När NASA Curiosity -rovern vandrar runt på Mars yta, dess ChemCam fångar upp den kemiska sammansättningen av sin omgivning med ett specialdesignat lasersystem. Det är den mest kraftfulla lasern som fungerar på ytan av en annan planet. Utbrottet av infrarött ljus som det avfyrar varar bara några miljarder sekunder av sekunder, men den är tillräckligt kraftfull för att förånga den plats den träffar vid mer än 8, 000 ° C. Även på avstånd, ChemCam kan undersöka stenar och jord med en process som kallas Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), där laserburster atomiserar och exciterar komponenter och spektralbilder fångar deras kemiska signaturer.

Här på jorden, forskare bygger redan nästa generations ChemCam med imponerande uppgraderingar och helt nya spektrala funktioner för NASA Mars 2020 -rovern, namnet på året för den planerade lanseringen. Förutom ett snabbare LIBS -system, SuperCam kommer att ha ett helt nytt ledningskyldt lasersystem för att ge den icke-destruktiva analysförmågan för RAMAN-spektroskopi, kan upptäcka kolbaserade signaturer av organiska material.

Tillsammans med Center National d'Etudes Spatiales (CNES) och Research Institute in Astrophysics and Planetology (IRAP), Thales Group är i slutskedet med att testa det kompakta SuperCam -systemet som så småningom kommer att klara hårda Mars -förhållanden. De har redan byggt och testat en hel, representativ modell, resultaten av denna forskning kommer att presenteras under OSA Laserkongress, 1-5 oktober 2017 i Nagoya, Japan.

Till skillnad från Curiositys enda LIBS-funktion, detta nya instrument kommer att kunna växla mellan ett LIBS -läge och ett Raman -lasningsläge, en metod som kräver två olika laserfärger för att excitera och sondera molekylära vibrationsenergier för dess icke-destruktiva kemiska identifiering. Den andra färgen produceras av en kristall som fördubblar 1064 nanometerfrekvensen som används för LIBS -mätningar - som nu ger 10 gånger så många bilder i varje laserstråle för snabbare provtagning.

Denna andra, 532 nanometerstråle gör det möjligt för Mars 2020 att upptäcka molekylära strukturer som är uppenbara för organiskt material - bevis på tidigare liv. Den nya optiska arkitekturen som krävs för att producera de två driftlägena, dock, var inte utan sina utmaningar.

Den uppgraderade LIBS -oscillatorn använder en diodpumpad Nd:YAG -kristall, i motsats till ChemCams Nd:KGW, som ger längre skurar men kräver nya metoder för att säkerställa funktionalitet över ett stort temperaturintervall. Eftersom Nd:YAG absorberar över ett smalt intervall av frekvenser för att lase vid en given temperatur, SuperCam använder en mångfärgad staplad diod som kan pumpa med ett brett spektrum för att ta hänsyn till ett temperaturintervall.

"Denna laser körs i burst -läge, men med denna laser kan vi göra 1000 skott i ett skott medan ChemCam -lasern var 10 gånger mindre, "sa Eric Durand, en av SuperCams utvecklare på Thales Group, Frankrike. "Vi pumpar denna laser på längden med en stapel som är ett bredband som avger så att när temperaturen ändras, ND:YAG -kristallen absorberar fortfarande ljuset och lasern kan användas över minst 50 till 60 grader utan temperaturreglering. "

Lägga till ytterligare en komplikation till temperaturkontroll, KTP -kristallen som producerar det gröna, frekvensdubblat ljus krävde ytterligare stabilisering.

"Den svåraste aspekten var att uppnå temperaturintervallet också med den gröna våglängden eftersom vi måste behålla effektiviteten över hela intervallet, och det var bara möjligt genom att värma lite KTP -kristallen, sa Durand.

Den temperaturstabilisering som krävs för att hålla systemet i linje och fungera för båda lägena är svårt nog att uppnå i ett labb, men detta system var utformat för att ha samma stabilitet på rovern när det korsar den steniga Mars -terrängen. Dessutom, den måste uppfylla snäva storlek och viktbegränsningar som följer med rymdresor och hålla sig fri från föroreningar som skulle förstöra dess komponenter - en prestation som uppnås genom att försegla instrumentet med lasersvetsning.

Den robusta och kraftfulla förmågan hos den nya SuperCam kommer att vara en ovärderlig kemisk sond för Mars 2020 -rovern och kan bara väcka liv i en mängd nya fynd tillbaka till oss här på jorden.