我国火星车上的激光诱导击穿光谱仪究竟是干嘛的？ _火星车

来源｜原创：土星V号转载自：航天爱好者网

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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

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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？

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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。

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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。

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“夫琅和费线”

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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。

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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。

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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。