Pourquoi les lasers ne durent-ils pas longtemps dans l'espace?
Un article de presse rapporte que
OSIRIS-REx était équipé de deux lasers pour que l'engin spatial décolle de la roche et étudie l'écho pour faciliter sa manœuvre d'atterrissage et d'échantillonnage. ...
La plupart des lasers ne durent pas longtemps dans l'espace , il est donc rare d'avoir deux lasers fonctionnels sur un vaisseau spatial de plus de dix ans, a déclaré Dante Lauretta [chercheur principal pour OSIRIS-REx]. "Avoir deux nouveaux lasers que nous n'avons jamais utilisés, je suis vraiment excité à ce sujet."
Qu'est-ce qui raccourcit la durée de vie d'un tel laser, lorsqu'il se trouve sur un vaisseau spatial?
(On dirait que ce qui est raccourci est sa durée de vie; il ne se détériore pas lorsqu'il est éteint.)
C'est un LIDAR alias altimètre laser, "OLA".
https://www.asteroidmission.org/objectives/instruments/
https://link.springer.com/article/10.1007/s11214-017-0375-3
https://www.asteroidmission.org/wp-content/uploads/2016/05/OLA-Schematic.png
Réponses
L'article «La technologie laser dans les applications photoniques pour l'espace» de Denis Guilhot et Pol Ribes-Pleguezuelo met en évidence certains des problèmes des lasers dans l'espace:
In the specific case of laser diodes, the indium used to package the laser chip could represent a risk in case of extreme temperatures ranges due to the indium creep behaviour that can lead to fatal device failure [135]. Moreover, high vacuum regimes can even cause changes in the chemical and physical properties of components due to dehydration [137]. Another common issue for the laser crystals and fibers is the photodarkening effect produced in optical components due to radiation absorption. Many studies have been performed on the effects of several types of radiation on various laser materials with different doping ratios [138,139], which photonic space engineers should check in order to select the best candidates for their assemblies. This issue can be easily solved by improving the components shielding, however, the increased thickness caused by the extra layers of material protecting the components increases the weight of the integrated device, and frequently its size and cost. For that reason, the components must be carefully selected for optimum match with the mission radiation budgets to ensure that the laser output maintains the required specifications over the long operational period of the mission without incurring in unnecessary cost caused by extra shielding.
[...]
La fiabilité et les facteurs de coût sont des exigences importantes qui affectent souvent considérablement le choix de conception, le premier affectant également le commerce d'efficacité qui doit être fait en termes de déclassement pour la durée de vie.
L'article «Développement de l'altimètre laser (LIDAR) pour Hayabusa2» par Mizuno et al. décrit comment l'altimètre laser de l'orbiteur lunaire SELENE a échoué, car la diode laser (LD) s'est détériorée:
On sait que la LD dans un laser à onde quasi continue de forte puissance se détériorera avec le nombre d'oscillations, diminuant ainsi la sortie; de manière générale, la durée de vie utile d'un LD est d'environ ($10^{9}$) coups. Dans le cas du LALT sur SELENE, cependant, la puissance du laser a commencé à diminuer rapidement à environ ($10^{7}$) coups en orbite, même si la puissance du laser a été maintenue sur ($10^{8}$) plans lors des tests de contrôle en amont. Nous avons attribué cela à la détérioration de la production de LD
[...]
Nous avons dû faire face à plusieurs problèmes liés au laser. À savoir, (1) sa vulnérabilité au changement de température, (2) sa vulnérabilité aux contraintes mécaniques, et (3) la dégradation de la LD. [...] Concernant le problème (3), la dégradation de la DL, nous n'avons pas pu identifier la cause exacte de la dégradation.
En général, les diodes laser sont affectées par les changements de température et le rayonnement. Le recuit à une température plus élevée peut corriger les défauts du cristal, mais cela ne fonctionne pas toujours: (à partir du même papier)
Cependant, dans les tests de vide thermique du module laser, la puissance de sortie du laser diminuait lorsque la température du laser était abaissée à 10 ° C ou moins. Nous avons également trouvé un défaut dans lequel la sortie laser ne s'est pas rétablie même après le retour à la température ambiante, en raison de la dégradation du taux d'extinction des cellules Pockels.