我国火星车上的激光诱导击穿光谱仪究竟是干嘛的？

来源｜原创：土星V号转载自：航天爱好者网

作者说

在发射天问一号的长征5号火箭整流罩外，除了常见的CNSA的徽标外，还很罕见的看到了法国国家空间研究中心（CNES）的徽标。法国是和天问一号合作了啥才获此殊荣呢？答案是本次天问一号的火星车携带的关键探测器之一，一个名字听上去相当科幻的“激光诱导击穿光谱仪”，具体而言CNES提供了该仪器校准和测试方面的帮助。为简化以下以该技术英文名的首字母简写LIBS来称呼（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy），今天我们就来聊聊LIBS的故事。

本文作者：Saturn V，本号授权发表

昨天正式曝光的中国火星车（尚未公开命名）外观，LIBS装在哪里呢？

我知道，每次说一个太空用到的科技都好像是在把已知的技术名词随便堆叠起来然后发明个新词一样。但实际上LIBS在日常生活中的用途很广泛，其核心光谱分析更是已经伴随了天文学几个世纪，要理解“激光诱导击穿光谱仪”，当然也要先从光谱仪开始。自从牛顿通过三菱镜把太阳光折射成七彩光后，物理学家们便开始了对散射光的研究。由于三菱镜的折射受到三菱镜体积限制，越大的三菱镜越难以维持玻璃的纯度，比整体棱镜更容易制造的光栅镜面随后诞生。和三菱镜不同光谱仪的光栅通过大量微观平行镜面，让不同波长的光产生不同角度的反射，进而在宏观上完成大面积散射光。而只需要增加平行镜面的密度，便可获得更好的散射，更精准的光谱得以诞生。

光栅的原理

不过当德国科学家夫琅和费把光谱仪对准太阳时，却发现太阳光谱在特定的波长会产生黑线，仿佛光到这个波长就戛然而止，在波长和光强度的对比图上形成一个又一个凹陷。颇为费解的夫琅和费总共找到了570跳黑线，并用字母A到K标出了11条最明显的，他猜想有可能是太阳外围有某些化学元素只会吸收特定波长的光，导致该波长的太阳光在到达地球前就已经被吸收。不过这个假设意味着这些奇特的化学元素也只会释放出特定频率的光，反常识的推论最终没能被夫琅和费自己接受，“夫琅和费线”的谜团直到量子力学的诞生才得以解开。

“夫琅和费线”

波长vs密度的“夫琅和费线”

事实上夫琅和费只猜对了一半，黑线的确是因为化学元素吸收特定波长的光而导致的，只不过不是哪些特定的化学元素，而是全部的化学元素。根据量子力学理论，能量并不是连续的而是量化的（想详细了解的同学，可以去看《上帝掷骰子吗——量子力学史话》这本书，通俗易懂，主页君注），就像楼层一样，如果把质子比作0层，那么最近的电子就在1层，1层填满后就到2层，随着层数增加每层所能容纳的电子数量也增多，以此类推。

某种意义上来说量子力学是1234567……

当电子吸收外界能量后会到更“高”的楼层，由于不同元素的电子数量不同，在最“高”楼层的电子数量也就不同，因此所能吸收的量化能量也会不同，造成了光谱上不同波长的黑线。换句话说，通过对比夫琅和费线的波长和已知元素吸收的光的特定波长，可以判断出太阳的化学元素成分，而这正是天体光谱学的核心理论。实际上太阳完整的光谱有非常多的“夫琅和费线”，下图中所有黑色处都是构成太阳的元素在各个波长的吸收光谱。我们也正是凭借着这些“黑线”了解了太阳几乎全部的化学构造。顺带一提氦气英文名叫Helium是因为英国天文学家洛克耶在分析太阳光谱时发现了一条之前不存在的“黑线”，他假定这是太阳中才有的元素固以希腊神话里的太阳神HelIOS命名。

清楚了光谱是咋回事，LIBS里的激光诱导击穿又是干啥呢？在几万光年外根据光谱分析能得出行星和恒星的化学成分构造，本质上是基于每个元素都有独一无二的吸收光谱这一特点，那这个原理反过来也同样适用。较“高”楼层的电子返回“低”楼层时会释放之前吸收的能量，也就是之前吸收的特定波长的光会再被释放出来，从“吸收”光谱变成“发射”光谱。生活中最常见的例子便是金属燃烧时不同颜色的火焰，铜燃烧时为蓝色火焰，锂为红色火焰，钙为橙色火焰，纳为黄色火焰，钡则为绿色火焰，每个元素都有着自己独特的发射光谱。

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。

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：

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。

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。

ChemCam工作原理

毅力号的同款SuperCam构造

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。

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。

好奇号的实际工作

人们认为好奇号的工作……