近日，美國科學家對遠在火星上的“好奇”號火星車頭部的“激光眼”進行了修復，使其再次正常工作。據(jù)悉，2012年8月6日，好奇號在萬眾矚目之下成功著陸火星。在登陸火星后一年里，好奇號為美國宇航局提供了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；其搭載的激光設備發(fā)射激光7.5萬次，用于對目標巖體的成分進行分析。另外，中國嫦娥三號在2013年實現(xiàn)成功登月的過程中，“激光眼”也發(fā)揮了重要作用。簡單了解中美“激光眼”究竟起到了什么作用。

　　1、好奇號“激光眼”：進行光譜分析

　　“好奇”號共攜帶10種不同科學儀器，ChemCam只是其中之一。抵達火星之后，“好奇”號的化學與攝像機儀器(以下簡稱 ChemCam)將發(fā)射強激光脈沖，蒸發(fā)火星塵土，而后對光譜進行分析。ChemCam發(fā)射的強激光脈沖可以蒸發(fā)針頭大小的區(qū)域。這臺儀器還裝有激光器，用于觀測被蒸發(fā)的物質產生的等離子體閃光，并記錄下光線包含的顏色。一臺分光計隨后對這些光譜色進行分析，幫助科學家確定被蒸發(fā)物質的元素構成。

　　ChemCam可以向一個區(qū)域或者多個區(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項目組首席研究員羅杰-韋恩斯表示：“ChemCam在設計上用于尋找輕元素、例如碳、氮和氧，所有這些元素都對生命至關重要。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。碳是構成生命以及生命副產品的基本要素。由于具有這些功能，ChemCam成為‘好奇’號任務一個至關重要的組成部分。”

　　ChemCam可以分析整個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能夠對距離“好奇”號大約23英尺(約合7米)的區(qū)域進行探測。這臺儀器采用的技術由美國洛斯-阿拉莫斯國家實驗室研發(fā)，被稱之為“激光誘導擊穿光譜技術”(以下簡稱LIBS)。這項技術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100萬個電燈，能夠聚焦一個微小區(qū)域，聚焦時間達到十億分之五秒。

　　在地球上，LIBS用于確定極端環(huán)境下的物體構成，例如核反應堆和海床。隨著“好奇”號任務的實施，這項技術第一次走出地球。法國國家太空研究中心負責制造ChemCam的激光器和望遠鏡。洛斯-阿拉莫斯國家實驗室則負責制造ChemCam的分光計和數(shù)據(jù)處理器，同時擔任這一項目的負責機構。

　　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。

　　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。

　　2、嫦娥三號“激光眼”：認路識途

　　嫦娥三號任務是我國探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步，是承前啟后的關鍵一步。在“繞月”階段，中科院上海技術物理所、上海光學精密機械所為嫦娥衛(wèi)星研制了“激光眼”——激光高度計，為我國首幅全月面三維圖提供了高程，相當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激光測距精度和速度提出了極高要求。在我國探月初期，嫦娥衛(wèi)星對月發(fā)射一束激光，在月面形成的“激光足印”約有120米方圓范圍，而嫦娥三號激光測距的“足印”將小到米級，測量精度進一步提高，可實時監(jiān)測嫦娥三號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，美國科學家對遠在火星上的“好奇”號火星車頭部的“激光眼”進行了修復，使其再次正常工作。據(jù)悉，2012年8月6日，好奇號在萬眾矚目之下成功著陸火星。在登陸火星后一年里，好奇號為美國宇航局提供了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；其搭載的激光設備發(fā)射激光7.5萬次，用于對目標巖體的成分進行分析。另外，中國嫦娥三號在2013年實現(xiàn)成功登月的過程中，“激光眼”也發(fā)揮了重要作用。帶你簡單了解中美“激光眼”究竟起到了什么作用。

