Analyse des roches et de l'atmosphère martiennes.

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Le CHEMCAM met en oeuvre la technique LIBS d'analyse spectroscopique induite par ablation laser. Le laser qui équipe le module CHEMCAM est un laser pulsé de forte puissance qui émet un rayonnement de longueur d'onde égale à 1067 nm. L'interaction du faisceau laser avec un matériau provoque un plasma. Les atomes et les ions éjectés et portés à des niveaux d'énergie excités émettent, en se désexcitant un rayonnement qui est analysé par spectroscopie entre 250 et 900 nm. Les longueurs d'onde des raies d'émission permettent d'identifier les éléments présents. l'intensité de l'émission est proportionnelle à la densité des atomes émetteurs.
1. Le laser.
1. Donner la signification de l'acronyme LASER et la décenie au cours de laquelle la première source laser a été mise au point.
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. 1960.

2. L'émission de lumière par les atomes de la roche cible est qualifiée de spontanée. La lumière émise par un laser He-Ne est obtenue par émission stimulée. Comparer ces deux types d'émission.
L'émission spontanée s'effectue spontanément et de fàçn isotrope. Les photons émis ne sont pas cohérents.
Dans l'émission stimuléel es photons émis ont la même direction que le photon incident. De plus les photons émis sont cohérents.
2. Le télescope.
Le télescope de CHEMCAM intègre différentes fonctions :
1. Focaliser le faisceau sur un échantillon distant.
2. Créer un plasma.
3. Collecter la lumière du plasma sur une filtre optique.
4. Faire des images de l'environnement autour du plasma.
Pour faire converger le faisceau laser et atteindre le seuil de 1 GW cm-2 sur la cible, le faisceau de diamètre 3,0 mm à l'origine doit être élargi. A  la sortie du laser, un doublet afocal ( lunette de Galilée montée à l'envers ) élargit le faisceau. celui-ci est ensuite injecté dans un télescope de type Cassegrain utilisé en émetteur. Le même télescope est utilisé en "récepteur " pour collecter la lumière émise par la cible.

Le schéma suivant correspond à un système en configuration afocale qui peut être modèlisé à l'aide de deux doublets afocaux constitués de lentilles simples positionnées sur un axe optique unique. 
Le "galiléen " est modèlisé par une lentille divergente L1 de focale f '1 = -21 mm suivie d'une lentille convergente de focale f '2 = 73 mm. ces deux lentilles constituent le premier doublet afocal.
Le miroir secondaire du télescope est assimilé à une lentille divergent L3 de focale f'3 = -13 mm et le miroir primaiire  est assimilé à une lentille convergente L4 de focale f ' 4 =115 mm. Ces deux lentilles constituent le second doublet afocal.
Les lentilles ne limitent pas l'étendue du faisceau. On suppose que le faisceau lumineux incident modèlisant le faisceau laser est cylindrique de diamètre 3,0 mm.
3. Schématiser le modèle optique proposé en illustrant la marche du faisceau à travers le système. Indiquer la position des foyers utiles de chacune des quatre lentilles, ainsi que les centres de celles-ci.

4. Calculer le diamètre du faisceau à la sortie du "galiléen" puis à la sortie du télescope.
tan a1 = 0,5(d'-d) / (7,3-2,1) 10-2) =0,5 d' /F2O2=0,5 d' / 0,073.
(d'-3) /(5,2 10-2) =d' / 0,073 ; 0,073(d' -3) = 0,052 d' ; d' = 10,4 mm.
tan a2 = 0,5(d''-d') / (11,5-1,3) 10-2) =0,5 d'' /F4O4=0,5 d'' / 0,115.
(d''-10,4) /0,102=d'' / 0,115 ; 0,115(d'' -10,4) = 0,102 d'. d'' = 92 mm.

5. Pour faire converger le faisceau laser sur la cible, on déplace l'élément le plus léger : le miroir secondaire du télescope, c'est à dire L3. Le doublet L3 - L4  n'est plus en configuration afocale.
Schématiser ce doublet L3 - L4 en illustrant la marche du faisceau aboutissant à une focalisation en A' sur l'axe optique.

