近日，美國(guó)科學(xué)家對(duì)遠(yuǎn)在火星上的“好奇”號(hào)火星車頭部的“激光眼”進(jìn)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(hào)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(hào)為美國(guó)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(duì)目標(biāo)巖體的成分進(jìn)行分析。另外，中國(guó)嫦娥三號(hào)在2013年實(shí)現(xiàn)成功登月的過程中，“激光眼”也發(fā)揮了重要作用。簡(jiǎn)單了解中美“激光眼”究竟起到了什么作用。

　　1、好奇號(hào)“激光眼”：進(jìn)行光譜分析

　　“好奇”號(hào)共攜帶10種不同科學(xué)儀器，ChemCam只是其中之一。抵達(dá)火星之后，“好奇”號(hào)的化學(xué)與攝像機(jī)儀器(以下簡(jiǎn)稱 ChemCam)將發(fā)射強(qiáng)激光脈沖，蒸發(fā)火星塵土，而后對(duì)光譜進(jìn)行分析。ChemCam發(fā)射的強(qiáng)激光脈沖可以蒸發(fā)針頭大小的區(qū)域。這臺(tái)儀器還裝有激光器，用于觀測(cè)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(tái)分光計(jì)隨后對(duì)這些光譜色進(jìn)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(gè)區(qū)域或者多個(gè)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(xiàng)目組首席研究員羅杰-韋恩斯表示：“ChemCam在設(shè)計(jì)上用于尋找輕元素、例如碳、氮和氧，所有這些元素都對(duì)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(hào)任務(wù)一個(gè)至關(guān)重要的組成部分。”

　　ChemCam可以分析整個(gè)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)�距離“好奇”號(hào)大約23英尺(約合7米)的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。這臺(tái)儀器采用的技術(shù)由美國(guó)洛斯-阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，被稱之為“激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)”(以下簡(jiǎn)稱LIBS)。這項(xiàng)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(gè)電燈，能夠聚焦一個(gè)微小區(qū)域，聚焦時(shí)間達(dá)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(hào)任務(wù)的實(shí)施，這項(xiàng)技術(shù)第一次走出地球。法國(guó)國(guó)家太空研究中心負(fù)責(zé)制造ChemCam的激光器和望遠(yuǎn)鏡。洛斯-阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室則負(fù)責(zé)制造ChemCam的分光計(jì)和數(shù)據(jù)處理器，同時(shí)擔(dān)任這一項(xiàng)目的負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)。

　　ChemCam中的激光器由法國(guó)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(guó)國(guó)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(duì)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(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(hào)火星探測(cè)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(zhǎng)的激光光源，并且它的理想工作溫度為-20到+20攝氏度。

　　2、嫦娥三號(hào)“激光眼”：認(rèn)路識(shí)途

　　嫦娥三號(hào)任務(wù)是我國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步，是承前啟后的關(guān)鍵一步。在“繞月”階段，中科院上海技術(shù)物理所、上海光學(xué)精密機(jī)械所為嫦娥衛(wèi)星研制了“激光眼”——激光高度計(jì)，為我國(guó)首幅全月面三維圖提供了高程，相當(dāng)于地球上的海拔高度。即使在無可見光的月面環(huán)境下，激光計(jì)也能“拍攝”自如。

　　但比起距離月面一兩百公里外的繞月，零距離接觸的落月對(duì)激光測(cè)距精度和速度提出了極高要求。在我國(guó)探月初期，嫦娥衛(wèi)星對(duì)月發(fā)射一束激光，在月面形成的“激光足印”約有120米方圓范圍，而嫦娥三號(hào)激光測(cè)距的“足印”將小到米級(jí)，測(cè)量精度進(jìn)一步提高，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嫦娥三號(hào)著陸器距離月面的高度。

中美“激光眼”大不同：激光器走向深空

　　近日，美國(guó)科學(xué)家對(duì)遠(yuǎn)在火星上的“好奇”號(hào)火星車頭部的“激光眼”進(jìn)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(hào)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(hào)為美國(guó)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(duì)目標(biāo)巖體的成分進(jìn)行分析。另外，中國(guó)嫦娥三號(hào)在2013年實(shí)現(xiàn)成功登月的過程中，“激光眼”也發(fā)揮了重要作用。帶你簡(jiǎn)單了解中美“激光眼”究竟起到了什么作用。

　　1、好奇號(hào)“激光眼”：進(jìn)行光譜分析

　　“好奇”號(hào)共攜帶10種不同科學(xué)儀器，ChemCam只是其中之一。抵達(dá)火星之后，“好奇”號(hào)的化學(xué)與攝像機(jī)儀器(以下簡(jiǎn)稱 ChemCam)將發(fā)射強(qiáng)激光脈沖，蒸發(fā)火星塵土，而后對(duì)光譜進(jìn)行分析。ChemCam發(fā)射的強(qiáng)激光脈沖可以蒸發(fā)針頭大小的區(qū)域。這臺(tái)儀器還裝有激光器，用于觀測(cè)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(tái)分光計(jì)隨后對(duì)這些光譜色進(jìn)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(gè)區(qū)域或者多個(gè)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(xiàng)目組首席研究員羅杰-韋恩斯表示：“ChemCam在設(shè)計(jì)上用于尋找輕元素、例如碳、氮和氧，所有這些元素都對(duì)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(hào)任務(wù)一個(gè)至關(guān)重要的組成部分。”

