Sistemas láser estables en frecuencia para el espacio

JOKARUS-Carga útil: Para el primer estándar de frecuencia óptico basado en yodo molecular en el espacio. (© HU Berlín/Franz Gutsch) / Carga útil de JOKARUS: Utilizada para demostrar el primer estándar de frecuencia óptico basado en yodo molecular en el espacio. (© HU Berlín/Franz Gutsch)

Elemento central del experimento JOKARUS: utilizado con éxito en el espacio: un módulo de láser de diodo microintegrado (ECDL-MOPA) del Instituto Ferdinand-Braun que emite a una longitud de onda de 1064 nm. (© FBH/schurian.com)

¡Por primera vez se demostró con éxito una referencia de frecuencia basada en yodo molecular en el espacio! Lo que suena un poco a ciencia ficción, es un paso importante hacia mediciones de distancia por interferometría láser entre satélites o también para futuros sistemas globales de navegación por satélite basados en tecnologías ópticas. Las pruebas de la referencia de frecuencia se llevaron a cabo el 13 de mayo a bordo del cohete de investigación de altura TEXUS54. Un sistema láser compacto, desarrollado en gran medida por la Universidad Humboldt de Berlín y el Instituto Ferdinand-Braun, demostró su idoneidad para el espacio.

En el experimento JOKARUS (Resonador de yodo bajo gravedad cero) se calificó por primera vez una referencia de frecuencia óptica activa basada en yodo molecular en el espacio. Los resultados son un hito importante en el camino hacia el uso de relojes ópticos en el espacio. Tales relojes son necesarios, entre otros, en sistemas de navegación satelital que proporcionan datos para una determinación de posición precisa. También son indispensables para investigaciones en física fundamental, como la detección de ondas gravitacionales o para la medición del campo gravitatorio de la Tierra.

El experimento demostró la estabilización automática de frecuencia de un láser de cavidad extendida (ECDL) de 1064 nm con doble frecuencia en una transición molecular en yodo. Gracias a un software integrado y algoritmos correspondientes, el sistema láser funcionó de manera completamente autónoma. Para fines comparativos, durante el mismo vuelo espacial se realizó una medición de frecuencia con una rejilla de frecuencias óptica en un experimento separado llamado FOKUS II.

Este conocimiento está en el sistema compacto de láser de diodo

La carga útil de JOKARUS fue desarrollada y ensamblada bajo la dirección de la Universidad Humboldt de Berlín (HU Berlin) en el marco del Laboratorio Conjunto de Metrología Láser. El Laboratorio Conjunto es operado conjuntamente por el Instituto Ferdinand-Braun, Instituto Leibniz para Tecnología de Alta Frecuencia (FBH) y la HU Berlin, y combina el conocimiento de ambas instituciones en sistemas de láser de diodo para aplicaciones espaciales. Un módulo de espectroscopía casi monolítico fue proporcionado por la Universidad de Bremen, y la electrónica de control proviene de Menlo Systems.

El núcleo del sistema es un ECDL-MOPA microintegrado con un ECDL como oscilador local (Master Oscillator, MO) y un amplificador semiconductor de guía de ondas en forma de cresta como amplificador de potencia (Power Amplifier, PA), desarrollado y realizado en el FBH. El módulo láser de 1064 nm está completamente encapsulado en una carcasa de 125 x 75 x 22,5 mm³ y proporciona una potencia óptica de 570 mW dentro del ancho de línea del láser en modo libre de 26 kHz (FWHM, tiempo de medición de 1 ms). La luz láser se divide inicialmente en dos caminos mediante una fibra óptica de modo único que mantiene la polarización, luego se modula, se doble la frecuencia y se prepara para la espectroscopía de saturación sin Doppler. El desarrollo tecnológico financiado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) en JOKARUS se basa en misiones anteriores como FOKUS, FOKUS reflight, KALEXUS y MAIUS.