Миниатюрные лазерные системы для поиска следов жизни в космосе
Европейское космическое агентство (ESA) с миссией ExoMars пытается ответить на вопрос, была ли жизнь на Марсе. Россия является участником миссии, запуск которой запланирован на эту осень, хотя последние политические события ставят под вопрос его возможность. Частью миссии является аналитическая система, созданная для работы в космосе в рамках исследований Института прикладной оптики и точной механики Фраунгофера (IOF). Исследователи из Йены разработали миниатюрный лазерный модуль для мобильной лаборатории марсохода ExoMars. Этот рамановский спектрометр размером с 50-центовую монету, оснащённый диодно-накачанным твердотельным лазером, будет представлен институтом на выставке Laser World of Photonics в Мюнхене с 26 по 29 апреля.
Марсоход "Розалинд Франклин" будет анализировать минералогический состав поверхности Марса, находящегося примерно в 56 миллионах километров от Земли, чтобы искать следы внеземной жизни. Для этого аппарат оснащён бортовым буром и набором научных приборов. Один из них — рамановский спектрометр. Он может анализировать рассеяние света молекулами, например, в атмосфере, или твёрдыми образцами, такими как горные породы. Центральным элементом сильно миниатюризированного и пригодного для космоса лазерного источника спектрометра является диодно-накачанный твердотельный лазер с удвоением частоты, созданный в Fraunhofer IOF в Йене.
Принцип работы рамановского спектрометра: излучаемый лазерный свет взаимодействует с анализируемым материалом, вызывая "эффект Рамана". Энергия света передаётся материалу и возвращается обратно. Это изменяет энергию света, смещая его длину волны. Затем свет рассеивается обратно в спектрометр, где анализируются изменения длины волны. Разница между новой частотой и исходной частотой излучаемого света позволяет сделать выводы о составе материала.
Крошечные компоненты, но невероятно прочные
Созданный в Йене зелёный лазер работает на длине волны 532 нанометра и имеет мощность более 100 мегаватт. "В общей сложности наши исследователи вложили семь лет разработки, чтобы адаптировать модуль к специфическим условиям работы в космосе", — объясняет д-р Эрик Беккерт, руководитель проекта по лазеру для ExoMars в Fraunhofer IOF. Одна из типичных проблем для космических проектов — необходимость особо малых размеров и веса компонентов. Например, лазер с корпусом добавляет марсоходу всего 50 граммов веса, что эквивалентно половине плитки шоколада.
Но, будучи миниатюризированным, он должен обеспечивать тот же уровень производительности и надёжности. Чувствительные оптические компоненты также должны быть сконструированы так, чтобы выдерживать перепады температур от -130 до +24 градусов, значительное радиационное воздействие в космосе, а также сильную вибрацию при запуске и посадке марсохода.
Обычные методы сборки оптических компонентов не подходят для таких экстремальных условий. "Поэтому мы соединили все компоненты чувствительного лазерного резонатора и вторичной оптики с помощью лазерной пайки", — поясняет Беккерт. "Это обеспечивает особо высокую стабильность при тепловых и механических воздействиях и интенсивном облучении". Совместно с испанским производителем лазеров Monocrom институт из Йены за годы создал в общей сложности пять конструктивно идентичных лазеров для использования в рамановском спектрометре. Теперь исследователи надеются, что их технология скоро отправится в космос с марсианской миссией.