Frequenzstabile Lasersysteme für den Weltraum

Erstmalig wurde eine Frequenzreferenz auf Basis von moleku­larem Jod im Welt­raum erfolg­reich demon­striert. Das 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 TEXUS 54 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 ersten 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 Nano­meter Extended Cavity Diode Lasers, kurz 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.

Die JOKARUS-Nutzlast wurde unter Leitung der 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 und der HU Berlin betrieben und bündelt das Know-how beider Ein­rich­tungen zu Dioden­laser­systemen für Welt­raum­anwen­dungen. Ein quasi-monolithisches Spektroskopiemodul wurde von der Uni 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 Ferdi­nand-Braun-Institut ent­wickelt und reali­siert wurde. Das Laser­modul ist in einem 125 x 75 x 22,5 Kubik­milli­meter kleinen Gehäuse voll­ständig ver­kapselt und liefert eine optische Leistung von 570 Milli­watt inner­halb der Linien­breite des frei­laufenden Lasers von 26 Kilo­hertz. Durch eine polari­sations­erhal­tende, optische Single-Mode-Faser wird das Laser­licht zunächst in zwei Pfade auf­ge­teilt, modu­liert, frequenz­ver­doppelt und für die doppler­freie Sätti­gungs­spektro­skopie auf­be­reitet. Die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt geför­derte Techno­logie­ent­wick­lung in JOKARUS baut auf den früheren Missionen FOKUS, FOKUS reflight, KALEXUS und MAIUS auf.

FV Berlin / RK