微型远程拉曼在深空探测中应用的可行性研究

微型远程拉曼在深空探测中应用的可行性研究 刘鑫 、 薛晨阳 、 熊继军 、 张文栋 �中北大学电子测试技术国家重点实验室 , 太原 , � � � ! ∀ # 摘 要 ∃ 拉受光谱仪以其可 以无损伤的对矿物质以及有机物进行分析的特性已经被誉为探索火星矿 物质的下一代工具 % 美国夏威夷大学研制的可移动拉受雷达系统的探测距离已经达到了 &∀ ∋ ( 。 本文分 析了微型远程拉受的研 究现状及其在深空探测上的应用前景 , 并根据实验结果得出远程拉受的测试距离 与激光功率 、 曝光时间及被测物质的空间立体角墓本成正 比 , 推导了远程拉受在深空探测中的可行性 , 并提出了远程拉受光谱仪的设计构想 , 为远程拉受的进一步研究提供可以借鉴的作用 % 关键词 ∃ 徽型拉受、 远程拉受、 深空探测 ) ∗ + ,+− ./0 /1/23 42 5 6 3 7 8 9 /: ;7 一< + ( 7 2+ < − ( − = >= ) ∗ + 4?− 2/− 1 ≅ Α ?∀� ; − 2/7 = Β>Χ Δ /= , Δ Χ ≅ Ε∗+= 3−= Φ , Δ >ΓΗ Ι ϑ/Κ5 = , & ΛΜ Η Ι Ν += 6 7 = Φ 困− 2/7 = − 1 Ο叮 Β− 0 7 ;−2 7 ;3 87 ; ≅ 1+:2 ; 7 = /+ 9 +− .5 ;+ ( += 2 ) ++ ∗= 7 17 Φ 3, Η 7 ;2 ∗ Χ = /Π + ;. /23 7 8 Ε∗ /= −% )− /3Χ −= , Ε∗ /= − # Μ 0 .2; − : 2 ∃ < − ( − = .?+ : 2;7 . + 7 ?3 ∗− . 0 + + = ;+ + 7 Φ = /Θ + 6 − . 2∗ + = + Α 2一Φ + = +;− 2/7 = /= .2;5 ( + = 2 87 ; 2∗+ +∗−; − +2+ ;/Θ−2 /7 = 7 8 ( /= + ;− 17 Φ /+ − 1−= 6 7 ;Φ −= /+ ( −2 + ;/− 1Ρ /2∗ 7 5 2 2∗+ = + +6 27 ?+ ;2 5 ;0 − .−( ?1+ 6 5 ;/= Φ + Α ?17 ;− 2/7 = 7 8 9 −; . % )∗ + ( 7 0 /1+ < −( −= 1/6 −; .3.2+ ( ∗ − . 0 + + = 6 + Π + 17 ?+ 6 87 ; .?+ + 2;− 1 ( + − .5 ;+ ( + = 2. 7 8 .−( ?1+ . 17 + − 2+ 6 ;+ ( 7 2+ 13 −2 ;−= Φ + . 7 8 Σ ∀∋ ( + 2+ ;. 0 3 2∗ + 5 = /Π+ ;./23 7 8 Λ −Ρ − // /= Μ ( + ;/+ − % ) ∗/. ;+?7 ;2 −= −13. + . ?;+ .+ = 2 . 25 6 3 −= 6 −? ?1/+ −2/7 = ?+ ;.?+ +2/Π + 6 5 ;/= Φ + Α ?17 ;− 2/7 = 7 8 ?1−= + 2 87 ; 9 /+;7 一< + ( 7 2+ < − ( − = % Μ = 6 − 2 2∗ + 0− .+ 7 8 +Α ?+;/( += 2, /2 ∀! ;+?7 ;2 + 6 2∗−2 2∗ + ( + − .5 ;+ ( += 2 6 /.2−= + + 7 8 < +( 72 + < −( −= ∀! −? ?;7 Α加 −2 + 13 6 /;+ + 2 ?;� ?7 ;2 /7 = 27 1− .+ ; ?7 Ρ + ;, + Α ?7 .