Los investigadores han anunciado un prototipo de láser en el corazón del primer observatorio de ondas gravitacionales basado en el espacio. conocida como la misión de la antena espacial de interferómetro láser (LISA). El nuevo láser del equipo casi cumple con los estrictos requisitos descritos para la instrumentación de LISA, lo que representa un paso importante hacia la realización del ambicioso programa de observatorios.

"Qué desafío tan motivador fue realizar un sistema láser con prestaciones de vanguardia, capaz de cumplir con los estrictos requisitos de fiabilidad de una misión espacial, "dijo Steve Lecomte de la firma de investigación suiza CSEM, quien presentará detalles del desempeño del prototipo en el Congreso de Láser 2019 de The Optical Society (OSA), celebrada del 29 de septiembre al 3 de octubre en Viena, Austria.

LISA complementará los detectores terrestres de ondas gravitacionales, como el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), mediante el despliegue de un sistema de detección de ondas gravitacionales en el espacio. En 2016, NSF anunció que LIGO había realizado las primeras observaciones directas de ondas gravitacionales, ondas en el tejido del espacio y el tiempo que fueron predichas por Albert Einstein 100 años antes en su teoría general de la relatividad.

Tanto los observatorios LIGO como LISA se basan en láseres para detectar ondas gravitacionales. Además de la precisión y confiabilidad requeridas para cualquier detector de ondas gravitacionales, El láser a bordo de la misión LISA debe cumplir con criterios adicionales para garantizar que sea adecuado para su uso a largo plazo en el espacio.

LISA está dirigida por la Agencia Espacial Europea (ESA) en colaboración con la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de EE. UU.

Requisitos exactos para mediciones precisas

LISA, programado para lanzarse a principios de la década de 2030, consistirá en tres naves espaciales dispuestas en un triángulo de millones de kilómetros de diámetro. La nave espacial transmitirá rayos láser de un lado a otro y combinará sus señales para encontrar evidencia de ondas gravitacionales.

La multitud de componentes dentro del sistema LISA deben funcionar perfectamente individualmente y juntos para que la misión tenga éxito. Por su parte, el láser debe cumplir con estándares exigentes en términos de potencia de salida, longitud de onda, ruido, estabilidad, pureza y otros parámetros.

Los investigadores desarrollaron un láser que cumple con casi todos los requisitos descritos por la ESA y la NASA. Todos los componentes ópticos y electrónicos del sistema láser son compatibles con el entorno espacial o se basan en tecnologías para las que se encuentran disponibles componentes de grado espacial.

El sistema comienza con un láser de semillas, el primer láser bloqueado de autoinyección empaquetado que se realizará en la longitud de onda especificada por la misión de 1064 nanómetros. La luz emitida por el láser de semillas se inyecta en un amplificador de fibra dopada con Yb bombeado con núcleo (YDFA), lo que aumenta la potencia promedio de 12 a 46 milivatios. Luego, una fracción de la luz amplificada se dirige a una cavidad de referencia óptica, que mejora la pureza espectral y la estabilidad del láser en órdenes de magnitud.

La parte principal de la luz cruza luego un modulador de fase, que agrega características que permitirán a la misión comparar señales en las tres naves espaciales a través de un proceso conocido como interferometría. Finalmente, un segundo YDFA bombeado por núcleo y un YDFA de área de modo grande con doble revestimiento amplifican la señal a casi 3 vatios. Los componentes adicionales ayudan a estabilizar la potencia de salida.

Confirmando el desempeño

El equipo creó una estación de prueba especial para evaluar su prototipo de sistema láser. Utilizaron un láser ultra estrecho de 1560 nanómetros estabilizado en la cavidad, un peine de frecuencia óptica, un H-maser activo y fotodetectores de baja deriva estabilizados por temperatura como referencias para medir la estabilidad de la frecuencia y amplitud del sistema.

Las pruebas demostraron el cumplimiento de las especificaciones LISA en todo el rango de frecuencias, con excepciones por debajo de 1 megahertz y por encima de 5 megahertz, así como un excelente cumplimiento en materia de ruido. Cuando las pruebas muestren desviaciones menores de las especificaciones, los investigadores han identificado las causas probables y las soluciones propuestas para ajustar el sistema. Estas soluciones incluyen algunas mejoras técnicas del láser de semillas, como agregar un puerto de caída al resonador para reducir el ruido de alta frecuencia.

"Si bien una fecha de lanzamiento poco después de 2030 puede parecer lejana, todavía hay un desarrollo tecnológico sustancial por realizar. El equipo está listo para seguir contribuyendo a este apasionante esfuerzo, "Dijo Lecomte.