Когда марсоход NASA Curiosity бродит по поверхности Марса, его ChemCam фиксирует химический состав окружающей среды с помощью специально разработанной лазерной системы. Это самый мощный лазер для работы на поверхности другой планеты. Вспышка инфракрасного света, который он испускает, длится всего несколько миллиардных долей секунды, но его мощности достаточно, чтобы испарить место, куда он попадает, при температуре более 8000°C. Даже на расстоянии ChemCam может исследовать горные породы и почву с помощью процесса, называемого спектроскопией лазерного пробоя (LIBS), при котором лазерные импульсы распыляют и возбуждают компоненты, а спектральные изображения фиксируют их химические сигнатуры.
Здесь, на Земле, ученые уже создают ChemCam следующего поколения с впечатляющими обновлениями и совершенно новыми спектральными возможностями для марсохода NASA Mars 2020 , названного в честь года его запланированного запуска. В дополнение к более быстрой системе LIBS, SuperCam будет оснащен совершенно новой лазерной системой с кондуктивным охлаждением, обеспечивающей возможность неразрушающего анализа спектроскопии рамановского рассеяния, способной обнаруживать углеродные сигнатуры органических материалов.
Совместно с Национальным центром космических исследований (CNES) и Научно-исследовательским институтом астрофизики и планетологии (IRAP) Thales Group находится на завершающей стадии испытаний компактной системы SuperCam, которая в конечном итоге выдержит суровые марсианские условия. Они уже построили и протестировали полноценную репрезентативную модель, результаты этого исследования будут представлены на лазерном конгрессе OSA, который пройдет 1–5 октября 2017 года в Нагое, Япония.
В отличие от функции Curiosity, предназначенной только для LIBS, этот новый инструмент сможет переключаться между режимом LIBS и рамановским режимом генерации, метод, который требует двух разных цветов лазера для возбуждения и измерения энергии молекулярных колебаний для его неразрушающей химической идентификации. Второй цвет создается кристаллом, который удваивает частоту 1064 нм, используемую для измерений LIBS, что теперь производит в 10 раз больше импульсов в каждой вспышке лазера для более быстрой выборки.
Этот второй луч с длиной волны 532 нанометра позволит Mars 2020 обнаруживать молекулярные структуры, свидетельствующие об органическом веществе — свидетельства прошлой жизни. Однако новая оптическая архитектура, необходимая для создания двух режимов работы, не обошлась без проблем.
Модернизированный генератор LIBS использует кристалл Nd:YAG с диодной накачкой, в отличие от Nd:KGW от ChemCam, который обеспечивает более длинные импульсы, но требует новых методов для обеспечения функциональности в широком диапазоне температур . Поскольку Nd:YAG поглощает в узком диапазоне частот для генерации при заданной температуре, SuperCam использует многоцветный многослойный диод, который может работать с широким спектром накачки для учета диапазона температур.
"Этот лазер работает в пакетном режиме, но с этим лазером мы можем сделать 1000 снимков за один раз, в то время как лазер ChemCam делает в 10 раз меньше", — сказал Эрик Дюран, один из разработчиков SuperCam в Thales Group, Франция. "Мы продольно накачиваем этот лазер с помощью стека, который представляет собой широкополосный излучатель, так что при изменении температуры кристалл ND: YAG все еще поглощает свет, и лазер можно использовать при температуре не менее 50–60 градусов без регулирования температуры".
Добавляя еще одну сложность к контролю температуры, кристалл KTP, производящий зеленый свет с удвоенной частотой, требовал дополнительной стабилизации.
"Самым трудным аспектом было достижение диапазона температур также с зеленой длиной волны, потому что мы должны поддерживать эффективность во всем диапазоне, а это было возможно только путем небольшого нагрева кристалла KTP", — сказал Дюран.
Температурная стабилизация, необходимая для того, чтобы система оставалась выровненной и работала в любом режиме, достаточно сложно достичь в лаборатории, но эта система была разработана для обеспечения такой же стабильности на марсоходе, когда он пересекает каменистую марсианскую местность. Кроме того, он должен соответствовать строгим ограничениям по размеру и весу, которые возникают в связи с космическими путешествиями, и не содержать загрязняющих веществ, которые могут разрушить его компоненты — подвиг, достигнутый за счет герметизации прибора с помощью лазерной сварки.
Надежные и мощные возможности нового SuperCam станут бесценным химическим зондом для марсохода Mars 2020 и могут принести нам на Землю целый ряд новых открытий.