−1 2/( + , >+= . 87 + 5 . , − = 6 2∗+ .?− 2/− 1 −= Φ 1+ 7 8 2∗+ .− ( ?1+ − = 6 6 + 6 5 + + 6 2∗− 2 < + ( 7 2+ < −( − = 87 ; 2∗ + .?− 2/− 1 + Α ?17 ;− 2/7 = ∀! 8+ − ./0 1+ % Τ + . /6 + .7 ( + = +Ρ 6 + . /Φ = = 7 2/7 = Ρ /11 0 + − 6 Π −= : + 6 − 07 5 2 < + ( 7 2+ < − ( − = .?+ +2; 7 ( + 2+ ; −= 6 − 112∗ +. + ( /Φ ∗ 2 Φ /Π + . 7 ( + ∗ + 1?. 87 ; 2∗ + 85 ;2∗ + ; .2 5 63 · Ο +3Ρ 7 ; 6 ∃ 9 /+ ;7 一< − ( − = , < +( 7 2+ < −( −= , 4?− 2 /− 1≅ Α ?17 ; −2 /7 = 月1Κ 青 形貌并发现和辨识岩石类型等方面发挥重要的作 用 。 Σ � �∋ 年 Υ 月 ς 日含载着人类智慧结晶的“凤 凰号 ”在美国成功发射 。在人类四十余年的太空探 索历程中 , 最重要的特点是探测器在重量 、 功能 等方面发生了巨大的变化 。 随着微 电子技术的发 展 , 特别是近年来以微型机电系统 �9 ≅ 9 .# 和 微型光机电系统 �9Γ ≅ 94 # 为代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的微米 Ω纳米 技术的发展 , 使得探测器在功能越来越强大的同 时有效载荷的质量和体积也在成倍的减小 。 拉曼 光谱仪以其 可以对固体 、 液体 、 气体进行化学以 及结构上的分析并且对物质无损伤的特性成为是 空间探测器的有效载荷之一 。 将在探测行星表面 ∀ 微型远程拉曼在深空探测 中的研 究现状 ∀ % ∀ 微型拉曼光谱仪的应用现状 光谱仪是对物质的结构及成分进行测最和分 析的基木设备 , 微小型光谱仪是集成了各学科领 域的先进技术成果而制成 。 它具有质量轻 、 体积 小 、 探测速度快 、 使用方便 、 可集成化 、 高灵敏 度 、 高分辨率等优点 , 结合其它探测手段 , 就可 用来探测行星表面形貌并发现和辨识岩石的类型 及其它光学特性 , 为在其它行星表面探测形貌及 新的岩石类型和岩石分布提供科学依据。 随着激光和计算机的出现 , 拉曼光谱的应用 在近 Σ � 年中有着长足的发展 , 应用遍及化学 、 矿 物学等各个领域 。 近来 , 研究者们致力于拉曼光 谱在户外的应用 , 由于其便携 、 对物质无破坏的 特性 , 微型拉曼光谱仪一经问世便受到了广泛的 关注1, Ξ。 艾拓思实验设备有限公司生产的 >=. Ψ+: 27; < −( −= 是一台手提式拉曼光谱仪 , 如图 ∀ 所示 , 它可以分析固体 、 液体 、 猫土和泥浆 。 凭着独特 的小型设计 , 它可以鉴定各种化学物质的结构 , 还可以穿过包装袋或瓶子进行测定 。 数据可通过 无线蓝牙技术或 Χ 4Τ 传输至 笔记 本电脑 的 Η 5. Ψ+ : 软件上 。 Ζ + 12−Η 5 数据库软件可无线扩展 光谱数据 , 鉴定未知物质和确定不同化合物的数 量 。 虽然分辨率不太高 , 但对于研究细粒的矿物 质成分来说已经足够∀ΣΞ % 挡滤光层可以限制边频带 , 所以单独一个楔形光 谱仪可以覆盖很宽的光谱范围。 美国亚利桑那州立大学几年前就研制了一种 微 型热 发 射光 谱 仪 �9/= / )∗ +;( −1 ≅( /../7 = 4?