一步。在“绕月”阶段,中科院上海技术物理所、上海光学精密机械所为嫦娥卫星研制了“激光眼”——激光高度计,为我国首幅全月面三维图提供了高程,相当于地球上的海拔高度。即使在无可见光的月面环境下,激光计也能“拍摄”自如。

  但比起距离月面一两百公里外的绕月,零距离接触的落月对激光测距精度和速度提出了极高要求。在我国探月初期,嫦娥卫星对月发射一束激光,在月面形成的“激光足印”约有120米方圆范围,而嫦娥三号激光测距的“足印”将小到米级,测量精度进一步提高,可实时监测嫦娥三号着陆器距离月面的高度。

  除了这束“大激光”,“嫦娥”还有一道灵敏度极高的“小激光”。当“嫦娥”向月面释放着陆器,着陆器将在接近月面时,通过激光三维成像,进一步“观察地形”,获取正下方图像。如下方不适合降落,它就马上换一块地方,确保着陆点相对更为平坦。这种接近“现场直播”的实时成像需在数秒内完成,为此中科院上海技物所研制的三维成像系统采用了多源激光并扫、实时成像方法,这种实测方式是在着陆月球时首次应用。

  两只“激光眼”之外,“嫦娥”另有一只“红外眼”——红外成像光谱仪。这台仪器置于俗称“月球车”的月面巡视器上,当巡视器从着陆器中驶出,便开启这一关键探测设备。这只“眼睛”不但能在可见光范围获得上百个光学波段的图像,还能用来探索可见光之外的“光”,捕捉月球物质资源放出的红外线光谱。因为每种物质都有其独特的“红外图谱”,红外成像光谱仪以极高的光谱分辨率“拍摄”月表物质,并能通过计算机直接将物质分门别类。

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