深度揭秘好奇号火星车搭载的科学仪器

激光诱导击穿光谱仪器研发在火星探测应用中的巨大技术挑战。 好奇号火星车在成功抵达火星并完成一系列着陆步骤后，开始了为期两年的火星表面勘探的科研工作。 该科研项目使用ChemCam化学与照相机科学仪器来实现目标物的可视化，火星车桅杆装载的ChemCam由一个激光诱导击穿光谱仪（LIBS）和一个高分辨率成像仪组成。ChemCam是首个LIBS技术在行星科学中的应用实例，并且已经成功发出过激光并分析好奇号周围选中的火星岩石。

好奇号火星车的桅杆竖起，顶部装载ChemCam

虽然LIBS的原理相对较简单明了，但考虑到好奇号火星车所工作的特殊环境要求，实际应用方面面临着重重挑战。 更小，更轻便的激光器 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。

LIBS技术的实际应用原理图

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。 三重光谱分析仪 ChemCam机身内还包含有CCD相机和光谱仪电子元件，分别安装在好奇号火星车的桅杆上，通过光缆接受激光激发产生的等离子光束。

标签： 好奇号 火星车 科学仪器