我國火星車上的雷射誘導擊穿光譜儀究竟是幹嘛的？

來源｜原創： 土星V號 轉載自：航天愛好者網

作者說

在發射天問一號的長徵5號火箭整流罩外，除了常見的CNSA的徽標外，還很罕見的看到了法國國家空間研究中心（CNES）的徽標。法國是和天問一號合作了啥才獲此殊榮呢？答案是本次天問一號的火星車攜帶的關鍵探測器之一，一個名字聽上去相當科幻的「雷射誘導擊穿光譜儀」，具體而言CNES提供了該儀器校準和測試方面的幫助。為簡化以下以該技術英文名的首字母簡寫LIBS來稱呼（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy），今天我們就來聊聊LIBS的故事。

本文作者：Saturn V，本號授權發表

昨天正式曝光的中國火星車（尚未公開命名）外觀，LIBS裝在哪裡呢？

我知道，每次說一個太空用到的科技都好像是在把已知的技術名詞隨便堆疊起來然後發明個新詞一樣。但實際上LIBS在日常生活中的用途很廣泛，其核心光譜分析更是已經伴隨了天文學幾個世紀，要理解「雷射誘導擊穿光譜儀」，當然也要先從光譜儀開始。自從牛頓通過三菱鏡把太陽光折射成七彩光後，物理學家們便開始了對散射光的研究。由於三菱鏡的折射受到三菱鏡體積限制，越大的三菱鏡越難以維持玻璃的純度，比整體稜鏡更容易製造的光柵鏡面隨後誕生。和三菱鏡不同光譜儀的光柵通過大量微觀平行鏡面，讓不同波長的光產生不同角度的反射，進而在宏觀上完成大面積散射光。而只需要增加平行鏡面的密度，便可獲得更好的散射，更精準的光譜得以誕生。

光柵的原理

不過當德國科學家夫琅和費把光譜儀對準太陽時，卻發現太陽光譜在特定的波長會產生黑線，仿佛光到這個波長就戛然而止，在波長和光強度的對比圖上形成一個又一個凹陷。頗為費解的夫琅和費總共找到了570跳黑線，並用字母A到K標出了11條最明顯的，他猜想有可能是太陽外圍有某些化學元素只會吸收特定波長的光，導致該波長的太陽光在到達地球前就已經被吸收。不過這個假設意味著這些奇特的化學元素也只會釋放出特定頻率的光，反常識的推論最終沒能被夫琅和費自己接受，「夫琅和費線」的謎團直到量子力學的誕生才得以解開。

「夫琅和費線」

波長vs密度的「夫琅和費線」

事實上夫琅和費只猜對了一半，黑線的確是因為化學元素吸收特定波長的光而導致的，只不過不是哪些特定的化學元素，而是全部的化學元素。根據量子力學理論，能量並不是連續的而是量化的（想詳細了解的同學，可以去看《上帝擲骰子嗎——量子力學史話》這本書，通俗易懂，主頁君注），就像樓層一樣，如果把質子比作0層，那麼最近的電子就在1層，1層填滿後就到2層，隨著層數增加每層所能容納的電子數量也增多，以此類推。

某種意義上來說量子力學是1234567……

當電子吸收外界能量後會到更「高」的樓層，由於不同元素的電子數量不同，在最「高」樓層的電子數量也就不同，因此所能吸收的量化能量也會不同，造成了光譜上不同波長的黑線。換句話說，通過對比夫琅和費線的波長和已知元素吸收的光的特定波長，可以判斷出太陽的化學元素成分，而這正是天體光譜學的核心理論。實際上太陽完整的光譜有非常多的「夫琅和費線」，下圖中所有黑色處都是構成太陽的元素在各個波長的吸收光譜。我們也正是憑藉著這些「黑線」了解了太陽幾乎全部的化學構造。順帶一提氦氣英文名叫Helium是因為英國天文學家洛克耶在分析太陽光譜時發現了一條之前不存在的「黑線」，他假定這是太陽中才有的元素固以希臘神話裡的太陽神Helios命名。