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3. Le plasma.
Lorsque le faisceau laser est focalisé par le télescope, chaque tir laser crée un plasma lorsque l'irradiance ( ou éclairement ) / moyenne sur la cible est supérieure à Iseuil = 1 GW cm-2. Il faut donc maximiser l'énergie de sortie du laser et minimiser la durée de l'impulsion. Le laser délivre une énergie de 20 mJ pendant une durée d'impulsion de 6,0 ns avec un facteur de qualité du faisceau M2 de valeur 3. Compte tenu de l'efficacité des couches antireflets, de la réflectivité des miroirs et de l'obturation centrale du télescope, l'énergie perdue est importante : seulement 55 % de l'énergie du laser est reçue par la cible.
La taille w du spot ( waist , c'est à dire le rayon de la section du faisceau au niveau de la cible dépend de l'ouverture du télescope D ( 90 mm) et de la distance d à la cible par la relation : w =
2d M2 l / (p D).
6. Calculer l'irradiance au niveau d'une cible située à une distance de 7,00 m du télescope.
w = 2 x7,00 x3 x1067 10-9 /(3,14 x90 10-3) =1,58 10-4 ~1,6 10-4 m.
I = P / S = E h / (Dt p w2)= 20 10-3 x0,55 /(6,0 10-9x3,14 x(1,6 10-4)2) =2,28 1013 W m-2 ~2,3 109 W cm-2 = 2,3 GW cm-2, valeur supérieure à Iseuil.
7. La focalisation à 7,00 m pourrait être obtenue avec le "galiléen" seul en déplaçant L1 en alsence de L3-L4. Quelle valeur de l'irradiance obtiendrait-on dans ce cas ?
En sortie du galiléen, le diamètre du faisceau est de 10,4 mm. Dans l'hypothèse ou le diamètre de L2 est du même ordre :
w = 2 x7,00 x3 x1067 10-9 /(3,14 x10,4 10-3) =1,58 10-4 ~1,38 10-3 m.
I = P / S = E h / (Dt p w2)= 20 10-3 x0,55 /(6,0 10-9x3,14 x(1,38 10-3)2) =3,06 1011 W m-2 ~3,1 107 W cm-2 = 0,031 GW cm-2, valeur très inférieure à Iseuil.

8. En argumentant à partir de l'expression de w, formuler une hypothèse sur le phénomène qui est à l'origine de la taille du spot.
L'expression l d / D est caractéristique du phénomène de diffraction par l'ouverture du télescope.
9. A partir du graphique suivant, expliquer la fonction du dispositif optique appelé " laser dichroic".

A l'aide d'un flitre interférentiel, le télescope peut être utilisé en émission et en réception.
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4. Traces de méthane dans l'atmosphère.
La détermination de traces de méthane dans l'atmosphère martienne est réalisée par spectroscopie, dans une bande très étroite du domainr infrarouge, par mesure de l'absorbance entre une cellule contenant de l'atmosphère martienne et la même cellle vide. La proportion de méthane dans l'atmosphère martienne est de 0,18 ±0,67 ppB ( partie par milliard ). Cette expérience a été réalisée par l'équipe du MSL sur 147 échantillons.
  10. Comment sont obtenues les valeurs 0,18 et 0,67. Commenter le résultat.
0,18 est la moyenne des résultats obtenus à partir des 147 mesures.
0,67 est l'intervalle de confiance. Cette valeur étant supérieure à la moyenne, on ne peut pas affirmer de la présence de méthane dans l'atmosphère martienne.

11. Des mesures effectuées précédemment depuis la terre avaient donné des proportions de méthane de l'ordre de 10 ppB. Expliquer pourquoi le résultat obtenu par MSL a pu être considéré comme décevant.
Le résultat obtenu par le MSL permet de fixer une valeur supérieure ( 0,18 +0,67 = 0,85 ppB), valeur très inférieure à la concentration moyenne mesurée depuis la terre.
 


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