Alors que le rover Curiosity de la NASA parcourt la surface de Mars, sa ChemCam capture la composition chimique de son environnement avec un système laser spécialement conçu. C'est le laser le plus puissant à opérer à la surface d'une autre planète. L'éclat de lumière infrarouge qu'il tire ne dure que quelques milliardièmes de secondes, mais il est assez puissant pour vaporiser le spot qu'il frappe à plus de 8, 000°C. Même à distance, la ChemCam peut examiner les roches et le sol à l'aide d'un processus appelé spectroscopie de rupture induite par laser (LIBS), où les rafales laser atomisent et excitent les composants et les images spectrales capturent leurs signatures chimiques.

Ici sur Terre, les scientifiques construisent déjà la ChemCam de la prochaine génération avec des mises à niveau impressionnantes et de toutes nouvelles capacités spectrales pour le rover Mars 2020 de la NASA, nommé pour l'année de son lancement prévu. En plus d'un système LIBS plus rapide, la SuperCam comportera un tout nouveau système laser refroidi par conduction pour fournir la capacité d'analyse non destructive de la spectroscopie RAMAN, capable de détecter les signatures carbonées de matériaux organiques.

En collaboration avec le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) et l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), Le groupe Thales est en train de finaliser les tests du système compact SuperCam qui finira par supporter les dures conditions martiennes. Ils ont déjà construit et testé un modèle représentatif, les résultats de cette recherche seront présentés lors de l'OSA Laser Congress, 1-5 octobre 2017 à Nagoya, Japon.

Contrairement à la fonctionnalité LIBS uniquement de Curiosity, ce nouvel instrument pourra basculer entre un mode LIBS et un mode de laser Raman, une méthode qui nécessite deux couleurs laser différentes pour exciter et sonder les énergies de vibration moléculaire pour son identification chimique non destructive. La deuxième couleur est produite par un cristal qui double la fréquence de 1064 nanomètres utilisée pour les mesures LIBS - qui produit désormais 10 fois plus de tirs dans chaque rafale du laser pour un échantillonnage plus rapide.

Cette seconde, Un faisceau de 532 nanomètres permettra à Mars 2020 de détecter les structures moléculaires évidentes de la matière organique, preuves de la vie passée. La nouvelle architecture optique nécessaire pour réaliser les deux modes de fonctionnement, cependant, n'était pas sans défis.

L'oscillateur LIBS amélioré utilise un cristal Nd:YAG pompé par diode, contrairement au Nd:KGW de ChemCam, qui fournit les salves les plus longues mais nécessite de nouvelles méthodes pour assurer la fonctionnalité sur une large plage de températures. Parce que le Nd:YAG absorbe sur une plage étroite de fréquences pour émettre à une température donnée, la SuperCam utilise une diode empilée multicolore qui peut pomper avec un large spectre pour tenir compte d'une plage de températures.

"Ce laser fonctionne en mode rafale, mais avec ce laser on peut faire 1000 tirs en une seule rafale alors que le laser ChemCam était 10 fois moins, " a déclaré Eric Durand, l'un des développeurs de SuperCam chez Thales Group, La France. "Nous pompons longitudinalement ce laser avec un empilement qui est une émission large bande de sorte que lorsque la température change, le cristal ND:YAG absorbe toujours la lumière et le laser peut être utilisé sur au moins 50 à 60 degrés sans régulation de température."

Ajout d'une autre complication au contrôle de la température, le cristal KTP produisant le vert, une lumière doublée de fréquence nécessitait une stabilisation supplémentaire.

"L'aspect le plus difficile était d'atteindre la plage de température également avec la longueur d'onde verte car nous devons conserver l'efficacité sur toute la plage, et cela n'a été possible qu'en chauffant un peu le cristal KTP, " dit Durand.

La stabilisation de la température requise pour maintenir le système aligné et fonctionner pour l'un ou l'autre mode est suffisamment difficile à réaliser en laboratoire, mais ce système a été conçu pour avoir la même stabilité sur le rover lorsqu'il traverse le terrain rocheux martien. De plus, il doit respecter des restrictions strictes de taille et de poids qui accompagnent les voyages dans l'espace et rester exempt de contaminants qui détruiraient ses composants - un exploit réalisé en scellant l'instrument avec une soudure au laser.

Les capacités robustes et puissantes de la nouvelle SuperCam seront une sonde chimique inestimable pour le rover Mars 2020 et pourraient bien nous faire revivre toute une série de nouvelles découvertes ici sur Terre.