Tại sao laser không tồn tại lâu trong không gian?

Jan 20 2021

Một bài báo đưa tin rằng

OSIRIS-REx được trang bị hai tia laser để tàu vũ trụ bắn ra khỏi đá và nghiên cứu tiếng vọng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc hạ cánh và lấy mẫu. ...

Hầu hết các tia laser không tồn tại lâu trong không gian , vì vậy việc có hai tia laser hoạt động trên một tàu vũ trụ cũ hơn một thập kỷ là rất hiếm, [điều tra viên chính của OSIRIS-REx] Dante Lauretta cho biết. "Có hai tia laser mới mà chúng tôi chưa bao giờ sử dụng, tôi thực sự rất vui mừng về điều đó."

Điều gì làm rút ngắn tuổi thọ của một tia laser như vậy, khi nó ở trên tàu vũ trụ?
(Nghe có vẻ như những gì bị rút ngắn là tuổi thọ hoạt động của nó; nó không xấu đi khi tắt.)

Đó là một LIDAR hay còn gọi là máy đo độ cao phạm vi 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

Trả lời

30 KarlKastor Jan 20 2021 at 08:48

Bài báo "Công nghệ laser trong ứng dụng quang tử trong không gian" của Denis Guilhot và Pol Ribes-Pleguezuelo nêu bật một số vấn đề của laser trong không gian:

Trong trường hợp cụ thể của điốt laze, indium được sử dụng để đóng gói chip laze có thể gây rủi ro trong trường hợp có phạm vi nhiệt độ khắc nghiệt do đặc tính rão của indium có thể dẫn đến hỏng thiết bị gây tử vong [135]. Hơn nữa, chế độ chân không cao thậm chí có thể gây ra những thay đổi về tính chất hóa học và vật lý của các thành phần do mất nước [137]. Một vấn đề phổ biến khác đối với các tinh thể và sợi laser là hiệu ứng photodarkening được tạo ra trong các thành phần quang học do hấp thụ bức xạ. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về ảnh hưởng của một số loại bức xạ trên các vật liệu laser khác nhau với các tỷ lệ pha tạp khác nhau [138,139], mà các kỹ sư không gian quang tử nên kiểm tra để chọn ra những ứng cử viên tốt nhất cho tổ hợp của họ. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được giải quyết dễ dàng bằng cách cải thiện việc che chắn các thành phần,độ dày tăng lên do các lớp vật liệu bổ sung bảo vệ các thành phần làm tăng trọng lượng của thiết bị tích hợp và thường là kích thước và giá thành của nó. Vì lý do đó, các thành phần phải được lựa chọn cẩn thận để phù hợp tối ưu với ngân sách bức xạ của sứ mệnh để đảm bảo rằng đầu ra laser duy trì các thông số kỹ thuật cần thiết trong thời gian hoạt động dài của sứ mệnh mà không phải chịu chi phí không cần thiết do che chắn thêm.các thành phần phải được lựa chọn cẩn thận để phù hợp tối ưu với ngân sách bức xạ của sứ mệnh để đảm bảo rằng đầu ra laser duy trì các thông số kỹ thuật cần thiết trong thời gian hoạt động lâu dài của sứ mệnh mà không phải chịu chi phí không cần thiết do che chắn thêm.các thành phần phải được lựa chọn cẩn thận để phù hợp tối ưu với ngân sách bức xạ của sứ mệnh để đảm bảo rằng đầu ra laser duy trì các thông số kỹ thuật cần thiết trong thời gian hoạt động lâu dài của sứ mệnh mà không phải chịu chi phí không cần thiết do che chắn thêm.

[...]

Cả hai yếu tố độ tin cậy và chi phí đều là những yêu cầu quan trọng thường ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn thiết kế, yếu tố trước đây cũng ảnh hưởng đến thương mại hiệu quả cần được thực hiện về đánh giá loại bỏ trong suốt cuộc đời.

Bài báo "Phát triển máy đo độ cao bằng laser (LIDAR) cho Hayabusa2" của Mizuno et al. mô tả cách máy đo độ cao laser trên tàu quỹ đạo mặt trăng SELENE bị lỗi do Diode Laser (LD) bị hư hỏng:

Người ta biết rằng LD trong laser sóng bán liên tục công suất cao sẽ suy giảm theo số lượng dao động, do đó giảm sản lượng; nói chung, thời gian tồn tại hữu ích của LD là khoảng ($10^{9}$) ảnh chụp. Tuy nhiên, trong trường hợp của LALT trên SELENE, công suất laser bắt đầu giảm nhanh chóng vào khoảng ($10^{7}$) ảnh chụp trong quỹ đạo, ngay cả khi công suất laser được duy trì trên ($10^{8}$) ảnh chụp trong các bài kiểm tra trước ánh sáng. Chúng tôi cho rằng điều này là do sản lượng LD bị suy giảm

[...]

Chúng tôi cần phải đối phó với một số vấn đề liên quan đến laser. Cụ thể, (1) tính dễ bị tổn thương của nó đối với sự thay đổi nhiệt độ, (2) tính dễ bị tổn thương của nó đối với ứng suất cơ học, và (3) sự suy thoái của LD. [...] Về vấn đề (3), sự xuống cấp của LD, chúng tôi không thể xác định được nguyên nhân chính xác của sự xuống cấp.

Nói chung, điốt laser bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ và bức xạ. Ủ ở nhiệt độ cao hơn có thể sửa chữa các khuyết tật trong tinh thể, nhưng không phải lúc nào nó cũng hoạt động: (từ cùng một loại giấy)