Perché i laser non durano a lungo nello spazio?

Jan 20 2021

Un articolo di notizie lo riporta

OSIRIS-REx è stato dotato di due laser affinché la sonda spaziale sparasse dalla roccia e studiasse l'eco per facilitarne l'atterraggio e la manovra di campionamento. ...

La maggior parte dei laser non dura a lungo nello spazio , quindi avere due laser funzionanti su un veicolo spaziale più vecchio di un decennio è raro, ha detto Dante Lauretta [investigatore principale per OSIRIS-REx]. "Avendo due nuovi laser che non abbiamo mai usato, sono davvero entusiasta di questo."

Cosa accorcia la vita di un tale laser, quando è su un veicolo spaziale?
(Sembra che ciò che viene accorciato sia la sua vita lavorativa; non si deteriora quando è spento.)

È un altimetro LIDAR aka raggio 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

Risposte

30 KarlKastor Jan 20 2021 at 08:48

Il documento "Laser Technology in Photonic Applications for Space" di Denis Guilhot e Pol Ribes-Pleguezuelo evidenzia alcuni dei problemi dei laser nello spazio:

Nel caso specifico dei diodi laser, l'indio utilizzato per confezionare il chip laser potrebbe rappresentare un rischio in caso di escursioni termiche estreme a causa del comportamento di scorrimento dell'indio che può portare al guasto fatale del dispositivo [135]. Inoltre, i regimi di alto vuoto possono persino causare cambiamenti nelle proprietà chimiche e fisiche dei componenti a causa della disidratazione [137]. Un altro problema comune per i cristalli e le fibre laser è l'effetto fotoscurante prodotto nei componenti ottici a causa dell'assorbimento delle radiazioni. Sono stati condotti molti studi sugli effetti di diversi tipi di radiazioni su vari materiali laser con rapporti di drogaggio differenti [138,139], che gli ingegneri spaziali fotonici dovrebbero controllare per selezionare i migliori candidati per i loro assemblaggi. Questo problema può essere facilmente risolto migliorando la schermatura dei componenti, tuttavia,il maggior spessore causato dagli strati aggiuntivi di materiale che proteggono i componenti aumenta il peso del dispositivo integrato, e spesso le sue dimensioni e il suo costo. Per questo motivo, i componenti devono essere accuratamente selezionati per una corrispondenza ottimale con i budget di radiazione della missione per garantire che l'uscita del laser mantenga le specifiche richieste per il lungo periodo operativo della missione senza incorrere in costi inutili causati da schermature aggiuntive.i componenti devono essere accuratamente selezionati per una corrispondenza ottimale con i budget di radiazione della missione per garantire che l'uscita del laser mantenga le specifiche richieste durante il lungo periodo operativo della missione senza incorrere in costi inutili causati da schermature aggiuntive.i componenti devono essere accuratamente selezionati per una corrispondenza ottimale con i budget di radiazione della missione per garantire che l'uscita del laser mantenga le specifiche richieste durante il lungo periodo operativo della missione senza incorrere in costi inutili causati da schermature aggiuntive.

[...]

Sia l'affidabilità che i fattori di costo sono requisiti importanti che spesso influenzano notevolmente la scelta del progetto, i primi influenzano anche il commercio di efficienza che deve essere fatto in termini di declassamento per la durata.

Il documento "Development of the Laser Altimeter (LIDAR) for Hayabusa2" di Mizuno et al. descrive come l'altimetro laser sull'orbiter lunare SELENE ha fallito, perché il diodo laser (LD) si è deteriorato:

È noto che il LD in un laser ad onda quasi continua ad alta potenza si deteriora con le oscillazioni del numero, diminuendo così l'uscita; in generale, la durata utile di un LD è di circa ($10^{9}$) colpi. Nel caso del LALT su SELENE, tuttavia, la potenza del laser ha iniziato a diminuire rapidamente a circa ($10^{7}$) colpi in orbita, anche se la potenza del laser è stata mantenuta oltre ($10^{8}$) scatti nei test di preflight. Abbiamo attribuito questo al deterioramento della produzione di LD

[...]

Dovevamo affrontare diversi problemi legati al laser. Vale a dire, (1) la sua vulnerabilità al cambiamento di temperatura, (2) la sua vulnerabilità allo stress meccanico e (3) la degradazione del LD. [...] Per quanto riguarda il problema (3), il degrado del LD, non siamo stati in grado di identificare la causa esatta del degrado.

In generale, i diodi laser sono influenzati dalle variazioni di temperatura e dalle radiazioni. La ricottura a una temperatura più alta può riparare i difetti nel cristallo, ma non sempre funziona: (dalla stessa carta)

Tuttavia, nei test del vuoto termico del modulo laser, la potenza di uscita del laser diminuiva quando la temperatura del laser veniva ridotta a 10 ° C o meno. Abbiamo anche riscontrato un guasto in cui l'uscita del laser non si ripristinava anche dopo il ritorno a temperatura ambiente, a causa del degrado del rapporto di estinzione delle celle di Pockels