基于空间引力波探测器的激光原型

研究人员在第一个基于太空的引力波天文台的核心处宣布了激光原型，称为激光干涉仪空间天线(LISA)任务。该团队的新激光几乎满足了LISA仪器的严格要求，代表了实现雄心勃勃的天文​​台计划的重要一步。

“实现具有最先进性能的激光系统，能够满足太空任务的严格可靠性要求，这是一个激励人心的挑战，”瑞士研究公司CSEM的Steve Lecomte表示，他将详细介绍该原型在10月29日至10月3日在奥地利维也纳举行的光学学会(OSA)2019激光大会上的表现。

LISA将通过在太空中部署引力波探测系统，补充地面引力波探测器，如美国 科学基金会(NSF)资助的激光干涉引力波天文台(LIGO)。2016年，美国 科学基金会宣布LIGO首次对引力波进行了直接观测，这是在100年前阿尔伯特爱因斯坦在其广义相对论中预测的空间和时间结构中的涟漪。

LIGO和LISA天文台都依靠激光来探测引力波。除了任何引力波探测器所需的精度和可靠性之外，LISA任务上的激光必须满足额外的标准，以确保它适合在太空中长期使用。

LISA由欧洲航天局(ESA)与美国 航空航天局(NASA)合作领导。

满足精确测量的要求

计划于2030年代初发射的LISA将由三个数百万公里的三角形航天器组成。航天器将来回传递激光束并结合它们的信号以找到引力波的证据。

艺术家对ESA / NASA LISA太空引力波天文台的印象。最近对其激光器进行的原型测试表明它距离操作更近了一步。图片来源：ESA / NASA

LISA系统中的众多组件必须完美地单独运行，才能使任务成功。就其本身而言，激光器必须在功率输出，波长，噪声，稳定性，纯度和其他参数方面满足严格的标准。

研究人员开发出的激光器几乎满足了ESA和NASA提出的所有要求。所有激光系统的光学和电子组件都要么与空间环境兼容，要么基于可用于太空级别组件的技术。

该系统以种子激光器开始，第一个封装的自注入锁定激光器将在1064纳米的任务指定波长下实现。种子激光器发出的光被注入到芯泵浦Yb掺杂光纤放大器(YDFA)中，从而将平均功率从12毫瓦增加到46毫瓦。然后将一部分放大的光引导到光学参考腔，这提高了激光器的光谱纯度和稳定性数量级。

然后，光的主要部分穿过相位调制器，增加了一些功能，使任务能够通过称为干涉测量的过程比较三个航天器上的信号。最后，第二个核心泵浦YDFA和双包层大模场区域YDFA将信号放大到接近3瓦。附加组件有助于稳定功率输出。

确认性能

该团队创建了一个特殊的测试站来评估他们的原型激光系统。他们使用腔体稳定的超窄1560纳米激光器，光频梳，有源H-maser和温度稳定的低漂移光电探测器作为测量系统频率和振幅稳定性的参考。

测试证明在整个频率范围内符合LISA规范，低于1兆赫兹和高于5兆赫兹的例外，以及在噪声方面的出色顺应性。如果测试显示与规范的微小偏差，研究人员已经确定了可能的原因并提出了微调系统的解决方案。这些解决方案包括种子激光器的一些技术改进，例如向谐振器添加下降端口以减少高频噪声。

“虽然2030年后不久的发射日期可能会出现在很远的地方，但仍有大量的技术发展需要进行。团队已准备好为这一令人兴奋的事业做出进一步贡献，”Lecomte说。