为航天项目开发的光谱仪在地球上获得广泛应用



为航天项目开发的光谱仪在地球上获得广泛应用

▲ 酿酒行业利用光谱仪分析葡萄及葡萄酒的成分

20世纪90年代，美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）的科学家乔伊·克利斯普致力于为欧空局（ESA）执行彗星探测任务的“罗塞塔”号探测器寻找一款技术先进、坚固耐用、质量轻巧的光谱仪。“罗塞塔”号探测器任务萌芽于1985年，在2004年发射，并于2014年8月顺利与目标彗星交会。然而，“罗塞塔”号探测器最终并未搭载乔伊·克利斯普推荐的光谱仪。

NASA最终选定的是一款声光可调器（AOFT）型近红外光谱仪。据了解，该光谱仪是在JPL于1992年授予的2项小企业创新研究（SBIR）计划合同的支持下，由位于美国马里兰州斯帕克斯市的布瑞斯（Brimrose）公司开发设计的。

每种物质都有其独特的“光谱特征”，这取决于其反射、吸收或发射的波的波长，而光谱仪就是一种能够读取物质发射、反射和吸收光谱特征的仪器。该光谱仪主要利用近红外光和可见光对目标表面或物质的化学组成进行分析。与标准光谱仪不同的是，布瑞斯公司的光谱仪采用的AOFT技术在当时仍是一种新技术。通常，光谱仪需要通过旋转光栅或棱镜分离不同波长的光，所以，这类设备都配有机械装置对色散元件进行位移和旋转。而声光滤波器是一种能响应音调的声光晶体。通过改变声音的频率，可以使光衍射成不同的频带，因此，该设备无需使用移动部件，设备也因此更为坚固耐用。如果搭载在“罗塞塔”号探测器的着陆器上，该光谱仪将测定彗星物质的化学组成，分析结果对于研究太阳系和宇宙起源或将产生重大影响。或许未来有一天，该光谱仪还能成为分析火星等行星表面物质的有效工具。

但在1996年，美国从“罗塞塔”号探测器的着陆器撤资，决定投资另一个成像装置——哈勃太空望远镜，但哈勃太空望远镜仍然需要进行大量的修正。乔伊·克利斯普认为：“如果AOTF光谱仪的性能能够得到验证，人们就不会质疑这项新技术。”

布瑞斯公司在AOTF技术开发的早期阶段，获得了SBIR计划合同的资助，帮助该公司开发了AOTF及其电子产品的制作工艺。NASA要求该光谱仪能够耐受太空中的极端温度环境和恶劣的辐射环境，且具有很低的功耗。此外，作为发射到太空中使用的设备，该光谱仪重量必须非常轻。布瑞斯公司早期的光谱仪重0.91kg～2.27kg，针对NASA的要求，通过使用轻质金属和小型、轻质数字电子器件将该光谱仪的重量减轻至0.45kg。最终，所有NASA的要求基本都得到了满足。事实上，这些要求使得该光谱仪具有较高的质量性能，在地球上也具有较大的应用潜力。

在布瑞斯公司与JPL合作的几年里，近红外光谱仪的应用快速在多个行业领域扩张。其中，制药行业是较早使用近红外光谱仪的行业之一，主要将其用于监测胶囊或片状药品的各项成分质量、均一性，以及与相关要求与规定的相符性。在农业领域，近红外光谱仪被用于测定种子的质量和农产品的质量。酿酒行业使用近红外光谱仪分析葡萄及葡萄酒的成分。石油行业使用近红外光谱仪评估原油的品质。在材料科学方面，近红外光谱仪可用于薄膜材料厚度测量及研究。

▲ 布瑞斯公司开发的固态声光可调滤光器型光谱仪

布瑞斯公司生产的近红外光谱仪的坚固、轻质、体积小，以及节能环保等优点使其在近红外光谱仪快速发展的浪潮中占据了一席之地，使其早期产品如Luminar 3050微型光谱仪等获得了成功。近年来，布瑞斯公司持续改进其光谱仪技术，开发出了Luminar 4060自由空间分析仪和Luminar 5060手持式分析仪，保留了其产品在尺寸和性能方面的优势，且无需移动部件，具有每秒16000个波长的扫描能力。其紧凑型、轻质结构设计使其可直接连接到制药领域的搅拌机等设备上，实时测量混合物中的成分组成，并使其在达到恰当的成分组成后停止搅拌。此外，其还可集成到机器人或其它机械装置上，实时测量样品的成分组成。其能量效率对于用户来说非常具有吸引力，可帮助用户节省开支，这也是用户关注的最重要的目标之一。据称，布瑞斯公司的光谱仪产品的投资收回期有时仅为几个月。

目前，布瑞斯公司可提供14 种AOTF光谱仪，与其初期产品相比，不仅在性能和便携性方面进行了改进，还实现了现代化，包括引入了触摸屏、延长了电池寿命、改为采用Linux系统、制造工艺更优良、采用了更纯净的材料等。此外，布瑞斯公司还将其AOTF技术应用到其它领域中。2014年6月，该公司推出了一系列超高速可调谐光源，利用声光滤波器将光精确地调制到一种特定的、可调的波长。这一技术有望在医学、微电子、光谱学等领域获得应用。

2011年，布瑞斯公司的AOTF技术终于获得了太空测试的机会。该公司研制的声光调制器作为两个同类设备之一被送至国际空间站，参与材料试验任务。此次测试飞行的目的是检验这些设备能否承受住发射考验和在恶劣太空环境下运行的考验，将为其在太空领域的应用提供重要支撑。

(唐甜)

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