Onderzoekers hebben een prototype aangekondigd voor een laser in het hart van het eerste zwaartekrachtsgolfobservatorium in de ruimte, bekend als de Laser Interferometer Space Antenna (LISA) missie. De nieuwe laser van het team voldoet bijna aan de strenge eisen die zijn uiteengezet voor de instrumentatie van LISA, een belangrijke stap in de richting van de verwezenlijking van het ambitieuze observatoriumprogramma.

"Wat een motiverende uitdaging was het om een ​​lasersysteem te realiseren met state-of-the-art prestaties, in staat zijn om te voldoen aan de strenge betrouwbaarheidseisen van een ruimtemissie, " zei Steve Lecomte van het Zwitserse onderzoeksbureau CSEM, die details over de prestaties van het prototype zal presenteren op het lasercongres van The Optical Society (OSA) 2019, gehouden van 29 september tot 3 oktober in Wenen, Oostenrijk.

LISA zal een aanvulling vormen op zwaartekrachtgolfdetectoren op de grond, zoals de door de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) gefinancierde Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), door een zwaartekrachtgolfdetectiesysteem in de ruimte in te zetten. in 2016, NSF kondigde aan dat LIGO de allereerste directe waarnemingen van zwaartekrachtsgolven had gedaan, rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd die 100 jaar eerder door Albert Einstein werden voorspeld in zijn algemene relativiteitstheorie.

Zowel de LIGO- als de LISA-observatoria vertrouwen op lasers om zwaartekrachtsgolven te detecteren. Naast de precisie en betrouwbaarheid die vereist is voor elke zwaartekrachtgolfdetector, de laser aan boord van de LISA-missie moet aan aanvullende criteria voldoen om ervoor te zorgen dat deze geschikt is voor langdurig gebruik in de ruimte.

LISA wordt geleid door de European Space Agency (ESA) in samenwerking met de Amerikaanse National Aeronautics and Space Administration (NASA).

Hoge eisen voor nauwkeurige metingen

LISA, gepland voor lancering in het begin van de jaren 2030, zal bestaan ​​uit drie ruimtevaartuigen die in een driehoek van miljoenen kilometers zijn gerangschikt. Het ruimtevaartuig zal laserstralen heen en weer sturen en hun signalen combineren om bewijs van zwaartekrachtsgolven te vinden.

De veelheid aan componenten binnen het LISA-systeem moeten afzonderlijk en samen perfect functioneren om de missie te laten slagen. Voor zijn deel, de laser moet voldoen aan strenge normen op het gebied van vermogen, golflengte, lawaai, stabiliteit, zuiverheid en andere parameters.

De onderzoekers ontwikkelden een laser die aan bijna alle eisen van ESA en NASA voldoet. Alle optische en elektronische componenten van het lasersysteem zijn ofwel compatibel met de ruimteomgeving of gebaseerd op technologieën waarvoor componenten van ruimtekwaliteit beschikbaar zijn.

Het systeem begint met een zaadlaser, de eerste verpakte zelfinjectie-vergrendelde laser die wordt gerealiseerd bij de missie-gespecificeerde golflengte van 1064 nanometer. Het door de zaadlaser uitgestraalde licht wordt geïnjecteerd in een kerngepompte Yb-gedoteerde vezelversterker (YDFA), waardoor het gemiddelde vermogen wordt verhoogd van 12 naar 46 milliwatt. Een fractie van het versterkte licht wordt dan naar een optische referentieholte geleid, die de spectrale zuiverheid en stabiliteit van de laser met orden van grootte verbetert.

Het grootste deel van het licht passeert dan een fasemodulator, die functies toevoegt waarmee de missie signalen over de drie ruimtevaartuigen kan vergelijken via een proces dat bekend staat als interferometrie. Eindelijk, een tweede kerngepompte YDFA en een dubbel beklede YDFA met groot modusgebied versterken het signaal tot bijna 3 watt. Extra componenten helpen het uitgangsvermogen te stabiliseren.

Prestaties bevestigen

Het team creëerde een speciaal teststation om hun prototype lasersysteem te beoordelen. Ze gebruikten een holte-gestabiliseerde ultrasmalle 1560 nanometer laser, een optische frequentiekam, een actieve H-maser en temperatuurgestabiliseerde low-drift fotodetectoren als referenties voor het meten van de stabiliteit van de frequentie en amplitude van het systeem.

De tests toonden aan dat aan de LISA-specificaties werd voldaan over het volledige frequentiebereik, met uitzonderingen onder 1 megahertz en boven 5 megahertz, evenals uitstekende naleving met betrekking tot geluid. Waar de tests kleine afwijkingen van de specificaties laten zien, de onderzoekers hebben mogelijke oorzaken geïdentificeerd en oplossingen voorgesteld om het systeem te verfijnen. Deze oplossingen omvatten enkele technische verbeteringen van de zaadlaser, zoals het toevoegen van een drop-poort aan de resonator om hoogfrequente ruis te verminderen.

"Hoewel een lanceringsdatum kort na 2030 misschien ver weg lijkt, er moet nog een substantiële technologische ontwikkeling plaatsvinden. Het team is klaar om verder bij te dragen aan deze spannende onderneming, ' zei Lecomte.