Forskare har meddelat en prototyp för en laser i hjärtat av det första rymdbaserade gravitationella vågobservatoriet, känd som Laser Interferometer Space Antenna (LISA) uppdrag. Teamets nya laser uppfyller nästan de stränga kraven för LISAs instrumentering, representerar ett viktigt steg mot att genomföra det ambitiösa observationsprogrammet.

"Vilken motiverande utmaning det var att förverkliga ett lasersystem med toppmoderna föreställningar, kan uppfylla de stränga tillförlitlighetskraven för ett rymduppdrag, "sa Steve Lecomte med det schweiziska forskningsföretaget CSEM, som kommer att presentera detaljer om prototypens prestanda på The Optical Society's (OSA) 2019 Laserkongress, hölls 29 september till 3 oktober i Wien, Österrike.

LISA kommer att komplettera markbaserade gravitationella vågdetektorer, som U.S.National Science Foundation (NSF) -finansierade Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), genom att distribuera ett gravitationsvågdetekteringssystem i rymden. 2016, NSF meddelade att LIGO hade gjort de första direkta observationerna av gravitationsvågor, krusningar i rummet och tid som Albert Einstein förutspådde 100 år tidigare i sin allmänna relativitetsteori.

Både LIGO- och LISA -observatorierna förlitar sig på lasrar för att detektera gravitationella vågor. Förutom den precision och tillförlitlighet som krävs för alla gravitationsvågdetektorer, lasern ombord på LISA-uppdraget måste uppfylla ytterligare kriterier för att säkerställa att den är lämplig för långvarig användning i rymden.

LISA leds av European Space Agency (ESA) i samarbete med U.S.National Aeronautics and Space Administration (NASA).

Exakta krav för exakta mätningar

LISA, planeras att starta i början av 2030 -talet, kommer att bestå av tre rymdfarkoster arrangerade i en triangel som är miljoner kilometer bred. Rymdfarkosten kommer att vidarebefordra laserstrålar fram och tillbaka och kombinera sina signaler för att hitta tecken på gravitationella vågor.

Mängden komponenter i LISA -systemet måste fungera perfekt individuellt och tillsammans för att uppdraget ska lyckas. För sin del, lasern måste uppfylla höga krav när det gäller effekt, våglängd, ljud, stabilitet, renhet och andra parametrar.

Forskarna utvecklade en laser som uppfyller nästan alla krav som beskrivs av ESA och NASA. Alla lasersystemets optiska och elektroniska komponenter är antingen kompatibla med rymdmiljön eller baserade på teknik för vilken rymdklassiga komponenter är tillgängliga.

Systemet börjar med en frölaser, den första förpackade självinjektionslåsta lasern som ska realiseras vid den uppdragsspecifika våglängden på 1064 nanometer. Ljuset som utsänds av frölasern injiceras i en kärnpumpad Yb-dopad fiberförstärkare (YDFA), vilket ökar den genomsnittliga effekten från 12 till 46 milliwatt. En bråkdel av det förstärkta ljuset riktas sedan till en optisk referenshålighet, vilket förbättrar laserns spektralrenhet och stabilitet med storleksordningar.

Huvuddelen av ljuset korsar sedan en fasmodulator, som lägger till funktioner som gör det möjligt för uppdraget att jämföra signaler över de tre rymdfarkosterna genom en process som kallas interferometri. Till sist, en andra kärnpumpad YDFA och ett dubbelklädd YDFA med stort läge förstärker signalen till nästan 3 watt. Ytterligare komponenter hjälper till att stabilisera effekten.

Bekräftar prestanda

Teamet skapade en speciell teststation för att bedöma deras prototyplasersystem. De använde en kavitetsstabiliserad ultratunn 1560 nanometer laser, en optisk frekvenskam, en aktiv H-maser och temperaturstabiliserade lågdrift-fotodetektorer som referenser för att mäta stabiliteten av systemets frekvens och amplitud.

Testerna visade att LISA -specifikationerna överensstämde över hela frekvensområdet, med undantag under 1 megahertz och över 5 megahertz, samt utmärkt överensstämmelse med avseende på buller. Om testerna visar mindre avvikelser från specifikationerna, forskarna har identifierat troliga orsaker och föreslagit lösningar för att finjustera systemet. Dessa lösningar inkluderar några tekniska förbättringar av frölasern, som att lägga till en droppport till resonatorn för att minska högfrekvent brus.

"Även om ett lanseringsdatum strax efter 2030 kan visas långt borta, det återstår fortfarande en betydande teknisk utveckling. Teamet är redo att ytterligare bidra till denna spännande strävan, "Sa Lecomte.