Laserprototype til rumbaseret gravitationsbølgedetektor

Forskere har annonceret en prototype til en laser i hjertet af det første rumbaserede gravitationsbølgeobservatorium, kendt som Laser Interferometer Space Antenna (LISA) mission. Holdets nye laser opfylder næsten de strenge krav, der er skitseret for LISA's instrumentering, repræsenterer et vigtigt skridt i retning af at bringe det ambitiøse observatorieprogram ud i livet.

"Hvilken motiverende udfordring det var at realisere et lasersystem med state-of-the-art præstationer, i stand til at opfylde de strenge pålidelighedskrav for en rummission, " sagde Steve Lecomte fra det schweiziske analysefirma CSEM, som vil præsentere detaljer om prototypens ydeevne på The Optical Society's (OSA) 2019 Laser Congress, afholdt 29. september til 3. oktober i Wien, Østrig.

LISA vil supplere jordbaserede gravitationsbølgedetektorer, ligesom det amerikanske National Science Foundation (NSF)-finansierede Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), ved at indsætte et gravitationsbølgedetektionssystem i rummet. I 2016 NSF meddelte, at LIGO havde foretaget de første direkte observationer nogensinde af gravitationsbølger, krusninger i det stof af rum og tid, som blev forudsagt af Albert Einstein 100 år tidligere i hans generelle relativitetsteori.

Både LIGO- og LISA-observatorierne er afhængige af lasere til at detektere gravitationsbølger. Ud over den præcision og pålidelighed, der kræves for enhver gravitationsbølgedetektor, laseren ombord på LISA-missionen skal opfylde yderligere kriterier for at sikre, at den er egnet til langtidsbrug i rummet.

LISA ledes af European Space Agency (ESA) i samarbejde med U.S. National Aeronautics and Space Administration (NASA).

Nøjagtige krav til præcise mål

LISA, planlagt til lancering i begyndelsen af ​​2030'erne, vil bestå af tre rumfartøjer arrangeret i en trekant millioner af kilometer på tværs. Rumfartøjet vil videresende laserstråler frem og tilbage og kombinere deres signaler for at finde beviser for gravitationsbølger.

Mængden af ​​komponenter i LISA-systemet skal fungere perfekt individuelt og sammen for at missionen skal lykkes. For sin del, laseren skal opfylde strenge standarder med hensyn til udgangseffekt, bølgelængde, støj, stabilitet, renhed og andre parametre.

Forskerne udviklede en laser, der opfylder næsten alle de krav, som er beskrevet af ESA og NASA. Alle lasersystemets optiske og elektroniske komponenter er enten kompatible med rummiljøet eller baseret på teknologier, hvortil der findes rumkvalitetskomponenter.

Systemet starter med en frølaser, den første emballerede selvinjektionslåste laser, der skal realiseres ved den missionsspecificerede bølgelængde på 1064 nanometer. Lyset, der udsendes af frølaseren, injiceres i en kernepumpet Yb-doteret fiberforstærker (YDFA), hvilket øger den gennemsnitlige effekt fra 12 til 46 milliwatt. En brøkdel af det forstærkede lys ledes derefter til et optisk referencehulrum, hvilket forbedrer laserens spektrale renhed og stabilitet i størrelsesordener.

Hoveddelen af ​​lyset krydser derefter en fasemodulator, som tilføjer funktioner, der gør det muligt for missionen at sammenligne signaler på tværs af de tre rumfartøjer gennem en proces kendt som interferometri. Endelig, en anden kerne-pumpet YDFA og et dobbeltbeklædt stort tilstandsområde YDFA forstærker signalet til næsten 3 watt. Yderligere komponenter hjælper med at stabilisere effektudgangen.

Bekræftelse af ydeevne

Holdet oprettede en speciel teststation for at vurdere deres prototypelasersystem. De brugte en hulrumsstabiliseret ultrasmal 1560 nanometer laser, en optisk frekvenskam, en aktiv H-maser og temperaturstabiliserede lavdrift fotodetektorer som referencer til måling af stabiliteten af ​​systemets frekvens og amplitude.

Testene viste overholdelse af LISA-specifikationer over hele frekvensområdet, med undtagelser under 1 megahertz og over 5 megahertz, samt fremragende overensstemmelse med hensyn til støj. Hvor testene viser mindre afvigelser fra specifikationerne, forskerne har identificeret sandsynlige årsager og foreslået løsninger til at finjustere systemet. Disse løsninger omfatter nogle tekniske forbedringer af frølaseren, som at tilføje en dropport til resonatoren for at reducere højfrekvent støj.

"Mens en lanceringsdato kort efter 2030 kan synes langt væk, der er stadig en betydelig teknologisk udvikling, der skal udføres. Holdet er klar til at bidrage yderligere til denne spændende indsats, " sagde Lecomte.