+ : 2;7 ( +2+ ;’9而一)≅ 4#。 9/= /·)≅ 4 是美国 Η Μ 4Μ 火星 Σ� � 登陆器中 Μ 2∗+= − 探测装置的一部分 , 如图 Σ 所示 。 它是一种傅立叶变换光谱仪 , 光谱 范围在 ! 一Σ Υ5 ( 分辨率达 ∀� +( ” 。 这种 9/= /一)≅ 4 主要设计用于矿物的遥感探测 。 9 /= /一) ≅4 只占全 部体积的 ∀! [ , 并且比以前发射的 9 4Ι )≅ 4 轻 Υ [ 。 这种以迈克尔孙干涉仪为基础的傅里叶光 谱技术广泛用于红外光谱法 , 其优点是分辨率高 、 杂散光影响小且有利于弱光检侧。 口 & 9/= 卜)≅ 4 光讲仪 圈 ∀ >= .? 7 :2 7; 手提式拉受光诺仪 ∀ % Σ 其它光谱仪在深空探测中的应用现状 美国− ;/(; 7 .+ 公司和 ϑ+ 2 ?;7 Ψ 5 1. /7 = 实验室联 合设计了一种徽型电晶体 Η >< 光谱仪 。 这种基于 声光可调旅光片�Μ Γ ) ≅# 的徽型光谱仪主要适用 于航天领域 , 是一种反射型近红外光谱仪 。 使用 发光二极管�Β ≅ Ζ #阵列作为光源 , 光纤作为光波 传输介质并且采用一种徽型 Μ Γ ) ,作为可调滤光 片 。光谱分析是通过各向异性声光作用来完成的 , 只要简单改变驱动 < , 频率控制声控动态光栅就 可以在宽带范围内快速调节波长 。 美国 Λ 5 Φ∗ +. .−= 2− Τ−;0 −;− 研究中心研制的线性楔形光谱仪�专利产品#是由一个微小楔状滤 光片和一个阵列检测器组成 , 可 以对多个光谱频 带进行检测 。 楔形光谱仪内有一个楔形的多层薄 膜介电材料构成的干扰滤光片 , 滤光片与二维检 测器紧邻 , 这样根据滤光片在不 同位置的带通 , 每一列检测器可 以接收不同光谱波段的能量 。 阻 ∀ % 拉受光谱仪在深空探测中的应用现状 近年来 , 对火星陨石的分析研究为了解火星 的矿物质构成提供了重要的信息来源 , 也对火星 探测工具的研制提供了借鉴 % 研究者们已经用拉 曼对最感兴趣的 4Η Ε 陨石 �早期三颗火星陨石的 首字母缩写 # 进行了无损伤的化学成分鉴定 ∀ ∀ 。 为拉曼光谱仪作为火星探测器的有效载荷提供了 基础 。 此外 , 漫游者号和登陆者号的出现使我们 可以探测星球表面更大的区域 , 为探测内容的可 挑选性提供了可能 , 为人类的火星探索铺平了道 路 。 目前 , 在研的用于星球表面分析的微型拉曼 光谱仪 , 主要有靠近式和远程式两种 , 且都被证 实可 以对有机物和无机物进行光谱分析 ∀ς∴ !Ξ 。 虽然 远程拉曼的应用目前尚存在困难 , 但是接近式拉 曼光谱仪已经被列为 ≅ Δ Γ 9Μ < 4 队4)≅ Χ < 的有 效载荷之一 。 现在 , 拉曼光谱仪己经与激光引起 的荧光辐射 �Β> ,≅ # 或衰减光谱 �Β> Τ ≅ #相结合 , 作为探索火星有机矿物质的下一代工具 ∀] 一∋Ξ 。 图 为夏威夷大学在实验室简单搭建的拉曼 与 Β>Τ ≅ 集成在一起的简单装置 , 可以在 ∀� ( 外 对物质进行探测 。 圈 ! 远程拉里 , 达系统示意圈 �,>一ς 为进镜 , Η , 为瑞丽泣光片# 图 ς 远程拉受应用在深空探测中的艺术圈示 Σ 实验结论及拉曼远程探测能力推算 拉曼散射对应各种激元激发对应的极化起 伏 。 当激光入射到样品表面时 , 光量子转移一部 分能量给散射分子 , 或者从散射分子中吸收一部 分能量 , 从而使它的频率发生改变∀∀ Ξ。 所以 , 散 射的强度是随着激光强度及入射时间的增加而增 加的 。 实验中我们测试了功率为 1 % .( Ρ , 曝光时 间从 ∀�! 