Frequentiebestendige lasersystemen voor de ruimte

JOKARUS-Nutzlast: Für den ersten optischen Frequenzstandard auf Basis von molekularem Jod im Weltraum. (© HU Berlin/Franz Gutsch) / JOKARUS payload: Gebruikt om den ersten optischen Frequenzstandard basierend auf molekularem Jod im All zu demonstrieren. (© HU Berlin/Franz Gutsch)

Hoofdstuk van het JOKARUS-experiment: met succes in de ruimte gebruikt: een micro-geïntegreerd diodelasermodule (ECDL-MOPA) van het Ferdinand-Braun-Institut, dat uitzendt op een golflengte van 1064 nm. (© FBH/schurian.com) / Kernstuk van het JOKARUS-experiment: met succes in de ruimte gebruikt: een micro-geïntegreerde diodelasermodule (ECDL-MOPA) van het Ferdinand-Braun-Institut, die uitzendt op een golflengte van 1064 nm. (© FBH/schurian.com)

Voor het eerst is een frequentiereferentie op basis van moleculair jodium in de ruimte succesvol gedemonstreerd! Wat een beetje als sciencefiction klinkt, is een belangrijke stap naar laserinterferometrische afstandsmetingen tussen satellieten of ook voor toekomstige wereldwijde navigatiesatellietsystemen op basis van optische technologieën. De tests voor de frequentiereferentie werden op 13 mei uitgevoerd aan boord van de hoogtetransportraket TEXUS54. Een compact lasersysteem, dat in belangrijke mate is ontwikkeld door de HU Berlijn en het Ferdinand-Braun-Institut, heeft hierbij zijn ruimtevaartgeschiktheid aangetoond.

In het JOKARUS-experiment (Jodium Kamm Resonator onder Zwaartekracht) is voor het eerst een actieve optische frequentiereferentie op basis van moleculair jodium in de ruimte gekwalificeerd. De resultaten vormen een belangrijke mijlpaal op weg naar het gebruik van optische klokken in de ruimte. Dergelijke klokken worden onder andere gebruikt in satellietgestuurde navigatiesystemen die gegevens leveren voor nauwkeurige positiebepaling. Ook voor fundamenteel fysisch onderzoek, zoals de detectie van gravitatiegolven of het meten van het zwaartekrachtsveld van de aarde, zijn ze onmisbaar.

Het experiment demonstreerde de geautomatiseerde frequentiestabilisatie van een frequentievermenigvuldigde 1064 nm Extended Cavity Diode Laser (ECDL) op een moleculair overgang in jodium. Dankzij geïntegreerde software en bijbehorende algoritmen werkte het lasersysteem volledig zelfstandig. Ter vergelijking werd tijdens dezelfde ruimtevlucht een frequentiemeting uitgevoerd met een optische frequentiekamer in het aparte experiment FOKUS II.

Deze knowhow zit in het compacte diode-lasersysteem

De JOKARUS-lading werd onder leiding van de Humboldt-Universiteit te Berlijn (HU Berlijn) ontwikkeld en opgebouwd in het kader van het Joint Lab Laser Metrology. Het Joint Lab wordt gezamenlijk beheerd door het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) en de HU Berlijn en bundelt de knowhow van beide instellingen voor diode-lasersystemen voor ruimtevaarttoepassingen. Een quasi-monolithisch spectroscopiemodule werd geleverd door de Universiteit Bremen, de besturings-elektronica komt van Menlo Systems.

Het hart van het systeem is een micro-geïntegreerde ECDL-MOPA met een ECDL als lokale oscillator (Master Oscillator, MO) en een ribbelgolfgeleider-halfgeleiderversterker als vermogensversterker (Power Amplifier, PA), ontwikkeld en gerealiseerd door het FBH. Het 1064 nm lasersysteem is volledig ingekapseld in een behuizing van 125 x 75 x 22,5 mm³ en levert een optisch vermogen van 570 mW binnen de lijnbreedte van de vrijlopende laser van 26 kHz (FWHM, 1 ms meettijd). Via een polarisatiebehoudende, optische single-mode-vezel wordt het laserlicht eerst in twee paden verdeeld, gemoduleerd, frequentievermenigvuldigd en voorbereid voor de Doppler-vrije verzadigingsspectroscopie. De door het Duitse Centrum voor Lucht- en Ruimtevaart (DLR) geförderde technologische ontwikkeling in JOKARUS bouwt voort op eerdere missies zoals FOKUS, FOKUS reflight, KALEXUS en MAIUS.