Почему лазеры не работают долго в космосе?
В новостной статье сообщается, что
OSIRIS-REx был оснащен двумя лазерами, позволяющими космическому кораблю стрелять по скале и изучать эхо, чтобы облегчить его посадку и маневр отбора проб. ...
Большинство лазеров недолговечны в космосе , поэтому наличие двух работающих лазеров на космическом корабле старше десяти лет - редкость, - сказал Данте Лауретта [главный исследователь OSIRIS-REx]. «Имея два новых лазера, которые мы никогда не использовали, я действительно в восторге от этого».
Что сокращает срок службы такого лазера, когда он находится на космическом корабле?
(Похоже, что сокращается срок его службы; при выключении он не портится.)
Это ЛИДАР или лазерный дальномер "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
Ответы
В статье Дени Гилхо и Пола Рибес-Плегесуэло «Лазерные технологии в фотонных приложениях для космоса» освещаются некоторые проблемы лазеров в космосе:
В конкретном случае лазерных диодов индий, используемый для упаковки лазерного чипа, может представлять опасность в случае экстремальных температурных диапазонов из-за ползучести индия, что может привести к фатальному отказу устройства [135]. Более того, режимы высокого вакуума могут даже вызывать изменения химических и физических свойств компонентов из-за дегидратации [137]. Другой распространенной проблемой для лазерных кристаллов и волокон является эффект фототемнения, возникающий в оптических компонентах из-за поглощения излучения. Было проведено множество исследований воздействия нескольких типов излучения на различные лазерные материалы с разной степенью допирования [138, 139], которые инженеры-фотонно-космические инженеры должны проверить, чтобы выбрать лучших кандидатов для своих сборок. Эту проблему легко решить, улучшив экранирование компонентов, однако,увеличенная толщина, вызванная дополнительными слоями материала, защищающего компоненты, увеличивает вес интегрированного устройства, а часто и его размер и стоимость. По этой причине компоненты должны быть тщательно отобраны для оптимального соответствия с бюджетами миссии по излучению, чтобы гарантировать, что выходная мощность лазера поддерживает требуемые характеристики в течение длительного периода работы миссии без ненужных затрат, вызванных дополнительным экранированием.Компоненты должны быть тщательно отобраны для оптимального соответствия с бюджетами миссии по излучению, чтобы гарантировать, что выходная мощность лазера поддерживает требуемые характеристики в течение длительного периода работы миссии без ненужных затрат, вызванных дополнительным экранированием.Компоненты должны быть тщательно отобраны для оптимального соответствия с бюджетами миссии по излучению, чтобы гарантировать, что выходная мощность лазера поддерживает требуемые характеристики в течение длительного периода работы миссии без ненужных затрат, вызванных дополнительным экранированием.
[...]
Факторы надежности и стоимости являются важными требованиями, которые часто сильно влияют на выбор конструкции, причем первые также влияют на эффективность, которая должна быть достигнута с точки зрения снижения номинальных характеристик в течение всего срока службы.
В статье «Разработка лазерного высотомера (LIDAR) для Hayabusa2» Мизуно и др. описывает, как лазерный высотомер на лунном орбитальном аппарате SELENE вышел из строя, потому что лазерный диод (LD) вышел из строя:
Известно, что LD в мощном лазере с квазинепрерывными волнами будет ухудшаться с колебаниями числа, таким образом уменьшая выходную мощность; вообще говоря, полезный срок службы LD составляет около ($10^{9}$) выстрелы. Однако в случае LALT на Селене мощность лазера начала быстро падать примерно при ($10^{7}$) выстрелов на орбите, хотя мощность лазера поддерживалась более ($10^{8}$) кадры при предполетных испытаниях. Мы связываем это с ухудшением выпуска ЛД.
[...]
Нам нужно было решить несколько проблем, связанных с лазером. А именно, (1) его уязвимость к изменению температуры, (2) его уязвимость к механическим воздействиям и (3) деградация LD. [...] Что касается проблемы (3), деградации LD, мы не смогли определить точную причину деградации.
Обычно лазерные диоды подвержены влиянию температурных изменений и излучения. Отжиг при более высокой температуре может исправить дефекты в кристалле, но не всегда работает: (из той же бумаги)
Однако в тепловакуумных испытаниях лазерного модуля выходная мощность лазера уменьшалась, когда температура лазера снижалась до 10 ° C или менее. Мы также обнаружили ошибку, в которой выходная мощность лазера не восстанавливалась даже после возврата к комнатной температуре из-за ухудшения коэффициента экстинкции ячеек Поккельса.