“祝融號(hào)”上的“火眼金睛”

劉玉柱 俞文杰

火星上也有吉祥物啦？

你不知道吧，冰墩墩、雪容融這兩個(gè)小家伙居然也被送上了火星。沒錯(cuò)，正是我國自主研制的“祝融號(hào)”火星車，讓冰墩墩和雪容融成為第一個(gè)登陸外星的吉祥物……

截至2022 年5 月5 日，“祝融號(hào)”火星車已在火星表面工作347 個(gè)火星日，累計(jì)行駛1 921 米。為了順利采集到全面的火星數(shù)據(jù)，這輛火星車全副武裝，搭載了多種頂尖高科技探測(cè)裝置，其中最炫酷的技術(shù)莫過于用來探測(cè)火星表面成分的“火眼金睛”——激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS）！

到底什么是激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)？它又有哪些強(qiáng)大之處呢？

LIBS 如何探測(cè)火星

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的英文全稱是“LaserInduced Breakdown Spectroscopy”，縮寫為“LIBS”，它是一種超靈敏的光譜探測(cè)技術(shù)，用于物質(zhì)成分的分析。

那么，它的原理到底是什么？

原子發(fā)射光譜的產(chǎn)生——電子躍遷

要明白LIBS 這項(xiàng)高大上技術(shù)的原理并非難事，在此之前，我們不妨先來了解一下物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。眾所周知，所有的物質(zhì)都是由不同元素的原子構(gòu)成的，而原子又是由原子核和大量電子構(gòu)成的。這些電子遵循著不同軌道繞著原子核飛速運(yùn)行，因?yàn)椴煌壍郎想娮拥哪芰坎煌?，這就構(gòu)成了不同的“能級(jí)”。然而，電子的運(yùn)動(dòng)情況并不是一成不變的，當(dāng)受到外界的影響時(shí)，它們會(huì)在不同能級(jí)的軌道間“跳躍”，物理學(xué)上稱之為“電子躍遷”。當(dāng)電子從高能級(jí)軌道躍遷至低能級(jí)軌道時(shí)，便會(huì)發(fā)出一個(gè)光子，這個(gè)光子的能量正是兩個(gè)軌道的能量差值。由于光子的波長只跟光子的能量相關(guān)，因此不同躍遷情況的電子發(fā)出的光子波長也不相同。

譜線波長——元素的“指紋”

事實(shí)上，不同元素的原子，其電子的軌道和躍遷情況都是完全不同的。因此，某種元素原子發(fā)出的光譜線只能是一些特定的數(shù)值，同時(shí)也成為這種元素專屬的特征，就好比指紋一樣，與其他元素都截然不同。利用這個(gè)特點(diǎn)，我們便可以根據(jù)譜線的不同波長情況來確定物質(zhì)的元素成分，LIBS 正是利用了這一點(diǎn)。

LIBS 的原理——高能激光是關(guān)鍵

理解了元素的光譜“指紋”，我們就來看看LIBS 到底是什么原理吧。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)中，高能量的脈沖激光束經(jīng)透鏡聚焦至待測(cè)的樣品表面，由于激光有方向性好和亮度高的特點(diǎn)，聚焦后產(chǎn)生的極高能量會(huì)使照射點(diǎn)處的樣品激發(fā)為等離子體。

什么是等離子體呢？簡單點(diǎn)說，它是由不受原子核束縛的自由電子和帶電的離子作為主要成分的一種物質(zhì)形態(tài)。激光照射處的樣品被激發(fā)為等離子體后，經(jīng)過一段短暫的弛豫（物理學(xué)用語，指在某一個(gè)漸變物理過程中，從某一個(gè)狀態(tài)逐漸地恢復(fù)到平衡態(tài)的過程），等離子體便會(huì)迅速發(fā)生膨脹與冷卻，其中各種元素的原子與離子將會(huì)發(fā)射出各種特征波長的光子。光子被光譜儀收集獲得光譜，經(jīng)計(jì)算機(jī)的處理并與標(biāo)準(zhǔn)譜線數(shù)據(jù)比對(duì)分析后，便可以準(zhǔn)確得知被測(cè)樣品的元素成分了。

“祝融號(hào)”上的LIBS 裝置

“祝融號(hào)”上搭載的LIBS 裝置被安裝在車輛頭部，由于其功能強(qiáng)大，被網(wǎng)友戲稱為“哪里不懂點(diǎn)哪里的激光炮”。探測(cè)時(shí)，火星車按指令到達(dá)預(yù)定位置，LIBS 裝置向待測(cè)巖土發(fā)射高能激光，同時(shí)光譜儀收集產(chǎn)生的光譜信號(hào)，由通信裝置傳輸至地球進(jìn)行進(jìn)一步的分析，獲取火星表面的元素成分。

此外，火星車上還搭載了一臺(tái)短波紅外光譜探測(cè)儀，二者均為光譜技術(shù)，但原理不同。LIBS 基于原子發(fā)射光譜技術(shù)，用于探測(cè)元素成分，而紅外光譜基于分子吸收光譜技術(shù)，用于獲取分子成分。二者的數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充，可大大提升探測(cè)的效率。

LIBS 還有別的應(yīng)用嗎

作為一種超靈敏的光電探測(cè)技術(shù)，激光誘導(dǎo)擊穿光譜可以檢測(cè)固、液、氣所有形態(tài)的物質(zhì)。由于其成本低、速度快且不需要樣品預(yù)處理的優(yōu)勢(shì)，它已經(jīng)在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，空氣污染探測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、海洋探測(cè)、碳排放監(jiān)測(cè)、鋼材型號(hào)鑒別、紅木種類鑒別、材料分析、土壤重金屬監(jiān)測(cè)、食品安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，都離不開它的身影。

目前，“祝融號(hào)”火星車所在區(qū)域已進(jìn)入冬季，為了安全度過寒冬，“祝融號(hào)”設(shè)計(jì)了自主休眠的工作模式，在能源降低到一定程度后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等到環(huán)境條件逐漸轉(zhuǎn)好后，再恢復(fù)正常工作模式，繼續(xù)向地球傳回寶貴的數(shù)據(jù)。

相信在未來的某一天，我們一定能踏上火星的土地。

最后，祝愿祖國的航天事業(yè)蒸蒸日上、蓬勃發(fā)展！