　　ChemCam可以分析整個(gè)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)�距離“好奇”號(hào)大約23英尺(約合7米)的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。這臺(tái)儀器采用的技術(shù)由美國(guó)洛斯-阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，被稱之為“激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)”(以下簡(jiǎn)稱LIBS)。這項(xiàng)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(gè)電燈，能夠聚焦一個(gè)微小區(qū)域，聚焦時(shí)間達(dá)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(hào)任務(wù)的實(shí)施，這項(xiàng)技術(shù)第一次走出地球。法國(guó)國(guó)家太空研究中心負(fù)責(zé)制造ChemCam的激光器和望遠(yuǎn)鏡。洛斯-阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室則負(fù)責(zé)制造ChemCam的分光計(jì)和數(shù)據(jù)處理器，同時(shí)擔(dān)任這一項(xiàng)目的負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)。

　　ChemCam中的激光器由法國(guó)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(guó)國(guó)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(duì)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(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(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(hào)火星探測(cè)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(zhǎng)的激光光源，并且它的理想工作溫度為-20到+20攝氏度。

　　2、嫦娥三號(hào)“激光眼”：認(rèn)路識(shí)途

　　嫦娥三號(hào)任務(wù)是我國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步，是承前啟后的關(guān)鍵一步。在“繞月”階段，中科院上海技術(shù)物理所、上海光學(xué)精密機(jī)械所為嫦娥衛(wèi)星研制了“激光眼”——激光高度計(jì)，為我國(guó)首幅全月面三維圖提供了高程，相當(dāng)于地球上的海拔高度。即使在無可見光的月面環(huán)境下，激光計(jì)也能“拍攝”自如。

　　但比起距離月面一兩百公里外的繞月，零距離接觸的落月對(duì)激光測(cè)距精度和速度提出了極高要求。在我國(guó)探月初期，嫦娥衛(wèi)星對(duì)月發(fā)射一束激光，在月面形成的“激光足印”約有120米方圓范圍，而嫦娥三號(hào)激光測(cè)距的“足印”將小到米級(jí)，測(cè)量精度進(jìn)一步提高，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嫦娥三號(hào)著陸器距離月面的高度。

　　除了這束“大激光”，“嫦娥”還有一道靈敏度極高的“小激光”。當(dāng)“嫦娥”向月面釋放著陸器，著陸器將在接近月面時(shí)，通過激光三維成像，進(jìn)一步“觀察地形”，獲取正下方圖像。如下方不適合降落，它就馬上換一塊地方，確保著陸點(diǎn)相對(duì)更為平坦。這種接近“現(xiàn)場(chǎng)直播”的實(shí)時(shí)成像需在數(shù)秒內(nèi)完成，為此中科院上海技物所研制的三維成像系統(tǒng)采用了多源激光并掃、實(shí)時(shí)成像方法，這種實(shí)測(cè)方式是在著陸月球時(shí)首次應(yīng)用。

　　兩只“激光眼”之外，“嫦娥”另有一只“紅外眼”——紅外成像光譜儀。這臺(tái)儀器置于俗稱“月球車”的月面巡視器上，當(dāng)巡視器從著陸器中駛出，便開啟這一關(guān)鍵探測(cè)設(shè)備。這只“眼睛”不但能在可見光范圍獲得上百個(gè)光學(xué)波段的圖像，還能用來探索可見光之外的“光”，捕捉月球物質(zhì)資源放出的紅外線光譜。因?yàn)槊糠N物質(zhì)都有其獨(dú)特的“紅外圖譜”，紅外成像光譜儀以極高的光譜分辨率“拍攝”月表物質(zhì)，并能通過計(jì)算機(jī)直接將物質(zhì)分門別類。

對(duì)于登月任務(wù)以及其后實(shí)施的返回任務(wù)，衛(wèi)星發(fā)射重量越輕越好，因此“嫦娥”嚴(yán)格控制體重。相關(guān)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人上海技物所研究員王建宇透露，此次星載的紅外成像光譜儀只有5公斤多，是“嫦娥”3只眼中最輕的，而機(jī)載的同類光譜儀重量可達(dá)百公斤。今后，這種超輕型成像光譜儀器還能用于火星、小行星等更遙遠(yuǎn)的深空探測(cè)任務(wù)。

　　小結(jié)：

　　雖然說好奇號(hào)和嫦娥三號(hào)上的“激光眼”作用各有不同，但是都彰顯了激光技術(shù)在未來太空探索的重要作用。隨著深空探索的升級(jí)，對(duì)于激光器體積、重量、穩(wěn)定性及可靠性都提出了新要求。從月球探索到星地激光通信，再到登陸火星，激光器正隨, 著太, 空探索腳步越走越遠(yuǎn)。

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2015-0604