到 ς�! 以及曝光时间为 ∀� ! , 功率从 � % 1( Ρ 到 .( Ρ 时单晶硅的拉曼谱线 。 靠近式拉曼光谱仪主要依靠机械臂探针的伸 缩 、 定位来聚焦被测物体 , 探测距离有一定的局 限性 , 一般仅为 ∀�( >4ϑ 。 而远程式拉曼光谱仪在 实验室阶段已经可 以对上百米以外的物质进行测 量 。 夏威夷大学地球物理和行星学院的 4 % Ο% 4∗⊥ − 等人针对 Η Μ 4Μ 的太空探测计划在远程拉曼的研究上取得了一系列突出的成果 。 �∋ 年研 制的可移动拉曼雷达系统 , 如图 ! 所示 , 采用一 面 ] Υ 厘米的可移动的镜子来聚焦和收集散射光 , 在对液态苯的拉曼光谱的试验中 , 用 ! Σ = ( 的激 光成功的将可测距离从以前的 177 ( _], , , ’“Ξ增加到 & ∀∋( , 并且具有很高的信噪比和分辨率〔川 。 如果 用紫外激光可 以使探测距离达到 ! ( , 虽然可 见光和近红外探测的灵敏度要比紫外探测低 ∀一Σ 个数量级 , 但是远程拉曼雷达可 以使激光更好的 在样品上聚焦 , 可探测的距离仍然可 以达到百米 以上 1’Σ】。 证明了拉曼光谱是对化学物质 、 矿物质 、 有机物以及生物材料远距离探测的有效工具 。 图 ∋ 不同功率对应的拉曼光谱 圈 Υ 功率与拉 % 散射强度的关系 图 Υ 显示当功率小于 1( Ρ 时 , 功率的增加与 波数不完全成线性关系 , 可能是由于信号过弱 , 受其它因素的干扰也越严重的原因造成的。 由图 ∋ 可知 , 当功率为 1( Ρ 时 , 信号虽然仍很弱 , 己 足够可以辨别 。 为此 , 我们把功率为 1( Ρ 、 眼光 时间为 ∀�! 时的辐照度 ≅ 作为所研究的远程拉曼 信号可辨别时需探测到的最小强度 。 进而推断出 在各种参数确定的情况下 , 理论上拉曼光谱仪的 远程探测能力 。 本实验采用的是 < ≅ Η >4Λ Μ Ν 公司的 >= Π/ − 型号光谱仪 , 图 ς 为 !� Α 镜头的模拟示意图 。 ;;;;; 圈 ⎯ 拉% 光诺仪镜头的模拟示惫圈 其中镜头的半径 ; 为 >: ( , 焦距 Β �以后的 公式中表示测试距离 # 为 �% .: ( 。 由三角关系很 容易的得出。α −;:. /= �; Ω石不下# 。 进而得出空间 立体角 Γ 与辐照度 ≅ 的关系式如下 ∃ 远程拉曼光谱仪的设计构想 由于很小的空间立体角对散射光收集的限 制 , 在远程拉曼光谱仪中采用一面大的平面镜来 收集散射光 , 将其反射到望远镜系统中, 使散射 光经过多次聚焦后到达探测器 , 可以极大的提高 探测距离。 此外 , 系统的自动调焦和大口径采光 也是必不可少的 。 传统的拉曼光谱仪应用在行星探测上的局限 性在于无法减小亮物质很强的荧光辐射 。 虽然近 红外激发可以很大程度上抑制荧光 , 但这样的光 谱仪构造复杂 , 不适于微型化 , 而且 , 长波段激 发也给探测系统带来了额外的困难 。 此外 , 由于 散射光十分徽弱 , 因此需要屏蔽杂散光 , 这又给 白天的测量造成了很大的困难∀]∀ 。 然而具有选通 门检测器的脉冲激光和调制光谱技术的应用 已经 很好得消除了日光背景和样品固有的荧光辐射 ∀] , ∀� Ξ 远距离探测最大的挑战是信噪比 �4Η < # 与 距离的平方成反比 % 除了采用脉冲激光与调制光 谱技术以外 , 大功率与高度聚焦的激光器也至关 重要 。参考文献 ∀� 中的雷达系统在其它地方改进 不多的情况下 , 将激光斑点在 ∀� �( 出由原来的 ∀! �⊥ 提高到了 !� ( ( , 探测距离便有了惊人的提高 。 此外 , 采用投射光谱技术可以很大程度上缩 小光谱仪的体积 。 