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為航天項目開發(fā)的光譜儀在地球上獲得廣泛應(yīng)用

▲ 釀酒行業(yè)利用光譜儀分析葡萄及葡萄酒的成分

20世紀(jì)90年代，美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）的科學(xué)家喬伊·克利斯普致力于為歐空局（ESA）執(zhí)行彗星探測任務(wù)的“羅塞塔”號探測器尋找一款技術(shù)先進(jìn)、堅固耐用、質(zhì)量輕巧的光譜儀。“羅塞塔”號探測器任務(wù)萌芽于1985年，在2004年發(fā)射，并于2014年8月順利與目標(biāo)彗星交會。然而，“羅塞塔”號探測器最終并未搭載喬伊·克利斯普推薦的光譜儀。

NASA最終選定的是一款聲光可調(diào)器（AOFT）型近紅外光譜儀。據(jù)了解，該光譜儀是在JPL于1992年授予的2項小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計劃合同的支持下，由位于美國馬里蘭州斯帕克斯市的布瑞斯（Brimrose）公司開發(fā)設(shè)計的。

每種物質(zhì)都有其獨特的“光譜特征”，這取決于其反射、吸收或發(fā)射的波的波長，而光譜儀就是一種能夠讀取物質(zhì)發(fā)射、反射和吸收光譜特征的儀器。該光譜儀主要利用近紅外光和可見光對目標(biāo)表面或物質(zhì)的化學(xué)組成進(jìn)行分析。與標(biāo)準(zhǔn)光譜儀不同的是，布瑞斯公司的光譜儀采用的AOFT技術(shù)在當(dāng)時仍是一種新技術(shù)。通常，光譜儀需要通過旋轉(zhuǎn)光柵或棱鏡分離不同波長的光，所以，這類設(shè)備都配有機(jī)械裝置對色散元件進(jìn)行位移和旋轉(zhuǎn)。而聲光濾波器是一種能響應(yīng)音調(diào)的聲光晶體。通過改變聲音的頻率，可以使光衍射成不同的頻帶，因此，該設(shè)備無需使用移動部件，設(shè)備也因此更為堅固耐用。如果搭載在“羅塞塔”號探測器的著陸器上，該光譜儀將測定彗星物質(zhì)的化學(xué)組成，分析結(jié)果對于研究太陽系和宇宙起源或?qū)a(chǎn)生重大影響?；蛟S未來有一天，該光譜儀還能成為分析火星等行星表面物質(zhì)的有效工具。

但在1996年，美國從“羅塞塔”號探測器的著陸器撤資，決定投資另一個成像裝置——哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，但哈勃太空望遠(yuǎn)鏡仍然需要進(jìn)行大量的修正。喬伊·克利斯普認(rèn)為：“如果AOTF光譜儀的性能能夠得到驗證，人們就不會質(zhì)疑這項新技術(shù)?！?/p>

布瑞斯公司在AOTF技術(shù)開發(fā)的早期階段，獲得了SBIR計劃合同的資助，幫助該公司開發(fā)了AOTF及其電子產(chǎn)品的制作工藝。NASA要求該光譜儀能夠耐受太空中的極端溫度環(huán)境和惡劣的輻射環(huán)境，且具有很低的功耗。此外，作為發(fā)射到太空中使用的設(shè)備，該光譜儀重量必須非常輕。布瑞斯公司早期的光譜儀重0.91kg～2.27kg，針對NASA的要求，通過使用輕質(zhì)金屬和小型、輕質(zhì)數(shù)字電子器件將該光譜儀的重量減輕至0.45kg。最終，所有NASA的要求基本都得到了滿足。事實上，這些要求使得該光譜儀具有較高的質(zhì)量性能，在地球上也具有較大的應(yīng)用潛力。

在布瑞斯公司與JPL合作的幾年里，近紅外光譜儀的應(yīng)用快速在多個行業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)張。其中，制藥行業(yè)是較早使用近紅外光譜儀的行業(yè)之一，主要將其用于監(jiān)測膠囊或片狀藥品的各項成分質(zhì)量、均一性，以及與相關(guān)要求與規(guī)定的相符性。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，近紅外光譜儀被用于測定種子的質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。釀酒行業(yè)使用近紅外光譜儀分析葡萄及葡萄酒的成分。石油行業(yè)使用近紅外光譜儀評估原油的品質(zhì)。在材料科學(xué)方面，近紅外光譜儀可用于薄膜材料厚度測量及研究。

▲ 布瑞斯公司開發(fā)的固態(tài)聲光可調(diào)濾光器型光譜儀

布瑞斯公司生產(chǎn)的近紅外光譜儀的堅固、輕質(zhì)、體積小，以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點使其在近紅外光譜儀快速發(fā)展的浪潮中占據(jù)了一席之地，使其早期產(chǎn)品如Luminar 3050微型光譜儀等獲得了成功。近年來，布瑞斯公司持續(xù)改進(jìn)其光譜儀技術(shù)，開發(fā)出了Luminar 4060自由空間分析儀和Luminar 5060手持式分析儀，保留了其產(chǎn)品在尺寸和性能方面的優(yōu)勢，且無需移動部件，具有每秒16000個波長的掃描能力。其緊湊型、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計使其可直接連接到制藥領(lǐng)域的攪拌機(jī)等設(shè)備上，實時測量混合物中的成分組成，并使其在達(dá)到恰當(dāng)?shù)某煞纸M成后停止攪拌。此外，其還可集成到機(jī)器人或其它機(jī)械裝置上，實時測量樣品的成分組成。其能量效率對于用戶來說非常具有吸引力，可幫助用戶節(jié)省開支，這也是用戶關(guān)注的最重要的目標(biāo)之一。據(jù)稱，布瑞斯公司的光譜儀產(chǎn)品的投資收回期有時僅為幾個月。

目前，布瑞斯公司可提供14 種AOTF光譜儀，與其初期產(chǎn)品相比，不僅在性能和便攜性方面進(jìn)行了改進(jìn)，還實現(xiàn)了現(xiàn)代化，包括引入了觸摸屏、延長了電池壽命、改為采用Linux系統(tǒng)、制造工藝更優(yōu)良、采用了更純凈的材料等。此外，布瑞斯公司還將其AOTF技術(shù)應(yīng)用到其它領(lǐng)域中。2014年6月，該公司推出了一系列超高速可調(diào)諧光源，利用聲光濾波器將光精確地調(diào)制到一種特定的、可調(diào)的波長。這一技術(shù)有望在醫(yī)學(xué)、微電子、光譜學(xué)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

2011年，布瑞斯公司的AOTF技術(shù)終于獲得了太空測試的機(jī)會。該公司研制的聲光調(diào)制器作為兩個同類設(shè)備之一被送至國際空間站，參與材料試驗任務(wù)。此次測試飛行的目的是檢驗這些設(shè)備能否承受住發(fā)射考驗和在惡劣太空環(huán)境下運行的考驗，將為其在太空領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要支撐。

(唐甜)

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