我国火星车上的激光诱导击穿光谱仪究竟是干嘛的？( 二 ) _火星车

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电子“回家”的发射光谱
所以理论上来讲，若要分析一个化合物的化学成分，只需要将这个化合物点燃而后在分析其火焰的光谱即可。当然先不说有的化合物的燃点乃至熔点会非常高，绝大多数情况下都会想以不破坏样本自身的形式来完成分析，这时候就轮到激光出场了。相比较点燃化合物整体来收集火焰也就是等离子化体的光谱这种“暴力”的行为，同样诞生自量子力学的激光，有能在极短的时间极小的范围内释放巨大能量这独一无二的优势，能让化合物的一小部分等离子化而不损害样本整体。如果光谱仪的快门足够快便能拍下微量样本等离子化后在极短时间内释放出的光，在不损害样本的前提下，构成一个发射光谱进而分析出化合物样本的具体成分。

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具体而言，LIBS会聚焦在样本表面极小的区域快速发射脉冲激光，超过3万度的高温造成大约1皮克（10^-12克）到1奈克（10^-9克）左右的样本等离子化，化学键迅速分解，元素内部电子瞬间被激发到更高的轨道。随后等离子体超音速膨胀并在10微秒（10^-6秒）后迅速降温，被激发的电子返回低轨道释放特定波长的光，光谱仪再将光散射到不同的波长来分析化学成分。拿自然界最常用的水来举例，LIBS的水光谱如下：

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在660纳米左右的波长有一个明显的峰值，学名叫做巴尔末系a线，对应的是氢原子的电子从n=3返回到n=2时释放的光，准确波长在656.3纳米，对应红色可见光。和纯氢气几乎一条竖线相比宽了很多，峰值位置也有所偏移，这是因为等离子体产生的时间非常短，很容易受到比如水的折射在内的外在环境影响。因此针对成分复杂的样本，LIBS往往需要成百乃至上千次激光，获得大量光谱后综合分析数据以减少外在环境对单次采样的影响。好在哪怕1000次激光也才只损耗约1微克质量，且单次取样时间极短，并不会对样本或实际采集产生负面影响。

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正因为LIBS非接触式样本成分分析的特点，使其特别适合外太空探测器使用。采用LIBS技术的ChemCam跟随好奇号火星车在2012年到达了火星表面，我们常说的好奇号“头”上的“眼睛”便是ChemCam的激光发射器，用来发射5纳秒脉冲红外激光，在7米内的范围内等离子化火星土壤。而后激光发射器下的110毫米镜头相机将等离子态下火星土壤发射的光通过光纤传递给车体内的光谱仪，光谱仪再将光散射到240纳米至820纳米波长的光谱上。

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ChemCam工作原理

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毅力号的同款SuperCam构造

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一块火星石头对应的化学成分，656纳米的巴尔末系a线也在
本次天问一号火星车也将携带采用LIBS技术的仪器，在好奇号没有到的地方继续进行火星土壤成分探测。下图红色处及为天问一号火星车的降落区域，其他火星降落器位置也标注在图中。

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为了能让光谱仪取得精准的数据，必须进行先期校准和测试，比如将已知波长的激光打入光谱仪内，确保光谱仪能将激光散射到对应的正确波长。除此之外激光和相机以纳秒计算的配合也十分重要，相机开机过早等离子体光尚未散去，容易造成电荷耦合器件饱和乃至损毁，开机过晚捕捉不到足够量的发射光无法完整光谱。由于有好奇号的ChemCam和毅力号的SuperCam两个LIBS仪器的经验，CNES因此伸出了援手帮助完成了天问一号火星车LIBS的校准和测试，毕竟探索火星的探测器从来不嫌多。
我想最后还是以CNES自己做的自嘲PPT截图来结束吧。