ทำไมเลเซอร์ถึงไม่อยู่ในอวกาศได้นาน?
ข่าวรายงานว่า
OSIRIS-REx ติดตั้งเลเซอร์สองตัวสำหรับยานอวกาศเพื่อยิงออกจากหินและศึกษาเสียงสะท้อนเพื่ออำนวยความสะดวกในการลงจอดและการซ้อมรบสุ่มตัวอย่าง ...
เลเซอร์ส่วนใหญ่ไม่สามารถอยู่ในอวกาศได้นานดังนั้นการมีเลเซอร์ที่ใช้งานได้สองตัวบนยานอวกาศที่มีอายุมากกว่าทศวรรษจึงเป็นเรื่องที่หายาก "การมีเลเซอร์ใหม่สองตัวที่เราไม่เคยใช้มาก่อนฉันรู้สึกตื่นเต้นกับสิ่งนั้นจริงๆ"
อะไรทำให้อายุการใช้งานของเลเซอร์สั้นลงเมื่ออยู่บนยานอวกาศ?
(ดูเหมือนว่าสิ่งที่สั้นลงคืออายุการใช้งานมันไม่ได้เสื่อมลงในขณะที่ปิด)
มันคือเครื่องวัดระยะสูงแบบเลเซอร์ LIDAR หรือที่เรียกว่า "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
คำตอบ
กระดาษ"Laser Technology in Photonic Applications for Space"โดย Denis Guilhot และ Pol Ribes-Pleguezuelo เน้นถึงปัญหาบางประการของเลเซอร์ในอวกาศ:
ในกรณีเฉพาะของไดโอดเลเซอร์อินเดียมที่ใช้บรรจุชิปเลเซอร์อาจแสดงถึงความเสี่ยงในกรณีที่มีช่วงอุณหภูมิสูงมากเนื่องจากพฤติกรรมการคืบของอินเดียมซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของอุปกรณ์ที่ร้ายแรงได้ [135] ยิ่งไปกว่านั้นระบบสุญญากาศสูงยังสามารถทำให้คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพของส่วนประกอบเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากการคายน้ำ [137] ปัญหาที่พบบ่อยอีกประการสำหรับผลึกเลเซอร์และเส้นใยคือผลกระทบจากแสงที่เกิดจากชิ้นส่วนออปติคอลเนื่องจากการดูดซับรังสี การศึกษาจำนวนมากได้ดำเนินการเกี่ยวกับผลกระทบของรังสีหลายประเภทบนวัสดุเลเซอร์ต่างๆที่มีอัตราส่วนยาสลบที่แตกต่างกัน [138,139] ซึ่งวิศวกรอวกาศโฟโตนิกควรตรวจสอบเพื่อเลือกผู้ที่ดีที่สุดสำหรับการประกอบ ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้อย่างง่ายดายโดยการปรับปรุงการป้องกันส่วนประกอบอย่างไรก็ตามความหนาที่เพิ่มขึ้นซึ่งเกิดจากชั้นพิเศษของวัสดุที่ปกป้องส่วนประกอบจะเพิ่มน้ำหนักของอุปกรณ์ในตัวและมักจะมีขนาดและราคา ด้วยเหตุนี้ส่วนประกอบจึงต้องได้รับการคัดเลือกอย่างรอบคอบเพื่อให้เหมาะสมกับงบประมาณการแผ่รังสีของภารกิจเพื่อให้แน่ใจว่าเอาต์พุตเลเซอร์จะคงคุณสมบัติที่ต้องการตลอดระยะเวลาการปฏิบัติงานที่ยาวนานของภารกิจโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายที่ไม่จำเป็นซึ่งเกิดจากการป้องกันเพิ่มเติมส่วนประกอบต้องได้รับการคัดเลือกอย่างรอบคอบเพื่อให้เหมาะสมกับงบประมาณการแผ่รังสีของภารกิจเพื่อให้