结 论 � α ς劝 Ω ] � % α ς军 Α 留: ./= �; Ω ≅ α 护ς欢 Σ 幻 ς咸Σ 二.访� β Θ衍不三%# Σ ] �Θ 、 −;: .访 �β Θ了百不万∃二二一 �1 # �Σ #�ΒΣ χ ; &# Α ] � ’ �其中护辐射通量 # 当 Β δ δ ; 时 , 可近似得到 ∃ ≅ 峭 ∀ Α −;: ./= �; Ω Β#Β& Α ]� ’ � # 带入 ; 与 Β 的值计算得到功率为 1( Ρ 、 曝光 时间为 ∀�! 时的辐照度 ≅ 即远程拉曼信号可辨别 时需探测到的最小强度为 �% Υ∋ 甲 % ( 一 , 。 依据以上得 到的拉曼散射的强度与曝光时间及激光功率基本 成 正 比的 结论 , 利用 实验 室现 有设备可 实现 1一 ∀ �( 的拉曼远距离探测 。 本文系统的阐述了远程拉曼光谱仪在深空探 测中的应用现状及前景 。 实验结果证明 ∃ 远程拉 曼的测试距离与激光功率、 曝光时间 、 透镜焦距 以及被测物质的空间立体角基本成正比 。 随着光 谱仪光路系统的不断改善 , 大功率 、 高度聚焦的 激光器的发展 , 脉冲激光和 调制光谱技术以及投 射光谱技术的不断成熟 , 远程拉曼应用在探测行 星表面矿物质成分不再是遥不可及 , 而且也必将 在探索难以采集样品的物质 , 比如有毒物质时发 挥重要的作用 。 参考文献 川 Δ Χ ≅ Ε∗+= 3−= Φ % 4+ ( /: 7”65Ε2 7 ; 五>1= . Ψ+ : 2; 7 . :Γ? 3% 知 3Χ 即, Σ � � ∋ ∀Σ Ξ! % Ο % 4∗−= ”氏 Μ % Ο % 9 /.;− , 4羚6 >.( − /1−= 6 Χ % Η % 4 /= Φ∗ % <≅ 9 Γ) ≅ < 人9 Μ Η 4?≅ Ε ) < Γ 4ΕΓ ?ε Γ , φ 人< >ΓΧ 4 9 >Δ ≅ Ζ Μ Η Ζ ΕΓ 9 ?Γ 4>) ≅ 9俐≅ < Μ Β ?ΛΜ 4≅ 4 Μ) ∋ Σ ( Ζ >4 )ΜΗ Ε ≅ % Β5 = −; −= 6 ?1−= +2− ;3 4+ /+ = ++ % Σ � � ] , Σ Σ Υ ! ∀ Ξ,% <5 11, ϑ % 9−;2 /= + Θ 一,;/−. , Μ 名−= .幼。 , ϑ% 9 + 6 /= − −= 6 Λ % Ι % 9 % 创Ρ − ;6 . % Ε7( ?−;−2 /Π + ( /+ ; 7 一< − ( 胡 .25 63 7 8 2∗+ Η − γ∗ 1− −= 6 φ− + − 9 5 +;2 − ( +2 + 7 ;/ 2+ . % 4?++2;7 .+ , Σ� �ς , ! , ς ⎯ ∋ ∀ς ΞΜ % Ν −= 公 ΒΜ % Λ −. γ/= −= 6 ≅ % Ε 7 ;2 +Θ % ?;7 272 3? + < −( −= .? % : 2;7. + 7 ?/: 4 += . 7; 87 ; /= 4/2 5 9 /= + ;− 1 Ε∗−; −:2 +; /Θ−2 /7= 7 = ?1−= + 2− ;3 45;8− + +. % Μ ??> 4 ?++ 2; 7 .+ , ∀⎯ ⎯ Υ , ! Σ , ς ∋ ∋ ∀! ηϑ % Ζ % 42 7 Ψ−;’ 只 Ι % Β5 : +苏 ! % Ο % 4∗−;( − , Μ % Ο % 9 /.;− , Ι ϑ% 几317; −= 6Λ % Ν Λ Χ 001+ % Ψ , , 二 = + ( : /+ = Ε /+ . 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