近日，美國科學家對遠在火星上的「好奇」號火星車頭部的「雷射眼」進行了修復，使其再次正常工作。據悉，2012年8月6日，好奇號在萬眾矚目之下成功著陸火星。在登陸火星後一年裡，好奇號為美國宇航局提供了190G的數據，其中包括3.67萬張高解析度圖像以及3.5萬張低解析度圖像；其搭載的雷射設備發射雷射7.5萬次，用於對目標巖體的成分進行分析。另外，中國嫦娥三號在2013年實現成功登月的過程中，「雷射眼」也發揮了重要作用。接下來，OFweek雷射網編輯帶你簡單了解中美「雷射眼」究竟起到了什麼作用。
1、好奇號「雷射眼」：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。抵達火星之後，「好奇」號的化學與攝像機儀器(以下簡稱 ChemCam)將發射強雷射脈衝，蒸發火星塵土，而後對光譜進行分析。ChemCam發射的強雷射脈衝可以蒸發針頭大小的區域。這臺儀器還裝有雷射器，用於觀測被蒸發的物質產生的等離子體閃光，並記錄下光線包含的顏色。一臺分光計隨後對這些光譜色進行分析，幫助科學家確定被蒸發物質的元素構成。
ChemCam可以向一個區域或者多個區域快速發射連續多雷射脈衝，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傑-韋恩斯表示：「ChemCam在設計上用於尋找輕元素、例如碳、氮和氧，所有這些元素都對生命至關重要。這一系統能夠立即發現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。由於具有這些功能，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)的區域進行探測。這臺儀器採用的技術由美國洛斯-阿拉莫斯國家實驗室研發，被稱之為「雷射誘導擊穿光譜技術」(以下簡稱LIBS)。這項技術的核心是紅外線雷射器――肉眼看不到紅外線――所發射的雷射能量超過100萬個電燈，能夠聚焦一個微小區域，聚焦時間達到十億分之五秒。
在地球上，LIBS用於確定極端環境下的物體構成，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製造ChemCam的雷射器和望遠鏡。洛斯-阿拉莫斯國家實驗室則負責製造ChemCam的分光計和數據處理器，同時擔任這一項目的負責機構。
ChemCam中的雷射器由法國Thales Optronics公司研發製造。據該公司項目經理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半導體泵浦固體雷射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境的嚴苛要求。
Diva雷射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的條件下，在溫差為60度的環境溫度下運作。對重量的要求更加苛刻：Diva雷射器原來有10公斤重，CNES要求Thales研發出重量只有500克的雷射器，並且要求該雷射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也被應用於設計之中。但是以上兩點需要系統有更強的傳導冷卻能力。
原來的Nd：YAG雷射介質被替換成了Nd：KGW晶體棒或者摻釹鎢酸鉀釓晶體，並由700瓦二極體堆棧縱向泵浦。Nd：KGW晶體棒的寬光譜吸收特性使其在大溫差範圍內具有極小的吸收率波動，從而可以實現二極體和雷射棒的傳導冷卻，以便在大溫差的火星環境中工作。
研發團隊同時改進了Q開關系統，原來的4千伏特供電不太適合用於其它行星，通過改用基於RTP（磷酸鈦氧銣）普克爾盒的Q開關系統，就只需要1千伏特供電並且可在要求的大溫差範圍內工作。
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就研製出了在實驗環境中運作良好的光學組件。並在接下來的4年中構建6組不同的模型來研究系統參數，並於2007年交付用於最終飛行設備。
據Durand介紹，他們幾乎完全重新改造了雷射器，挑戰比較大，開始時並沒有足夠的信心，但是他們最終成功改造了滿足如下工作要求的雷射器：一個輸出24毫焦以上脈衝能量、8納秒以內脈寬、1067納米波長的雷射光源，並且它的理想工作溫度為-20到+20攝氏度。
2、嫦娥三號「雷射眼」：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，是承前啟後的關鍵一步。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星研製了「雷射眼」——雷射高度計，為我國首幅全月面三維圖提供了高程，相當於地球上的海拔高度。即使在無可見光的月面環境下，雷射計也能「拍攝」自如。
但比起距離月面一兩百公裡外的繞月，零距離接觸的落月對雷射測距精度和速度提出了極高要求。在我國探月初期，嫦娥衛星對月發射一束雷射，在月面形成的「雷射足印」約有120米方圓範圍，而嫦娥三號雷射測距的「足印」將小到米級，測量精度進一步提高，可實時監測嫦娥三號著陸器距離月面的高度。
除了這束「大雷射」，「嫦娥」還有一道靈敏度極高的「小雷射」。當「嫦娥」向月面釋放著陸器，著陸器將在接近月面時，通過雷射三維成像，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「現場直播」的實時成像需在數秒內完成，為此中科院上海技物所研製的三維成像系統採用了多源雷射並掃、實時成像方法，這種實測方式是在著陸月球時首次應用。
兩隻「雷射眼」之外，「嫦娥」另有一隻「紅外眼」——紅外成像光譜儀。這臺儀器置於俗稱「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。這隻「眼睛」不但能在可見光範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解析度「拍攝」月表物質，並能通過計算機直接將物質分門別類。