Darby Dyar教授在Mt. Holyoke College的研究小組正在研究太陽系中包括月球，火星和金星在內的地外天體的地質學。實驗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。她的團隊還利用激光誘導擊穿光譜(LIBS)來定量表征不同的礦物。行星探測中的LIBS首次部署在好奇號火星車上使用的ChemCam儀器上，并已成為分析火星上復雜礦物的最重要工具之一。作為SuperCam儀器的一部分，LIBS也將包含在毅力號火星車的下一次火星探測任務中。

LIBS是一種將高功率激光脈沖聚焦到目標(在本例中為地質目標)上的技術，從而產生原子等離子體。當 LIBS 等離子體中的電子和原子重新組合時，它們會發射跨越紫外-近紅外波長范圍的特征發射線。這些線可用于識別和量化目標的元素組成。LIBS的優點是它可以產生特征光譜，而無需與目標接觸，遠程檢測距離可達幾個。

對來自火星的LIBS數據進行定量分析需要根據參考光譜和分析模型進行校準。參考數據應反映主要由地球測量提供的各種礦物和化學變化。Dyar小組已經建立了最大的地質參考數據庫，包括3，500多個礦物物理樣本，并正在努力獲取參考數據，以改善當前和未來火星，金星和月球任務的LIBS校準數據。

圖 1：Mt. Holyoke 學院改進的 SuperLIBS 儀器的 LIBS 光譜顯示，與上一代實驗相比，分辨率和靈敏度都有所提高。

挑戰

礦物表征中的一個挑戰是礦物樣品的處理。LIBS數據對大氣成分和壓力非常敏感，因此必須在環境室中進行測量。由于該項目的重點是確定火星、空氣和真空條件下不同礦物的 LIBS 光譜，因此打開 LIBS 室以更換單個樣品非常耗時，并且可能導致樣品組之間局部大氣環境的變化。

研究小組建立了一個系統，一次自動測量100個樣品，以防止頻繁破壞真空或大氣環境。這導致使用了一個大的樣品室。該小組使用的樣品是直徑為1厘米的小顆粒，需要對其進行100種不同的亞毫米測量。這需要高度對準的光學設置，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系統吞吐量，以實現高效的信號采集。

由于研究人員正在創建一個校準數據庫，因此所使用的系統必須具有高分辨率和靈敏度，以確保地球礦物和化學變化的準確光譜數據。雖然該系統的設計規格與當前的火星任務相似，以確保可比性，但它需要適應未來任務的規格變化。

解決方案

為了解決這些挑戰，Dyar教授的實驗室實施了三臺IsoPlane 160光譜儀，以及PIXIS相機和PI-MAX4 ICCD相機，以重建類似于SuperCam儀器的系統。PIXIS相機是使用定制的CCD傳感器與SuperCam中使用的設備相匹配的。其中一臺IsoPlane 160光譜儀使用PI-MAX4 ICCD相機，使用門控操作來測量LIBS等離子體復合發射的時間演變，時間演變低至納秒級。

該系統使用三通道“解復用”設備將收集的信號分成三個不同的波段，由其中一個等平面光譜儀尋址。定制設計的Acton Optics二向色鏡，以最大限度地提高信號耦合到每個通道，同時最大限度地減少任何帶外雜散光。然后，每個通道的信號被耦合到光纖束中，從而提高光收集效率，同時保持高分辨率。IsoPlane 160 的像差校正光學設計可確保最佳的信噪比，因為來自光纖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域的理想解決方案。

審核編輯 黃宇