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NASA向欧航局LISA任务交付首个原型激光器,助力更精准探测引力波

今年5月,美国宇航局(NASA)的专家与业界伙伴合作,为欧洲航天局领导的激光干涉仪空间天线(LISA)任务交付了首个原型激光器

这台独特的激光仪器,被设计用来探测由中子星、黑洞和超大质量黑洞合并引起的引力场波动。

位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的安东尼·于(Anthony Yu)负责LISA激光发射器的开发。

“我们正在为LISA天文台开发一种高度稳定和强大的激光器,”Yu说。“我们从以前的任务中吸取了经验教训,并利用了光电子封装和可靠性工程的最新技术。现在,为了满足具有挑战性的LISA要求,NASA开发了一种系统,通过使用光纤放大器增强的低功率激光,来生产激光发射器。”

该团队是在NASA重力恢复和气候实验(GRACE)任务中使用的激光技术的基础上进行研究的。“我们开发了一个更紧凑的版本作为主振荡器,”Anthony Yu表示。“它的尺寸、重量和功耗都要小得多,可以满足长寿命要求的完全冗余主振荡器。”

LISA激光原型是一个2瓦激光在光谱近红外部分操作。Yu说:“我们的激光,比一般的5毫瓦或更低功率的激光笔的功率大400倍。”“激光模块的尺寸,不包括电子元件,大约是一个典型鞋盒的一半。”

总部位于瑞士Neuchatel的瑞士电子和微技术中心(CSEM)确认收到了激光原型,并将开始测试它们的稳定性。

LISA将由三艘航天器组成,它们跟随地球绕太阳公转,并以精确的队形飞行,每艘航天器之间相隔150万英里(250万公里)。

每个航天器将连续地用两束激光对准对应的航天器。激光接收器必须对几百皮瓦的信号强度敏感,因为当激光束到达目标航天器时,它将扩散到大约12英里(20公里)。光束中嵌入的时间编码信号,使LISA能够测量这些传输中最微小的干扰。

时空结构中的涟漪小到皮米(比氢原子小50倍),就会在航天器之间产生可检测的距离变化。测量这些变化,将给科学家提供产生这些涟漪的碰撞的大致规模,并让他们知道天空中的哪些区域,是其他天文台寻找次级效应的目标。

这些引力波波动是如此之小,以至于它们会被诸如尘埃撞击和航天器上阳光辐射压力等外力所掩盖。为了缓解这一问题,2015年LISA Pathfinder任务中演示的无拖曳控制概念,使用了遮蔽在每个航天器内的自由漂浮测试质量,作为测量的参考点。

LISA扩展了美国国家科学基金会(NSF)的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的工作,该天文台在2015年首次捕捉到了引力波的记录。从那时起,位于华盛顿汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两个地面观测站,已经捕捉到了40多次合并。

项目科学家Thomas Hams在华盛顿NASA总部表示:“精密激光测量,将使我们能够放大这些合并的效应。”

美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜在LIGO通过引力波探测到两颗中子星合并的几秒钟后,首次捕捉到这种多信使观测。“通过LISA,希望你能在合并真正发生之前,看到这些事情的发展。”Hams说。“会有迹象表明,会有什么事情发生。”

为了实现所需的稳定性,该团队聘请了弗吉尼亚州Herndon的Fibertek公司和宾夕法尼亚州Horsham的Avo Photonics公司,来开发激光、振荡器和功率放大器,并在加利福尼亚州圣何塞聘请了一名独立的光学工程师。

Avo Photonics为天文台建造了激光器。“在这里,除了亚微米级光学校准公差要求之外,还面临着太空耐用性需求的挑战。Avo Photonics总裁Joseph L. Dallas说。“此外,这一任务所需的窄线宽、低噪音和整体稳定性是前所未有的。”

光子学先驱Tom Kane发明了单片激光振荡器技术,戈达德用它来稳定激光的频率。“一般的激光可能会很乱,”凯恩说。“它们可以在目标频率附近四处游荡。你需要一种精确到一个波长的‘安静’激光和精确到小数点后15位的完美光束。”

他的振荡器技术,使用反馈回路来保持激光在如此精确的燃烧。“波长最终成为这些不可思议距离的标尺,”凯恩说。

高功率、低噪声的放大器来自Fibertek。Fibertek还为美国宇航局的冰云和地面高度卫星(ICESat) 2和云气溶胶激光雷达和红外探路者卫星观测(CALIPSO)做出了贡献,该卫星已经用激光对着地球运行了15年。

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