來源｜原創(chuàng)：土星V號轉(zhuǎn)載自：航天愛好者網(wǎng)

作者說

在發(fā)射天問一號的長征5號火箭整流罩外，除了常見的CNSA的徽標(biāo)外，還很罕見的看到了法國國家空間研究中心（CNES）的徽標(biāo)。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(guān)鍵探測器之一，一個(gè)名字聽上去相當(dāng)科幻的“激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀”，具體而言CNES提供了該儀器校準(zhǔn)和測試方面的幫助。為簡化以下以該技術(shù)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(quán)發(fā)表

昨天正式曝光的中國火星車（尚未公開命名）外觀，LIBS裝在哪里呢？

我知道，每次說一個(gè)太空用到的科技都好像是在把已知的技術(shù)名詞隨便堆疊起來然后發(fā)明個(gè)新詞一樣。但實(shí)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(jīng)伴隨了天文學(xué)幾個(gè)世紀(jì)，要理解“激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀”，當(dāng)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后，物理學(xué)家們便開始了對散射光的研究。由于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，比整體棱鏡更容易制造的光柵鏡面隨后誕生。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(chǎn)生不同角度的反射，進(jìn)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(zhǔn)的光譜得以誕生。

光柵的原理

不過當(dāng)?shù)聡茖W(xué)家夫瑯和費(fèi)把光譜儀對準(zhǔn)太陽時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)太陽光譜在特定的波長會產(chǎn)生黑線，仿佛光到這個(gè)波長就戛然而止，在波長和光強(qiáng)度的對比圖上形成一個(gè)又一個(gè)凹陷。頗為費(fèi)解的夫瑯和費(fèi)總共找到了570跳黑線，并用字母A到K標(biāo)出了11條最明顯的，他猜想有可能是太陽外圍有某些化學(xué)元素只會吸收特定波長的光，導(dǎo)致該波長的太陽光在到達(dá)地球前就已經(jīng)被吸收。不過這個(gè)假設(shè)意味著這些奇特的化學(xué)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瑯和費(fèi)自己接受，“夫瑯和費(fèi)線”的謎團(tuán)直到量子力學(xué)的誕生才得以解開。

“夫瑯和費(fèi)線”

波長vs密度的“夫瑯和費(fèi)線”

事實(shí)上夫瑯和費(fèi)只猜對了一半，黑線的確是因?yàn)榛瘜W(xué)元素吸收特定波長的光而導(dǎo)致的，只不過不是哪些特定的化學(xué)元素，而是全部的化學(xué)元素。根據(jù)量子力學(xué)理論，能量并不是連續(xù)的而是量化的（想詳細(xì)了解的同學(xué)，可以去看《上帝擲骰子嗎——量子力學(xué)史話》這本書，通俗易懂，主頁君注），就像樓層一樣，如果把質(zhì)子比作0層，那么最近的電子就在1層，1層填滿后就到2層，隨著層數(shù)增加每層所能容納的電子數(shù)量也增多，以此類推。

某種意義上來說量子力學(xué)是1234567……

當(dāng)電子吸收外界能量后會到更“高”的樓層，由于不同元素的電子數(shù)量不同，在最“高”樓層的電子數(shù)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，通過對比夫瑯和費(fèi)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(xué)元素成分，而這正是天體光譜學(xué)的核心理論。實(shí)際上太陽完整的光譜有非常多的“夫瑯和費(fèi)線”，下圖中所有黑色處都是構(gòu)成太陽的元素在各個(gè)波長的吸收光譜。我們也正是憑借著這些“黑線”了解了太陽幾乎全部的化學(xué)構(gòu)造。順帶一提氦氣英文名叫Helium是因?yàn)橛煳膶W(xué)家洛克耶在分析太陽光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)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里的太陽神HelIOS命名。

