Module laser amplificateur de puissance maître-oscillateur hybride intégré (MOPA) pour la spectroscopie de précision au rubidium dans l'espace développé par le Ferdinand-Braun-Institut - trois de ces modules MOPA ainsi que deux modules redondants sont intégrés dans le système laser. Crédit :FBH/schurian.com
Pour la toute première fois, un nuage d'atomes ultra-froids a été créé avec succès dans l'espace à bord d'une fusée-sonde. La mission MAIUS démontre que les capteurs optiques quantiques peuvent être utilisés même dans des environnements difficiles comme l'espace - une condition préalable pour trouver des réponses aux questions les plus difficiles de la physique fondamentale et un moteur d'innovation important pour les applications quotidiennes.
Selon le principe d'équivalence d'Albert Einstein, tous les corps sont accélérés au même rythme par la gravité terrestre, quelles que soient leurs propriétés. Ce principe s'applique aux pierres, plumes, et les atomes pareillement. Dans des conditions de microgravité, des mesures très longues et précises peuvent être effectuées pour déterminer si différents types d'atomes « tombent à la même vitesse » dans le champ gravitationnel de la Terre – ou si nous devons revoir notre compréhension de l'univers.
Dans le cadre d'un consortium national, Institut Ferdinand-Braun, Le Leibniz-Institut fuer Hoechstfrequenztechnik (FBH) et la Humboldt-Universitaet zu Berlin (HU) ont fait un pas historique vers le test du principe d'équivalence dans le microcosme des objets quantiques. Dans la mission MAIUS lancée le 23 janvier, 2017, un nuage d'atomes de rubidium froid nano-Kelvin a été généré dans l'espace pour la première fois. Ce nuage a été refroidi avec de la lumière laser et des champs électriques de radiofréquence de sorte que les atomes ont finalement formé un seul objet quantique, un condensat de Bose-Einstein (BEC).
Plus de 20 ans après les résultats révolutionnaires des lauréats du prix Nobel Cornell, Ketterlé, et Wieman sur les atomes ultra-froids, l'évaluation préliminaire des données de la mission de la fusée-sonde indique que de telles expériences peuvent également être menées dans les conditions difficiles des opérations spatiales - en 1995, des installations de la taille d'un salon dans un environnement de laboratoire spécial étaient nécessaires. Le capteur optique quantique d'aujourd'hui est aussi petit qu'un congélateur et reste pleinement opérationnel même après avoir subi d'énormes contraintes mécaniques et thermiques causées par le lancement de la fusée. Cette mission révolutionnaire ouvre la voie aux applications des capteurs quantiques dans l'espace. À l'avenir, les scientifiques s'attendent à utiliser la technologie des capteurs quantiques pour faire face à l'un des plus grands défis de la physique moderne :l'unification de la gravitation avec les autres interactions fondamentales (forte, faible, et force électromagnétique) dans une seule théorie cohérente. À la fois, ces expérimentations sont des moteurs d'innovation pour un large éventail d'applications, de la navigation inertielle (non référencée par GPS) à la géodésie spatiale utilisée pour déterminer la forme de la Terre.
Système laser MAIUS utilisé pour créer avec succès un condensat de Bose-Einstein pour la première fois dans l'espace. C'est à peu près aussi gros qu'une boîte à chaussures avec une masse de 27 kg. Les modules laser de FBH sont intégrés sur la face inférieure du dissipateur thermique, la face supérieure abrite des modules pour un traitement ultérieur de la lumière à transférer à l'expérience principale. Crédit :Humboldt-Universität zu Berlin
Un savoir-faire complet dans les modules laser conçus pour les applications spatiales
Pour cette mission, le FBH a développé des modules laser hybrides à semi-conducteurs micro-intégrés adaptés à une application dans l'espace. Ces modules laser, ainsi que des unités optiques et spectroscopiques fournies par des partenaires tiers, ont été intégrés et qualifiés par HU pour fournir le sous-système laser de la charge utile scientifique. Les résultats de cette mission coordonnée par la Leibniz Universitaet Hannover ne prouvent pas seulement que des expériences d'optique quantique avec des atomes ultra-froids sont possibles dans l'espace, mais aussi donner à FBH et HU l'opportunité de tester leur technologie de système laser miniaturisé dans des conditions de fonctionnement réelles. Les résultats serviront également à préparer les futures missions dont le lancement est déjà programmé. MAIUS, cependant, n'est pas le premier test de fusée-sonde pour la technologie laser des deux institutions dans l'espace ; la technologie a déjà été testée avec succès en avril 2015 et janvier 2016 à bord de deux fusées-sondes au sein des expériences FOKUS et KALEXUS.
MAIUS :interférométrie à ondes de matière en microgravité
La mission MAIUS est soutenue par l'Agence spatiale allemande (DLR) avec des fonds fournis par le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie et teste toutes les technologies clés d'un capteur optique quantique spatial sur une fusée-sonde :chambre à vide, système laser, électronique, et logiciels. MAIUS constitue une étape historique pour les futures missions dans l'espace qui tireront parti de tout le potentiel de la technologie quantique. Pour la première fois dans le monde, un condensat de Bose-Einstein (BEC) à base d'atomes de rubidium a été créé à bord d'une fusée-sonde et a été utilisé pour étudier l'interférométrie atomique dans l'espace. Les capteurs optiques quantiques basés sur les BEC permettent des mesures de haute précision des accélérations et des rotations à l'aide d'impulsions laser qui fournissent une référence pour la détermination précise des positions du nuage atomique.
Le système laser à diode compact et robuste pour le refroidissement laser et l'interférométrie atomique avec des atomes de rubidium ultra-froids a été développé sous la direction du groupe de métrologie optique à HU. Ce système est requis pour le fonctionnement de l'expérience MAIUS et se compose de quatre modules laser à diodes qui ont été développés par FBH en tant que modules laser amplificateurs de puissance maître-oscillateur intégrés hybrides. Le laser maître est un laser monolithique à rétroaction distribuée (DFB) dont la fréquence est stabilisée à la fréquence d'une transition optique dans le rubidium et génère un rayonnement optique spectralement pur et très stable (~ 1 MHz de largeur de raie) avec une faible puissance de sortie à une longueur d'onde de 780 nm. Les trois autres modules laser comportent une puce d'amplification effilée avec une section d'entrée de guide d'ondes en crête. Ces puces d'amplification effilées augmentent la puissance de sortie optique d'un laser DFB au-delà de 1 W sans aucune perte de stabilité spectrale. Deux modules de redondance supplémentaires ont été intégrés. Des modulateurs acousto-optiques en espace libre et des composants optiques sont utilisés pour générer les impulsions laser selon la séquence expérimentale. Les impulsions lumineuses laser sont finalement transférées vers la chambre expérimentale par des fibres optiques.
Par ailleurs, un démonstrateur de technologie laser conçu pour de futures missions a été intégré, composé de deux modules laser à diode à cavité étendue (ECDL) à semi-conducteurs micro-intégrés développés par FBH. Ces modules sont spécifiquement requis pour les futures expériences d'interférométrie atomique qui posent des exigences plus strictes sur la stabilité spectrale des lasers.