แน่ใจว่าเอาต์พุตเลเซอร์จะคงคุณสมบัติที่ต้องการตลอดระยะเวลาการปฏิบัติงานที่ยาวนานของภารกิจโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายที่ไม่จำเป็นซึ่งเกิดจากการป้องกันเพิ่มเติมส่วนประกอบต้องได้รับการคัดเลือกอย่างรอบคอบเพื่อให้เหมาะสมกับงบประมาณการแผ่รังสีของภารกิจเพื่อให้แน่ใจว่าเอาต์พุตเลเซอร์จะคงคุณสมบัติที่ต้องการตลอดระยะเวลาการปฏิบัติงานที่ยาวนานของภารกิจโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายที่ไม่จำเป็นซึ่งเกิดจากการป้องกันเพิ่มเติม
[... ]
ทั้งปัจจัยด้านความน่าเชื่อถือและต้นทุนเป็นข้อกำหนดที่สำคัญซึ่งมักมีผลต่อการเลือกการออกแบบอย่างมาก แต่ก่อนหน้านี้ยังส่งผลต่อการค้าประสิทธิภาพที่จำเป็นต้องทำในแง่ของการลดอันดับสำหรับอายุการใช้งาน
กระดาษ"Development of the Laser Altimeter (LIDAR) for Hayabusa2"โดย Mizuno et al. อธิบายถึงวิธีการที่เครื่องวัดระยะสูงด้วยเลเซอร์บนยานสำรวจดวงจันทร์ SELENE ล้มเหลวเนื่องจาก Laser Diode (LD) เสื่อมสภาพ:
เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่า LD ในเลเซอร์คลื่นกึ่งต่อเนื่องกำลังสูงจะลดลงตามจำนวนการสั่นซึ่งส่งผลให้เอาต์พุตลดลง โดยทั่วไปแล้วอายุการใช้งานที่เป็นประโยชน์ของ LD นั้นอยู่ที่ประมาณ ($10^{9}$) ภาพ อย่างไรก็ตามในกรณีของ LALT บน SELENE พลังเลเซอร์เริ่มลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเวลาประมาณ ($10^{7}$) ภาพในวงโคจรแม้ว่าพลังงานเลเซอร์จะยังคงอยู่ ($10^{8}$) ภาพในการทดสอบไฟล่วงหน้า เราระบุว่าสิ่งนี้เกิดจากการเสื่อมสภาพของเอาต์พุต LD
[... ]
เราจำเป็นต้องรับมือกับปัญหาต่างๆที่เกี่ยวข้องกับเลเซอร์ ได้แก่ (1) ความเสี่ยงต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (2) ความเสี่ยงต่อความเครียดเชิงกลและ (3) การย่อยสลายของ LD [... ] เกี่ยวกับปัญหา (3) การย่อยสลายของ LD เราไม่สามารถระบุสาเหตุที่แท้จริงของการย่อยสลายได้
โดยทั่วไปไดโอดเลเซอร์จะได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและการแผ่รังสี การหลอมที่อุณหภูมิสูงขึ้นสามารถแก้ไขข้อบกพร่องในคริสตัลได้ แต่ก็ไม่ได้ผลเสมอไป: (จากกระดาษเดียวกัน)
อย่างไรก็ตามในการทดสอบสูญญากาศด้วยความร้อนของโมดูลเลเซอร์กำลังส่งออกของเลเซอร์จะลดลงเมื่ออุณหภูมิของเลเซอร์ลดลงเหลือ 10 ° C หรือน้อยกว่า นอกจากนี้เรายังพบข้อผิดพลาดที่เอาต์พุตเลเซอร์ไม่ฟื้นตัวแม้ว่าจะกลับสู่อุณหภูมิห้องแล้วก็ตามเนื่องจากการย่อยสลายของอัตราส่วนการสูญพันธุ์ของเซลล์ Pockels