清楚了光譜是咋回事，LIBS里的激光誘導(dǎo)擊穿又是干啥呢？在幾萬光年外根據(jù)光譜分析能得出行星和恒星的化學(xué)成分構(gòu)造，本質(zhì)上是基于每個(gè)元素都有獨(dú)一無二的吸收光譜這一特點(diǎn)，那這個(gè)原理反過來也同樣適用。較“高”樓層的電子返回“低”樓層時(shí)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(fā)射”光譜。生活中最常見的例子便是金屬燃燒時(shí)不同顏色的火焰，銅燃燒時(shí)為藍(lán)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(gè)元素都有著自己獨(dú)特的發(fā)射光譜。

電子“回家”的發(fā)射光譜

所以理論上來講，若要分析一個(gè)化合物的化學(xué)成分，只需要將這個(gè)化合物點(diǎn)燃而后在分析其火焰的光譜即可。當(dāng)然先不說有的化合物的燃點(diǎn)乃至熔點(diǎn)會非常高，絕大多數(shù)情況下都會想以不破壞樣本自身的形式來完成分析，這時(shí)候就輪到激光出場了。相比較點(diǎn)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(xué)的激光，有能在極短的時(shí)間極小的范圍內(nèi)釋放巨大能量這獨(dú)一無二的優(yōu)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后在極短時(shí)間內(nèi)釋放出的光，在不損害樣本的前提下，構(gòu)成一個(gè)發(fā)射光譜進(jìn)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(qū)域快速發(fā)射脈沖激光，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(xué)鍵迅速分解，元素內(nèi)部電子瞬間被激發(fā)到更高的軌道。隨后等離子體超音速膨脹并在10微秒（10^-6秒）后迅速降溫，被激發(fā)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(xué)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(gè)明顯的峰值，學(xué)名叫做巴爾末系a線，對應(yīng)的是氫原子的電子從n=3返回到n=2時(shí)釋放的光，準(zhǔn)確波長在656.3納米，對應(yīng)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?yàn)榈入x子體產(chǎn)生的時(shí)間非常短，很容易受到比如水的折射在內(nèi)的外在環(huán)境影響。因此針對成分復(fù)雜的樣本，LIBS往往需要成百乃至上千次激光，獲得大量光譜后綜合分析數(shù)據(jù)以減少外在環(huán)境對單次采樣的影響。好在哪怕1000次激光也才只損耗約1微克質(zhì)量，且單次取樣時(shí)間極短，并不會對樣本或?qū)嶋H采集產(chǎn)生負(fù)面影響。

正因?yàn)長IBS非接觸式樣本成分分析的特點(diǎn)，使其特別適合外太空探測器使用。采用LIBS技術(shù)的ChemCam跟隨好奇號火星車在2012年到達(dá)了火星表面，我們常說的好奇號“頭”上的“眼睛”便是ChemCam的激光發(fā)射器，用來發(fā)射5納秒脈沖紅外激光，在7米內(nèi)的范圍內(nèi)等離子化火星土壤。而后激光發(fā)射器下的110毫米鏡頭相機(jī)將等離子態(tài)下火星土壤發(fā)射的光通過光纖傳遞給車體內(nèi)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(gòu)造

一塊火星石頭對應(yīng)的化學(xué)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采用LIBS技術(shù)的儀器，在好奇號沒有到的地方繼續(xù)進(jìn)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(qū)域，其他火星降落器位置也標(biāo)注在圖中。

為了能讓光譜儀取得精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行先期校準(zhǔn)和測試，比如將已知波長的激光打入光譜儀內(nèi)，確保光譜儀能將激光散射到對應(yīng)的正確波長。除此之外激光和相機(jī)以納秒計(jì)算的配合也十分重要，相機(jī)開機(jī)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(jī)過晚捕捉不到足夠量的發(fā)射光無法完整光譜。由于有好奇號的ChemCam和毅力號的SuperCam兩個(gè)LIBS儀器的經(jīng)驗(yàn)，CNES因此伸出了援手幫助完成了天問一號火星車LIBS的校準(zhǔn)和測試，畢竟探索火星的探測器從來不嫌多。

我想最后還是以CNES自己做的自嘲PPT截圖來結(jié)束吧。