　　1、好奇號“激光眼”：進行光譜分析

　　“好奇”號共攜帶10種不同科學儀器，ChemCam只是其中之一。抵達火星之后，“好奇”號的化學與攝像機儀器(以下簡稱 ChemCam)將發(fā)射強激光脈沖，蒸發(fā)火星塵土，而后對光譜進行分析。ChemCam發(fā)射的強激光脈沖可以蒸發(fā)針頭大小的區(qū)域。這臺儀器還裝有激光器，用于觀測被蒸發(fā)的物質產生的等離子體閃光，并記錄下光線包含的顏色。一臺分光計隨后對這些光譜色進行分析，幫助科學家確定被蒸發(fā)物質的元素構成。

　　ChemCam可以向一個區(qū)域或者多個區(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項目組首席研究員羅杰-韋恩斯表示：“ChemCam在設計上用于尋找輕元素、例如碳、氮和氧，所有這些元素都對生命至關重要。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。碳是構成生命以及生命副產品的基本要素。由于具有這些功能，ChemCam成為‘好奇’號任務一個至關重要的組成部分。”

　　ChemCam可以分析整個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能夠對距離“好奇”號大約23英尺(約合7米)的區(qū)域進行探測。這臺儀器采用的技術由美國洛斯-阿拉莫斯國家實驗室研發(fā)，被稱之為“激光誘導擊穿光譜技術”(以下簡稱LIBS)。這項技術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100萬個電燈，能夠聚焦一個微小區(qū)域，聚焦時間達到十億分之五秒。

　　在地球上，LIBS用于確定極端環(huán)境下的物體構成，例如核反應堆和海床。隨著“好奇”號任務的實施，這項技術第一次走出地球。法國國家太空研究中心負責制造ChemCam的激光器和望遠鏡。洛斯-阿拉莫斯國家實驗室則負責制造ChemCam的分光計和數(shù)據(jù)處理器，同時擔任這一項目的負責機構。

　　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。

　　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。

　　2、嫦娥三號“激光眼”：認路識途

　　嫦娥三號任務是我國探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步，是承前啟后的關鍵一步。在“繞月”階段，中科院上海技術物理所、上海光學精密機械所為嫦娥衛(wèi)星研制了“激光眼”——激光高度計，為我國首幅全月面三維圖提供了高程，相當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激光測距精度和速度提出了極高要求。在我國探月初期，嫦娥衛(wèi)星對月發(fā)射一束激光，在月面形成的“激光足印”約有120米方圓范圍，而嫦娥三號激光測距的“足印”將小到米級，測量精度進一步提高，可實時監(jiān)測嫦娥三號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“嫦娥”向月面釋放著陸器，著陸器將在接近月面時，通過激光三維成像，進一步“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，確保著陸點相對更為平坦。這種接近“現(xiàn)場直播”的實時成像需在數(shù)秒內完成，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、實時成像方法，這種實測方式是在著陸月球時首次應用。

　　兩只“激光眼”之外，“嫦娥”另有一只“紅外眼”——紅外成像光譜儀。這臺儀器置于俗稱“月球車”的月面巡視器上，當巡視器從著陸器中駛出，便開啟這一關鍵探測設備。這只“眼睛”不但能在可見光范圍獲得上百個光學波段的圖像，還能用來探索可見光之外的“光”，捕捉月球物質資源放出的紅外線光譜。因為每種物質都有其獨特的“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，并能通過計算機直接將物質分門別類。

對于登月任務以及其后實施的返回任務，衛(wèi)星發(fā)射重量越輕越好，因此“嫦娥”嚴格控制體重。相關項目負責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，而機載的同類光譜儀重量可達百公斤。今后，這種超輕型成像光譜儀器還能用于火星、小行星等更遙遠的深空探測任務。

　　小結：

　　雖然說好奇號和嫦娥三號上的“激光眼”作用各有不同，但是都彰顯了激光技術在未來太空探索的重要作用。隨著深空探索的升級，對于激光器體積、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。

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2015-0604