Stabilne systemy laserowe o stałej częstotliwości do przestrzeni kosmicznej

JOKARUS-Ładunek: Do demonstracji pierwszego optycznego standardu częstotliwości opartego na jodzie molekularnym w przestrzeni kosmicznej. (© HU Berlin/Franz Gutsch) / Ładunek JOKARUS: Używany do pokazania pierwszego optycznego standardu częstotliwości opartego na jodzie molekularnym w przestrzeni kosmicznej. (© HU Berlin/Franz Gutsch)

Serce eksperymentu JOKARUS: z powodzeniem wykorzystywane w przestrzeni: mikrozintegrowany moduł laserowy diodowy (ECDL-MOPA) z Instytutu Ferdinanda Brauna, emitujący na długości fali 1064 nm. (© FBH/schurian.com)

Po raz pierwszy skutecznie zademonstrowano odniesienie częstotliwości oparte na molekularnym jodzie w przestrzeni kosmicznej! To, co brzmi trochę jak science fiction, jest ważnym krokiem w kierunku pomiarów odległości laserem interferometrycznym między satelitami lub także dla przyszłych globalnych systemów nawigacji satelitarnej opartych na technologiach optycznych. Testy odniesienia częstotliwości przeprowadzono 13 maja na pokładzie rakiety badawczej TEXUS54. Kompaktowy system laserowy, w dużej mierze opracowany przez HU Berlin i Instytut Ferdynanda Brauna, wykazał swoją gotowość do użytku w przestrzeni kosmicznej.

W eksperymencie JOKARUS (Jod Kamm Resonator unter Schwerelosigkeit) po raz pierwszy zakwalifikowano aktywne odniesienie częstotliwości optycznej oparte na molekularnym jodzie w przestrzeni kosmicznej. Wyniki stanowią ważny kamień milowy na drodze do zastosowania optycznych zegarów w przestrzeni kosmicznej. Takie zegary są między innymi potrzebne w satelitarnych systemach nawigacyjnych, które dostarczają dane do precyzyjnego wyznaczania pozycji. Są one również nieodzowne dla badań fundamentalnej fizyki, takich jak detekcja fal grawitacyjnych czy pomiary pola grawitacyjnego Ziemi.

Eksperyment zademonstrował zautomatyzowaną stabilizację częstotliwości dla rozszerzonego diodowego lasera z podwójną częstotliwością 1064 nm (ECDL) na molekularnym przejściu w jodzie. Dzięki zintegrowanemu oprogramowaniu i odpowiednim algorytmom system laserowy działał całkowicie samodzielnie. Dla porównania podczas tej samej misji kosmicznej przeprowadzono pomiar częstotliwości za pomocą optymalnego kamienia częstotliwościowego w osobnym eksperymencie FOKUS II.

Ta wiedza jest zawarta w kompaktowym systemie laserowym diodowym

Ładunek JOKARUS został opracowany i zbudowany pod kierownictwem Uniwersytetu Humboldta w Berlinie (HU Berlin) w ramach Joint Lab Laser Metrology. Laboratorium to jest wspólnie prowadzone przez Instytut Ferdynanda Brauna, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) oraz HU Berlin i łączy wiedzę obu instytucji w zakresie systemów laserów diodowych do zastosowań kosmicznych. Prawie monolityczny moduł spektroskopowy został dostarczony przez Uniwersytet w Bremie, a elektronika operacyjna pochodzi od Menlo Systems.

Serce systemu stanowi mikroinacjonowany ECDL-MOPA z ECDL jako lokalnym oscylatorem (Master Oscillator, MO) oraz z wąskopasmowym wzmacniaczem półprzewodnikowym typu rippen-wellenleiter jako wzmacniaczem mocy (Power Amplifier, PA), który został opracowany i zrealizowany w FBH. Moduł laserowy o długości fali 1064 nm jest w pełni zamknięty w obudowie o wymiarach 125 x 75 x 22,5 mm³ i dostarcza moc optyczną 570 mW w zakresie linii szerokości swobodnego lasera wynoszącej 26 kHz (FWHM, czas pomiaru 1 ms). Dzięki polaryzacji zachowującej, optycznej pojedynczemu trybowi światła laserowego, światło lasera jest początkowo dzielone na dwa ścieżki, modulowane, podwajane częstotliwościowo i przygotowywane do bezdopplerowskiej spektroskopii saturacyjnej. Technologia rozwijana w ramach JOKARUS, finansowana przez Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR), opiera się na wcześniejszych misjach FOKUS, FOKUS reflight, KALEXUS i MAIUS.