“祝融号”上的“火眼金睛”

刘玉柱 俞文杰

火星上也有吉祥物啦？

你不知道吧，冰墩墩、雪容融这两个小家伙居然也被送上了火星。没错，正是我国自主研制的“祝融号”火星车，让冰墩墩和雪容融成为第一个登陆外星的吉祥物……

截至2022 年5 月5 日，“祝融号”火星车已在火星表面工作347 个火星日，累计行驶1 921 米。为了顺利采集到全面的火星数据，这辆火星车全副武装，搭载了多种顶尖高科技探测装置，其中最炫酷的技术莫过于用来探测火星表面成分的“火眼金睛”——激光诱导击穿光谱技术（LIBS）！

到底什么是激光诱导击穿光谱技术？它又有哪些强大之处呢？

LIBS 如何探测火星

激光诱导击穿光谱技术的英文全称是“LaserInduced Breakdown Spectroscopy”，缩写为“LIBS”，它是一种超灵敏的光谱探测技术，用于物质成分的分析。

那么，它的原理到底是什么？

原子发射光谱的产生——电子跃迁

要明白LIBS 这项高大上技术的原理并非难事，在此之前，我们不妨先来了解一下物质的微观结构。众所周知，所有的物质都是由不同元素的原子构成的，而原子又是由原子核和大量电子构成的。这些电子遵循着不同轨道绕着原子核飞速运行，因为不同轨道上电子的能量不同，这就构成了不同的“能级”。然而，电子的运动情况并不是一成不变的，当受到外界的影响时，它们会在不同能级的轨道间“跳跃”，物理学上称之为“电子跃迁”。当电子从高能级轨道跃迁至低能级轨道时，便会发出一个光子，这个光子的能量正是两个轨道的能量差值。由于光子的波长只跟光子的能量相关，因此不同跃迁情况的电子发出的光子波长也不相同。

谱线波长——元素的“指纹”

事实上，不同元素的原子，其电子的轨道和跃迁情况都是完全不同的。因此，某种元素原子发出的光谱线只能是一些特定的数值，同时也成为这种元素专属的特征，就好比指纹一样，与其他元素都截然不同。利用这个特点，我们便可以根据谱线的不同波长情况来确定物质的元素成分，LIBS 正是利用了这一点。

LIBS 的原理——高能激光是关键

理解了元素的光谱“指纹”，我们就来看看LIBS 到底是什么原理吧。激光诱导击穿光谱技术中，高能量的脉冲激光束经透镜聚焦至待测的样品表面，由于激光有方向性好和亮度高的特点，聚焦后产生的极高能量会使照射点处的样品激发为等离子体。

什么是等离子体呢？简单点说，它是由不受原子核束缚的自由电子和带电的离子作为主要成分的一种物质形态。激光照射处的样品被激发为等离子体后，经过一段短暂的弛豫（物理学用语，指在某一个渐变物理过程中，从某一个状态逐渐地恢复到平衡态的过程），等离子体便会迅速发生膨胀与冷却，其中各种元素的原子与离子将会发射出各种特征波长的光子。光子被光谱仪收集获得光谱，经计算机的处理并与标准谱线数据比对分析后，便可以准确得知被测样品的元素成分了。

“祝融号”上的LIBS 装置

“祝融号”上搭载的LIBS 装置被安装在车辆头部，由于其功能强大，被网友戏称为“哪里不懂点哪里的激光炮”。探测时，火星车按指令到达预定位置，LIBS 装置向待测岩土发射高能激光，同时光谱仪收集产生的光谱信号，由通信装置传输至地球进行进一步的分析，获取火星表面的元素成分。

此外，火星车上还搭载了一台短波红外光谱探测仪，二者均为光谱技术，但原理不同。LIBS 基于原子发射光谱技术，用于探测元素成分，而红外光谱基于分子吸收光譜技术，用于获取分子成分。二者的数据相互补充，可大大提升探测的效率。

LIBS 还有别的应用吗

作为一种超灵敏的光电探测技术，激光诱导击穿光谱可以检测固、液、气所有形态的物质。由于其成本低、速度快且不需要样品预处理的优势，它已经在很多领域被广泛应用，空气污染探测、水质监测、海洋探测、碳排放监测、钢材型号鉴别、红木种类鉴别、材料分析、土壤重金属监测、食品安全监测等领域，都离不开它的身影。

目前，“祝融号”火星车所在区域已进入冬季，为了安全度过寒冬，“祝融号”设计了自主休眠的工作模式，在能源降低到一定程度后会自动进入休眠状态，等到环境条件逐渐转好后，再恢复正常工作模式，继续向地球传回宝贵的数据。

相信在未来的某一天，我们一定能踏上火星的土地。

最后，祝愿祖国的航天事业蒸蒸日上、蓬勃发展！