27. September 2019

Einstein folgen, um unsere Ursprünge zu verstehen

Ein Laser-Prototyp zur Erkennung von Gravitationswellen aus dem Weltraum. Diese wesentliche Komponente für die LISA-Mission zur Messung von Gravitationswellen im Weltraum wird anlässlich des Laser-Kongresses der OSA vorgestellt.

Artist impression of the ESA/NASA LISA space-based gravitational-wave observatory.

Zusammen mit den Unternehmen Syderal und OEwaves, hat das CSEM einen Lasersystem-Prototyp entwickelt, der für das erste weltraumgestützten Gravitationswellenobser¬va¬to¬rium, genannt Laser Interferometer Space Antenna (LISA), bestimmt ist. Das neue System erfüllt beinahe alle strengen Anforderungen an die Messinstrumente dieser Mission und stellt einen wichtigen Schritt zum Erfolg des ehrgeizigen Beobachtungsprogramms dar.

«Der Bau eines Lasersystems mit zukunftsweisenden Leistungen, das die bei Weltraummissionen gebotenen hohen Ansprüche an die Zuverlässigkeit erfüllt, ist eine sehr motivierende Aufgabe», so Steve Lecomte Leiter des Sektors Zeit & Frenquez beim CSEM. Die Leistungen dieses Prototyps werden anlässlich des Laserkongresses der Optical Society of America (OSA) vom 29. September bis 3. Oktober 2019 in Wien vorgestellt.

Durch den Einsatz eines weltraumgestützten Gravitationswellendetektors wird LISA bodengebundene Gravitationswellenobservatorien wie das von der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) finanzierte Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) ergänzen. 2016 gab NSF bekannt, LIGO hätte erstmals in der Geschichte Gravitationswellen direkt beobachtet. Diese Wellen in Raum und Zeit wurden bereits vor 100 Jahren von Albert Einstein in seiner allgemeinen Theorie der Relativitätstheorie vorhergesehen.

Sowohl die Observatorien LIGO/VIRGO als auch LISA setzen Laser ein, um Gravitationswellen aufzuzeichnen. Abgesehen von der Präzision und Verlässlichkeit, die bei einem solchen Detek-toren vorausgesetzt werden, muss der Laser der LISA-Mission zusätzlichen Kriterien entsprechen, um sicherzustellen, dass er langfristig im Weltraum eingesetzt werden kann.

LISA wird von der Europäischen Weltraumagentur ESA und in Zusammenarbeit mit der US-amerikanischen National Aeronautics and Space Administration (NASA) geleitet. Höchste Anforderungen zur Gewährleistung präziser Messungen LISA soll Anfang der 2030er starten. Die Mission besteht aus drei Raumsonden, die in einem Dreieck mit einer Seitenlänge von mehreren Millionen Kilometern angeordnet sind. Die unbemannten Flugkörper senden und empfangen Laserstrahlen und kombinieren ihre Signale, um Beweise für Gravitationswellen zu finden.

Die vielen Komponenten im LISA-System müssen individuell und zusammen perfekt funktionieren, um den Erfolg der Mission zu gewährleisten. An den Laser werden höchste Ansprüche betreffend Leistung, Wellenlänge, Rauschen, Stabilität, spektrale Reinheit und andere Parameter gestellt.

Der vom CSEM, Syderal und OEWaves konzipierte Prototyp entspricht beinahe allen Anforderungen der ESA und der NASA. Sämtliche optische und elektronische Komponenten des Lasersystems sind entweder mit einem Einsatz im Weltraum kompatibel oder beruhen auf Technologien, für die weltraumtaugliche Bauteile erhältlich sind.

Auf der Ebene des Lasersystems wird mit dem von OEWaves entwickelten Seedlaser gestartet, der erste verpackte gekoppelte Selbstinjektionslaser mit der für die Mission nötige Wellenlänge von 1064 Nanometern. Das Licht, das der Seedlaser ausstrahlt, wird in einen sogenannten kerngepumpten Yb-dotierte Faserverstärker oder YDFA injiziert, der die durchschnittliche Leistung von 12 auf 46 Milliwatt erhöht. Ein Teil des verstärkten Lichts wird dann in einen optischen Referenzfilter gerichtet, der die spektrale Reinheit und Frequenzstabilität des Lasers um mehrere Grössenordnungen verbessert.

Der Hauptteil des Lichts durchquert dann einen Phasenmodulator. Dieser erlaubt es, neue Merkmale hinzuzufügen, die es der Mission ermöglichen, die Signale der drei Raumsonden anhand interferometrischer Verfahren zu vergleichen. Schliesslich verstärken zwei YDFA das Signal auf beinahe 3 Watt. Eine aktive Stabilisierung der Ausgangsleistung ist ebenfalls implementiert.

Leistung bestätigen

Das Team schuf Messinstrumente, um sein Lasersystem-Prototyp zu bewerten. Es setzte einen filterstabilisierten ultraschmalen 1560 Nanometer-Laser, einen optischen Frequenzkamm, einen H-Maser und temperaturstabilisierte Low-Drift-Lichtsensoren als Massstab für die Messung der Frequenzstabilität und der Systemamplitude ein. Die Versuche bewiesen die Übereinstimmung mit den Spezifikationen von LISA im gesamten Frequenzbereich mit Ausnahmen unter 1 MHz und über 5 MHz, sowie ausgezeichnete Werte, was das Rauschen betrifft. Die Ingenieure bestimmten die wahrscheinlichen Ursachen eventueller leichter Abweichungen von den Spezifikationen und schlugen Verbesserungslösungen vor. Diese Lösungen umfassen einige technischen Verbesserungen des Seedlasers, etwa die Ergänzung des Resonators mit einem Drop-Port, um das Hochfrequenzrauschen zu reduzieren.

«Der kurz nach 2030 geplante Start mag weit entfernt scheinen, aber bis dahin sind noch viele Technologien zu entwickeln. Das Team ist bereit, weiter zu diesem spannenden Projekt beizutragen,» meinte Steve Lecomte.

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