Sistemi laser a frequenza stabile per lo spazio

JOKARUS-Carico utile: Per il primo standard di frequenza ottico basato su iodio molecolare nello spazio. (© HU Berlino/Franz Gutsch) / Carico utile JOKARUS: Utilizzato per dimostrare il primo standard di frequenza ottico basato su iodio molecolare nello spazio. (© HU Berlino/Franz Gutsch)

Pezzo forte dell'esperimento JOKARUS: utilizzato con successo nello spazio: un modulo laser a diodi micro-integrato (ECDL-MOPA) dell'Istituto Ferdinand-Braun, che emette a una lunghezza d'onda di 1064 nm. (© FBH/schurian.com)

Per la prima volta è stata dimostrata con successo una referenza di frequenza basata su molecolare di Iodio nello spazio! Quello che può sembrare un po' come fantascienza, rappresenta un passo importante verso le misurazioni di distanza con interferometria laser tra satelliti o anche per futuri sistemi di navigazione satellitare globale basati su tecnologie ottiche. I test sulla referenza di frequenza sono stati eseguiti il 13 maggio a bordo del razzo di ricerca in quota TEXUS54. Un sistema laser compatto, sviluppato principalmente dall'Università di Berlino e dall'Istituto Ferdinand-Braun, ha dimostrato la sua idoneità allo spazio.

Nell'esperimento JOKARUS (Risonatore a Rame di Iodio sotto Microgravità) è stata qualificata per la prima volta una referenza di frequenza ottica attiva basata su molecolare di Iodio nello spazio. I risultati rappresentano una tappa importante nel percorso verso l'uso di orologi ottici nello spazio. Tali orologi sono necessari, tra l'altro, in sistemi di navigazione satellitare che forniscono dati per una determinazione precisa della posizione. Sono anche indispensabili per studi di fisica fondamentale, come la rilevazione di onde gravitazionali o la misurazione del campo gravitazionale terrestre.

L'esperimento ha dimostrato la stabilizzazione automatica della frequenza di un Laser a Diodo a Cavità Estesa (ECDL) a 1064 nm, con raddoppio di frequenza, su un transito molecolare nello Iodio. Grazie a software integrato e a algoritmi appropriati, il sistema laser ha funzionato in modo completamente autonomo. Per scopi di confronto, durante lo stesso volo spaziale è stata eseguita una misurazione di frequenza con una riga di frequenza ottica in un esperimento separato chiamato FOKUS II.

Questa competenza è racchiusa nel compatto sistema laser a diodi

Il carico utile JOKARUS è stato sviluppato e assemblato sotto la guida dell'Università di Berlino (HU Berlin) nell'ambito del Joint Lab Laser Metrology. Il Joint Lab è gestito congiuntamente dall'Istituto Ferdinand-Braun, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) e dall'HU Berlin, e riunisce le competenze di entrambe le strutture per sistemi laser a diodi per applicazioni spaziali. Un modulo di spettroscopia quasi monolitico è stato fornito dall'Università di Brema, mentre l'elettronica di controllo proviene da Menlo Systems.

Il cuore del sistema è un ECDL-MOPA microintegrato con un ECDL come oscillatore locale (Master Oscillator, MO) e un amplificatore a semiconduttore a onda a dente di sega come amplificatore di potenza (Power Amplifier, PA), sviluppato e realizzato presso il FBH. Il modulo laser a 1064 nm è completamente incapsulato in un involucro di dimensioni 125 x 75 x 22,5 mm³ e fornisce una potenza ottica di 570 mW all’interno della larghezza di linea del laser a libero corso di 26 kHz (FWHM, 1 ms di tempo di misura). Tramite una fibra ottica a singola modalità, che mantiene la polarizzazione, il fascio laser viene inizialmente diviso in due percorsi, modulato, raddoppiato di frequenza e preparato per la spettroscopia di saturazione senza effetto Doppler. Lo sviluppo tecnologico finanziato dal Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in JOKARUS si basa sulle missioni precedenti FOKUS, FOKUS reflight, KALEXUS e MAIUS.