清楚了光譜是咋回事，LIBS裡的雷射誘導擊穿又是幹啥呢？在幾萬光年外根據光譜分析能得出行星和恆星的化學成分構造，本質上是基於每個元素都有獨一無二的吸收光譜這一特點，那這個原理反過來也同樣適用。較「高」樓層的電子返回「低」樓層時會釋放之前吸收的能量，也就是之前吸收的特定波長的光會再被釋放出來，從「吸收」光譜變成「發射」光譜。生活中最常見的例子便是金屬燃燒時不同顏色的火焰，銅燃燒時為藍色火焰，鋰為紅色火焰，鈣為橙色火焰，納為黃色火焰，鋇則為綠色火焰，每個元素都有著自己獨特的發射光譜。

電子「回家」的發射光譜

所以理論上來講，若要分析一個化合物的化學成分，只需要將這個化合物點燃而後在分析其火焰的光譜即可。當然先不說有的化合物的燃點乃至熔點會非常高，絕大多數情況下都會想以不破壞樣本自身的形式來完成分析，這時候就輪到雷射出場了。相比較點燃化合物整體來收集火焰也就是等離子化體的光譜這種「暴力」的行為，同樣誕生自量子力學的雷射，有能在極短的時間極小的範圍內釋放巨大能量這獨一無二的優勢，能讓化合物的一小部分等離子化而不損害樣本整體。如果光譜儀的快門足夠快便能拍下微量樣本等離子化後在極短時間內釋放出的光，在不損害樣本的前提下，構成一個發射光譜進而分析出化合物樣本的具體成分。

具體而言，LIBS會聚焦在樣本表面極小的區域快速發射脈衝雷射，超過3萬度的高溫造成大約1皮克（10^-12克）到1奈克（10^-9克）左右的樣本等離子化，化學鍵迅速分解，元素內部電子瞬間被激發到更高的軌道。隨後等離子體超音速膨脹並在10微秒（10^-6秒）後迅速降溫，被激發的電子返回低軌道釋放特定波長的光，光譜儀再將光散射到不同的波長來分析化學成分。拿自然界最常用的水來舉例，LIBS的水光譜如下：

在660納米左右的波長有一個明顯的峰值，學名叫做巴爾末系a線，對應的是氫原子的電子從n=3返回到n=2時釋放的光，準確波長在656.3納米，對應紅色可見光。和純氫氣幾乎一條豎線相比寬了很多，峰值位置也有所偏移，這是因為等離子體產生的時間非常短，很容易受到比如水的折射在內的外在環境影響。因此針對成分複雜的樣本，LIBS往往需要成百乃至上千次雷射，獲得大量光譜後綜合分析數據以減少外在環境對單次採樣的影響。好在哪怕1000次雷射也才只損耗約1微克質量，且單次取樣時間極短，並不會對樣本或實際採集產生負面影響。

正因為LIBS非接觸式樣本成分分析的特點，使其特別適合外太空探測器使用。採用LIBS技術的ChemCam跟隨好奇號火星車在2012年到達了火星表面，我們常說的好奇號「頭」上的「眼睛」便是ChemCam的雷射發射器，用來發射5納秒脈衝紅外雷射，在7米內的範圍內等離子化火星土壤。而後雷射發射器下的110毫米鏡頭相機將等離子態下火星土壤發射的光通過光纖傳遞給車體內的光譜儀，光譜儀再將光散射到240納米至820納米波長的光譜上。

ChemCam工作原理

毅力號的同款SuperCam構造

一塊火星石頭對應的化學成分，656納米的巴爾末系a線也在

本次天問一號火星車也將攜帶採用LIBS技術的儀器，在好奇號沒有到的地方繼續進行火星土壤成分探測。下圖紅色處及為天問一號火星車的降落區域，其他火星降落器位置也標註在圖中。

為了能讓光譜儀取得精準的數據，必須進行先期校準和測試，比如將已知波長的雷射打入光譜儀內，確保光譜儀能將雷射散射到對應的正確波長。除此之外雷射和相機以納秒計算的配合也十分重要，相機開機過早等離子體光尚未散去，容易造成電荷耦合器件飽和乃至損毀，開機過晚捕捉不到足夠量的發射光無法完整光譜。由於有好奇號的ChemCam和毅力號的SuperCam兩個LIBS儀器的經驗，CNES因此伸出了援手幫助完成了天問一號火星車LIBS的校準和測試，畢竟探索火星的探測器從來不嫌多。

我想最後還是以CNES自己做的自嘲PPT截圖來結束吧。

好奇號的實際工作

人們認為好奇號的工作……