Systèmes laser à fréquence stable pour l'espace

JOKARUS-charge utile : Pour le premier étalon de fréquence optique basé sur l'iode moléculaire dans l'espace. (© HU Berlin/Franz Gutsch) / Charge utile JOKARUS : Utilisée pour démontrer le premier étalon de fréquence optique basé sur l'iode moléculaire dans l'espace. (© HU Berlin/Franz Gutsch)

Point central de l'expérience JOKARUS : utilisé avec succès dans l'espace : un module laser à diode micro-intégré (ECDL-MOPA) de l'Institut Ferdinand-Braun émettant à une longueur d'onde de 1064 nm. (© FBH/schurian.com)

Pour la première fois, une référence de fréquence basée sur le molécule d'iode dans l'espace a été démontrée avec succès ! Ce qui peut sembler un peu comme de la science-fiction est une étape importante vers la mesure de distance par interférométrie laser entre satellites ou pour de futurs systèmes mondiaux de navigation par satellites utilisant des technologies optiques. Les tests de la référence de fréquence ont été réalisés le 13 mai à bord de la fusée de recherche en altitude TEXUS54. Un système laser compact, développé principalement par l'Université Humboldt de Berlin et l'Institut Ferdinand-Braun, a démontré sa compatibilité avec l'espace.

Dans l'expérience JOKARUS (Résonateur à cavité à iodine en apesanteur), une référence de fréquence optique active basée sur le molécule d'iode dans l'espace a été qualifiée pour la première fois. Les résultats constituent une étape importante vers l'utilisation d'horloges optiques dans l'espace. De telles horloges sont notamment nécessaires dans les systèmes de navigation par satellite, qui fournissent des données pour une détermination précise de la position. Elles sont également indispensables pour des recherches en physique fondamentale, telles que la détection d'ondes gravitationnelles ou la mesure du champ gravitationnel de la Terre.

L'expérience a démontré la stabilisation automatisée de la fréquence d'un laser à diode à cavité étendue à 1064 nm, dont la fréquence a été doublée, sur une transition moléculaire dans l'iode. Grâce à un logiciel intégré et à des algorithmes appropriés, le système laser a fonctionné de manière totalement autonome. À des fins de comparaison, une mesure de fréquence avec une fréquence optique à l'aide d'une échelle de fréquence optique a été réalisée lors du même vol spatial dans une expérience séparée, FOKUS II.

Ce savoir-faire est intégré dans le système compact de laser à diode

La charge utile JOKARUS a été développée et assemblée sous la direction de l'Université Humboldt de Berlin (HU Berlin) dans le cadre du laboratoire conjoint Laser Metrology. Ce laboratoire conjoint est exploité conjointement par l'Institut Ferdinand-Braun, l'Institut Leibniz pour la haute fréquence (FBH) et l'HU Berlin, regroupant le savoir-faire des deux institutions en systèmes laser à diode pour des applications spatiales. Un module de spectroscopie quasi-monolithique a été fourni par l'Université de Brême, l'électronique de contrôle étant fournie par Menlo Systems.

Le cœur du système est un ECDL-MOPA microintégré avec un ECDL comme oscillateur local (Master Oscillator, MO) et un amplificateur à semi-conducteur à guide d'ondes en dents de scie comme amplificateur de puissance (Power Amplifier, PA), développé et réalisé au FBH. Le module laser à 1064 nm est entièrement encapsulé dans un boîtier de 125 x 75 x 22,5 mm³ et fournit une puissance optique de 570 mW dans la largeur de ligne du laser en libre propagation de 26 kHz (FWHM, temps de mesure de 1 ms). La lumière laser est d'abord divisée en deux chemins par une fibre optique monomode à polarisation maintenue, modulée, doublée en fréquence et préparée pour la spectroscopie de saturation sans effet Doppler. Le développement technologique financé par le Centre allemand pour l'aéronautique et l'espace (DLR) dans JOKARUS s'appuie sur les missions précédentes FOKUS, FOKUS reflight, KALEXUS et MAIUS.