Frekvenčně stabilní laserové systémy pro vesmír

JOKARUS-Nutzlast: Für den ersten optischen Frequenzstandard auf Basis von molekularem Jod im Weltraum. (© HU Berlin/Franz Gutsch) / JOKARUS payload: Použit k demonstraci prvního optického frekvenčního standardu založeného na molekulárním jódu ve vesmíru. (© HU Berlin/Franz Gutsch)

Srdcem experimentu JOKARUS: úspěšně použitý ve vesmíru: mikrointegrovaný diodový laserový modul (ECDL-MOPA) z Ferdinand-Braun-Institutu, emitující při vlnové délce 1064 nm. (© FBH/schurian.com) / Hlavní část experimentu JOKARUS: úspěšně použitý ve vesmíru: mikrointegrovaný diodový laserový modul (ECDL-MOPA) z Ferdinand-Braun-Institutu, emitující při vlnové délce 1064 nm. (© FBH/schurian.com)

Poprvé byla úspěšně demonstrována frekvenční reference založená na molekulárním jódu ve vesmíru! To, co zní trochu jako vědecká fikce, je důležitým krokem k laserovému interferometrii vzdáleností mezi satelity nebo také pro budoucí globální navigační satelitní systémy založené na optických technologiích. Testy frekvenční reference byly provedeny 13. května na palubě výzkumné rakety TEXUS54. Kompaktní laserový systém, který byl významně vyvinut Humboldtem-Universitou v Berlíně a Ferdinand-Braun-Institutem, zde demonstroval svou vesmírnou odolnost.

V experimentu JOKARUS (Jod Kamm Resonator under Schwerelosigkeit) byla poprvé kvalifikována aktivní optická frekvenční reference založená na molekulárním jódu ve vesmíru. Výsledky představují důležitý milník na cestě k nasazení optických hodin ve vesmíru. Takové hodiny jsou mimo jiné nezbytné v satelitních navigačních systémech, které poskytují data pro přesné určování polohy. Jsou také nenahraditelné pro fundamentální fyzikální výzkumy, jako je detekce gravitačních vln nebo měření gravitačního pole Země.

Experiment demonstroval automatickou frekvenční stabilizaci prodlouženého diodového laseru s rozsahem 1064 nm, který je frekvenčně zdvojený, na molekulárním přechodu v jódu. Díky integrovanému softwaru a odpovídajícím algoritmům systém laseru fungoval zcela samostatně. Pro srovnání byl během stejného vesmírného letu proveden měření frekvence s optickým frekvenčním rozsahem v samostatném experimentu FOKUS II.

Toto know-how je součástí kompaktního diodového laserového systému

Nákladová část JOKARUS byla vyvinuta a sestavena pod vedením Humboldtovy univerzity v Berlíně (HU Berlin) v rámci společné laboratoře Laser Metrology. Tato společná laboratoř je provozována společně Ferdinand-Braun-Institutem, Leibnizovým institutem pro vysokofrekvenční techniku (FBH) a HU Berlin a sdružuje know-how obou zařízení pro diodové laserové systémy pro vesmírné aplikace. Quasi-monolitický spektroskopický modul byl poskytnut univerzitou v Brémách, řídící elektronika pochází od společnosti Menlo Systems.

Srdcem systému je mikrointegrovaný ECDL-MOPA s ECDL jako místním oscilátorem (Master Oscillator, MO) a s žebříčkovým vlnovodem polovodičovým zesilovačem jako výkonovým zesilovačem (Power Amplifier, PA), který byl vyvinut a realizován v FBH. Laserový modul s vlnovou délkou 1064 nm je kompletně zakryt v malém pouzdře o rozměrech 125 x 75 x 22,5 mm³ a dodává optický výkon 570 mW v rámci šířky linie volného laseru 26 kHz (FWHM, měření 1 ms). Pomocí optického single-mode vlákna odolného vůči polarizaci je laserové světlo nejprve rozděleno do dvou cest, modulováno, frekvenčně zdvojené a připraveno pro Doppler-neutrální saturaci spektroskopie. Technologie vyvíjená v rámci JOKARUS, financovaná Německým centrem pro letectví a kosmonautiku (DLR), vychází z předchozích misí FOKUS, FOKUS reflight, KALEXUS a MAIUS.