用于天基引力波探测的激光器

研究人员宣布，已经研制出首个天基引力波观测站的激光器，即激光干涉空间天线（LISA）任务的原型。该团队的新激光几乎达到了LISA仪器的严格要求，这是朝着实现新型天文台计划迈出的重要一步。 

瑞士电子与微技术中心（CSEM）的Steve Lecomte说：“实现一个具有最先进性能、能够满足航天任务严格可靠性要求的激光系统是多么令人鼓舞的挑战，”这一研究中心将在于奥地利维也纳举行的光学学会（OSA）2019年激光大会上介绍原型的性能细节。

LISA将通过在太空中部署引力波探测系统来补充地面引力波探测器，比如美国国家科学基金会（NSF）资助的激光干涉引力波天文台（LIGO）。2016年，美国国家科学基金会宣布，激光干涉引力波天文台首次对引力波、空间和时间结构中的涟漪进行了直接观测，这是100年前爱因斯坦在其广义相对论中预言的。

激光干涉引力波天文台和LISA天文台都依靠激光探测引力波。除了任何引力波探测器所需的精度和可靠性外，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）与美国国家航空航天局（NASA）合作进行研究。 

精密测量的严格要求 

LISA计划于20世纪30年代初发射升空，将由3艘航天器组成，它们排列成一个三角形，直径数百万公里。太空船将前后传递激光束，并结合它们的信号来寻找引力波的证据。 

LISA系统中的许多组件必须完美地单独和一起工作，才能使任务成功。就激光器而言，它必须在功率输出、波长、噪声、稳定性、纯度和其他参数方面达到严格的标准。

研究人员开发出一种激光器，它几乎能满足欧空局和美国航天局提出的所有要求。激光系统的所有光学和电子部件要么与空间环境兼容，要么基于可获得空间级部件的技术。 

该系统从种子激光器开始，这是第一个在1064纳米的任务规定波长下实现的封装自注入锁定激光器。种子激光器发出的光被注入一个核心泵浦掺镱光纤放大器（YDFA），将平均功率从12毫瓦提高到46毫瓦。放大后的光的一部分被引导到一个光学参考腔中，从而将激光的光谱纯度和稳定性提高了一个数量级。

然后，光的主要部分穿过相位调制器，相位调制器增加了一些功能，使任务能够通过一个称为干涉测量的过程来比较三个航天器上的信号。最后，第二个核心泵浦的YDFA和一个双包层大模区YDFA将信号放大到几乎3瓦。附加部件有助于稳定功率输出。 

确认性能 

该小组建立了一个专门的测试站来评估他们的激光系统原型。他们使用腔稳定的超窄1560纳米激光器、光学频率梳、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。 

测试表明，除了低于1兆赫和高于5兆赫外，在整个频率范围内符合LISA规范，并且在噪声方面也非常符合。如果测试显示与规范有微小偏差，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。这些解决方案包括对种子激光器的一些技术改进，例如在谐振器中添加一个端口以降低高频噪声。

  “虽然2030年后不久的发射日期可能看起来很遥远，但仍有大量的技术开发有待实施。”Lecomte说：“团队准备为这项令人兴奋的努力做出进一步贡献。” 

原文来源：https://phys.org/news/2019-09-laser-prototype-space-based-gravitational-detector.html