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

       好奇號火星車在成功抵達(dá)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(xiàng)目使用ChemCam化學(xué)與照相機(jī)科學(xué)儀器來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的可視化，火星車桅桿裝載的ChemCam由一個(gè)激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（LIBS）和一個(gè)高分辨率成像儀組成。ChemCam是首個(gè)LIBS技術(shù)在行星科學(xué)中的應(yīng)用實(shí)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(shí)際應(yīng)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(xiàng)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(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激光器原來設(shè)計(jì)為在常溫下工作，設(shè)備需要改進(jìn)為能在無主動(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(shí)際應(yīng)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(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(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(dāng)ChemCam被正式確認(rèn)為好奇號火星探測組件時(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(shí)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(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(jī)身內(nèi)還包含有CCD相機(jī)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(gè)光譜分析儀由海洋光學(xué)（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(dá)到更好的空間利用率。ChemCam的三個(gè)光譜儀分別能檢測三個(gè)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(gè)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(dǎo)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(gè)表面的熱傳導(dǎo)，借助凌晨時(shí)火星車外壁的低溫來進(jìn)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(jìn)一步控制光譜儀的溫度。 

定制CCD相機(jī) 

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

       三個(gè)CCD相機(jī)基于該公司的標(biāo)準(zhǔn)4210產(chǎn)品，其表面根據(jù)對應(yīng)的不同光譜范圍而分別進(jìn)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(qiáng)型寬帶膜，掃描VNIR波段的CCD鍍了全定制膜。 

        該項(xiàng)目經(jīng)理Wolfgang Suske介紹，第三個(gè)CCD相機(jī)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(yīng)以達(dá)到該波段的最優(yōu)性能。這項(xiàng)創(chuàng)新主要用來解決標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)帶來的問題，標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)是指CCD探測器因其內(nèi)部的干涉效應(yīng)而對不同波長會有不同的響應(yīng)，在450納米以上的波段，這個(gè)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(gè)像素欄就能與波長相匹配了。#p#分頁標(biāo)題#e#

商業(yè)價(jià)值 

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

       海洋光學(xué)將繼續(xù)與美國宇航局和其他太空機(jī)構(gòu)保持緊密合作。Morris表示，該公司在各種項(xiàng)目中的貢獻(xiàn)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(xiàng)目中推進(jìn)科學(xué)發(fā)展的應(yīng)用。 

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

 
CHEMCAM Mast Unit