Frequenzstabile Lasersysteme für den Weltraum

JOKARUS-Nutzlast: Für den ersten optischen Frequenzstandard auf Basis von molekularem Jod im Weltraum. (© HU Berlin/Franz Gutsch) / JOKARUS payload: Used to demonstrate the first optical frequency standard based on molecular iodine in space. (© HU Berlin/Franz Gutsch)

Herzstück des JOKARUS-Experiments: Das erfolgreich im Weltraum eingesetzt wurde: ein mikrointegriertes Diodenlasermodul (ECDL-MOPA) aus dem Ferdinand-Braun-Institut, das bei einer Wellenlänge von 1064 nm emittiert. (© FBH/schurian.com) / Centerpiece of the JOKARUS experiment: Successfully used in space: a micro-integrated diode laser module (ECDL-MOPA) from the Ferdinand-Braun-Institut emitting at a wavelength of 1064 nm. (© FBH/schurian.com)

Erstmalig wurde eine Frequenzreferenz auf Basis von molekularem Jod im Weltraum erfolgreich demonstriert! Was sich ein bisschen wie Science Fiction anhört, ist ein wichtiger Schritt zu laserinterferometrischen Abstandsmessungen zwischen Satelliten oder auch für zukünftige globale Navigationssatellitensysteme auf Basis optischer Technologien. Die Tests zur Frequenzreferenz wurden am 13. Mai an Bord der Höhenforschungsrakete TEXUS54 durchgeführt. Ein kompaktes Lasersystem, das maßgeblich von der HU Berlin und dem Ferdinand-Braun-Institut entwickelt wurde, demonstrierte dabei seine Weltraumtauglichkeit.

Im JOKARUS-Experiment (Jod Kamm Resonator unter Schwerelosigkeit) wurde zum erstem Mal eine aktive optische Frequenzreferenz auf Basis von molekularem Jod im Weltraum qualifiziert. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum Einsatz optischer Uhren im Weltraum. Derartige Uhren werden unter anderem benötigt in satellitengestützten Navigationssystemen, die Daten zur genauen Positionsbestimmung liefern. Auch für fundamentalphysikalische Untersuchungen, wie die Detektion von Gravitationswellen oder zur Vermessung des Schwerefelds der Erde, sind sie unverzichtbar.

Das Experiment demonstrierte die automatisierte Frequenzstabilisierung eines frequenzverdoppelten 1064 nm Extended Cavity Diode Lasers (ECDL) auf einen molekularen Übergang in Jod. Dank integrierter Software und entsprechenden Algorithmen funktionierte das Lasersystem vollkommen eigenständig. Zu Vergleichszwecken wurde während des gleichen Weltraumflugs eine Frequenzmessung mit einem optischen Frequenzkamm im separaten Experiment FOKUS II durchgeführt.

Dieses Know-how steckt im kompakten Diodenlaser-System

Die JOKARUS-Nutzlast wurde unter Leitung der Humboldt-Universität zu Berlin (HU Berlin) im Rahmen des Joint Lab Laser Metrology entwickelt und aufgebaut. Das Joint Lab wird gemeinsam vom Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) und der HU Berlin betrieben und bündelt das Know-how beider Einrichtungen zu Diodenlasersystemen für Weltraumanwendungen. Ein quasi-monolitisches Spektroskopiemodul wurde von der Universität Bremen bereitgestellt, die Betriebselektronik stammt von Menlo Systems.

Herzstück des Systems ist ein mikrointegrierter ECDL-MOPA mit einem ECDL als Lokaloszillator (Master Oscillator, MO) und einem Rippenwellenleiter-Halbleiterverstärker als Leistungsverstärker (Power Amplifier, PA), der am FBH entwickelt und realisiert wurde. Das 1064 nm Lasermodul ist in einem 125 x 75 x 22,5 mm³ kleinen Gehäuse vollständig verkapselt und liefert eine optische Leistung von 570 mW innerhalb der Linienbreite des freilaufenden Lasers von 26 kHz (FWHM, 1 ms Messzeit). Durch eine polarisationserhaltende, optische Single-Mode-Faser wird das Laserlicht zunächst in zwei Pfade aufgeteilt, moduliert, frequenzverdoppelt und für die Doppler-freie Sättigungsspektroskopie aufbereitet. Die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geförderte Technologieentwicklung in JOKARUS baut auf den früheren Missionen FOKUS, FOKUS reflight, KALEXUS und MAIUS auf.