為航天項目開發的光譜儀在地球上獲得廣泛應用

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為航天項目開發的光譜儀在地球上獲得廣泛應用

▲ 釀酒行業利用光譜儀分析葡萄及葡萄酒的成分

20世紀90年代，美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）的科學家喬伊·克利斯普致力于為歐空局（ESA）執行彗星探測任務的“羅塞塔”號探測器尋找一款技術先進、堅固耐用、質量輕巧的光譜儀。“羅塞塔”號探測器任務萌芽于1985年，在2004年發射，并于2014年8月順利與目標彗星交會。然而，“羅塞塔”號探測器最終并未搭載喬伊·克利斯普推薦的光譜儀。

NASA最終選定的是一款聲光可調器（AOFT）型近紅外光譜儀。據了解，該光譜儀是在JPL于1992年授予的2項小企業創新研究（SBIR）計劃合同的支持下，由位于美國馬里蘭州斯帕克斯市的布瑞斯（Brimrose）公司開發設計的。

每種物質都有其獨特的“光譜特征”，這取決于其反射、吸收或發射的波的波長，而光譜儀就是一種能夠讀取物質發射、反射和吸收光譜特征的儀器。該光譜儀主要利用近紅外光和可見光對目標表面或物質的化學組成進行分析。與標準光譜儀不同的是，布瑞斯公司的光譜儀采用的AOFT技術在當時仍是一種新技術。通常，光譜儀需要通過旋轉光柵或棱鏡分離不同波長的光，所以，這類設備都配有機械裝置對色散元件進行位移和旋轉。而聲光濾波器是一種能響應音調的聲光晶體。通過改變聲音的頻率，可以使光衍射成不同的頻帶，因此，該設備無需使用移動部件，設備也因此更為堅固耐用。如果搭載在“羅塞塔”號探測器的著陸器上，該光譜儀將測定彗星物質的化學組成，分析結果對于研究太陽系和宇宙起源或將產生重大影響。或許未來有一天，該光譜儀還能成為分析火星等行星表面物質的有效工具。

但在1996年，美國從“羅塞塔”號探測器的著陸器撤資，決定投資另一個成像裝置——哈勃太空望遠鏡，但哈勃太空望遠鏡仍然需要進行大量的修正。喬伊·克利斯普認為：“如果AOTF光譜儀的性能能夠得到驗證，人們就不會質疑這項新技術。”

布瑞斯公司在AOTF技術開發的早期階段，獲得了SBIR計劃合同的資助，幫助該公司開發了AOTF及其電子產品的制作工藝。NASA要求該光譜儀能夠耐受太空中的極端溫度環境和惡劣的輻射環境，且具有很低的功耗。此外，作為發射到太空中使用的設備，該光譜儀重量必須非常輕。布瑞斯公司早期的光譜儀重0.91kg～2.27kg，針對NASA的要求，通過使用輕質金屬和小型、輕質數字電子器件將該光譜儀的重量減輕至0.45kg。最終，所有NASA的要求基本都得到了滿足。事實上，這些要求使得該光譜儀具有較高的質量性能，在地球上也具有較大的應用潛力。

在布瑞斯公司與JPL合作的幾年里，近紅外光譜儀的應用快速在多個行業領域擴張。其中，制藥行業是較早使用近紅外光譜儀的行業之一，主要將其用于監測膠囊或片狀藥品的各項成分質量、均一性，以及與相關要求與規定的相符性。在農業領域，近紅外光譜儀被用于測定種子的質量和農產品的質量。釀酒行業使用近紅外光譜儀分析葡萄及葡萄酒的成分。石油行業使用近紅外光譜儀評估原油的品質。在材料科學方面，近紅外光譜儀可用于薄膜材料厚度測量及研究。

▲ 布瑞斯公司開發的固態聲光可調濾光器型光譜儀

布瑞斯公司生產的近紅外光譜儀的堅固、輕質、體積小，以及節能環保等優點使其在近紅外光譜儀快速發展的浪潮中占據了一席之地，使其早期產品如Luminar 3050微型光譜儀等獲得了成功。近年來，布瑞斯公司持續改進其光譜儀技術，開發出了Luminar 4060自由空間分析儀和Luminar 5060手持式分析儀，保留了其產品在尺寸和性能方面的優勢，且無需移動部件，具有每秒16000個波長的掃描能力。其緊湊型、輕質結構設計使其可直接連接到制藥領域的攪拌機等設備上，實時測量混合物中的成分組成，并使其在達到恰當的成分組成后停止攪拌。此外，其還可集成到機器人或其它機械裝置上，實時測量樣品的成分組成。其能量效率對于用戶來說非常具有吸引力，可幫助用戶節省開支，這也是用戶關注的最重要的目標之一。據稱，布瑞斯公司的光譜儀產品的投資收回期有時僅為幾個月。

目前，布瑞斯公司可提供14 種AOTF光譜儀，與其初期產品相比，不僅在性能和便攜性方面進行了改進，還實現了現代化，包括引入了觸摸屏、延長了電池壽命、改為采用Linux系統、制造工藝更優良、采用了更純凈的材料等。此外，布瑞斯公司還將其AOTF技術應用到其它領域中。2014年6月，該公司推出了一系列超高速可調諧光源，利用聲光濾波器將光精確地調制到一種特定的、可調的波長。這一技術有望在醫學、微電子、光譜學等領域獲得應用。

2011年，布瑞斯公司的AOTF技術終于獲得了太空測試的機會。該公司研制的聲光調制器作為兩個同類設備之一被送至國際空間站，參與材料試驗任務。此次測試飛行的目的是檢驗這些設備能否承受住發射考驗和在惡劣太空環境下運行的考驗，將為其在太空領域的應用提供重要支撐。

(唐甜)

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