Darby Dyar教授在Mt. Holyoke College的研究小組正在研究太陽(yáng)系中包括月球，火星和金星在內(nèi)的地外天體的地質(zhì)學(xué)。實(shí)驗(yàn)室主要使用不同形式的分析光譜，如莫斯堡爾、反射、拉曼和X射線。她的團(tuán)隊(duì)還利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)來定量表征不同的礦物。行星探測(cè)中的LIBS首次部署在好奇號(hào)火星車上使用的ChemCam儀器上，并已成為分析火星上復(fù)雜礦物的最重要工具之一。作為SuperCam儀器的一部分，LIBS也將包含在毅力號(hào)火星車的下一次火星探測(cè)任務(wù)中。

LIBS是一種將高功率激光脈沖聚焦到目標(biāo)(在本例中為地質(zhì)目標(biāo))上的技術(shù)，從而產(chǎn)生原子等離子體。當(dāng) LIBS 等離子體中的電子和原子重新組合時(shí)，它們會(huì)發(fā)射跨越紫外-近紅外波長(zhǎng)范圍的特征發(fā)射線。這些線可用于識(shí)別和量化目標(biāo)的元素組成。LIBS的優(yōu)點(diǎn)是它可以產(chǎn)生特征光譜，而無需與目標(biāo)接觸，遠(yuǎn)程檢測(cè)距離可達(dá)幾個(gè)。

對(duì)來自火星的LIBS數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析需要根據(jù)參考光譜和分析模型進(jìn)行校準(zhǔn)。參考數(shù)據(jù)應(yīng)反映主要由地球測(cè)量提供的各種礦物和化學(xué)變化。Dyar小組已經(jīng)建立了最大的地質(zhì)參考數(shù)據(jù)庫(kù)，包括3，500多個(gè)礦物物理樣本，并正在努力獲取參考數(shù)據(jù)，以改善當(dāng)前和未來火星，金星和月球任務(wù)的LIBS校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

圖 1：Mt. Holyoke 學(xué)院改進(jìn)的 SuperLIBS 儀器的 LIBS 光譜顯示，與上一代實(shí)驗(yàn)相比，分辨率和靈敏度都有所提高。

挑戰(zhàn)

礦物表征中的一個(gè)挑戰(zhàn)是礦物樣品的處理。LIBS數(shù)據(jù)對(duì)大氣成分和壓力非常敏感，因此必須在環(huán)境室中進(jìn)行測(cè)量。由于該項(xiàng)目的重點(diǎn)是確定火星、空氣和真空條件下不同礦物的 LIBS 光譜，因此打開 LIBS 室以更換單個(gè)樣品非常耗時(shí)，并且可能導(dǎo)致樣品組之間局部大氣環(huán)境的變化。

研究小組建立了一個(gè)系統(tǒng)，一次自動(dòng)測(cè)量100個(gè)樣品，以防止頻繁破壞真空或大氣環(huán)境。這導(dǎo)致使用了一個(gè)大的樣品室。該小組使用的樣品是直徑為1厘米的小顆粒，需要對(duì)其進(jìn)行100種不同的亞毫米測(cè)量。這需要高度對(duì)準(zhǔn)的光學(xué)設(shè)置，以及激光和樣品控制裝置的精確聚焦，以及高光收集效率和光學(xué)系統(tǒng)吞吐量，以實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)采集。

由于研究人員正在創(chuàng)建一個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，因此所使用的系統(tǒng)必須具有高分辨率和靈敏度，以確保地球礦物和化學(xué)變化的準(zhǔn)確光譜數(shù)據(jù)。雖然該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)格與當(dāng)前的火星任務(wù)相似，以確?？杀刃?，但它需要適應(yīng)未來任務(wù)的規(guī)格變化。

解決方案

為了解決這些挑戰(zhàn)，Dyar教授的實(shí)驗(yàn)室實(shí)施了三臺(tái)IsoPlane 160光譜儀，以及PIXIS相機(jī)和PI-MAX4 ICCD相機(jī)，以重建類似于SuperCam儀器的系統(tǒng)。PIXIS相機(jī)是使用定制的CCD傳感器與SuperCam中使用的設(shè)備相匹配的。其中一臺(tái)IsoPlane 160光譜儀使用PI-MAX4 ICCD相機(jī)，使用門控操作來測(cè)量LIBS等離子體復(fù)合發(fā)射的時(shí)間演變，時(shí)間演變低至納秒級(jí)。

該系統(tǒng)使用三通道“解復(fù)用”設(shè)備將收集的信號(hào)分成三個(gè)不同的波段，由其中一個(gè)等平面光譜儀尋址。定制設(shè)計(jì)的Acton Optics二向色鏡，以最大限度地提高信號(hào)耦合到每個(gè)通道，同時(shí)最大限度地減少任何帶外雜散光。然后，每個(gè)通道的信號(hào)被耦合到光纖束中，從而提高光收集效率，同時(shí)保持高分辨率。IsoPlane 160 的像差校正光學(xué)設(shè)計(jì)可確保最佳的信噪比，因?yàn)閬碜怨饫w束的光可以精確地聚焦在傳感器上。最終，IsoPlane的高靈敏度和靈活性使其成為大型樣品組和小樣品區(qū)域的理想解決方案。

審核編輯 黃宇