Laser prototype pour la mission spatiale à ondes gravitationnelles LISA. Crédit :CSEM
Des chercheurs ont annoncé un prototype de laser au cœur du premier observatoire spatial d'ondes gravitationnelles, connue sous le nom de mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Le nouveau laser de l'équipe répond presque aux exigences strictes définies pour l'instrumentation de LISA, représentant une étape importante vers la concrétisation de l'ambitieux programme d'observatoire.
« Quel défi motivant ce fut de réaliser un système laser avec des performances de pointe, capable de répondre aux exigences strictes de fiabilité d'une mission spatiale, " a déclaré Steve Lecomte du cabinet d'études suisse CSEM, qui présentera les détails des performances du prototype au Congrès Laser 2019 de The Optical Society (OSA), du 29 septembre au 3 octobre à Vienne, L'Autriche.
LISA complétera les détecteurs d'ondes gravitationnelles au sol, comme le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) financé par la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, en déployant un système de détection d'ondes gravitationnelles dans l'espace. En 2016, La NSF a annoncé que LIGO avait fait les toutes premières observations directes d'ondes gravitationnelles, des ondulations dans le tissu de l'espace et du temps qui ont été prédites par Albert Einstein 100 ans plus tôt dans sa théorie de la relativité générale.
Les observatoires LIGO et LISA s'appuient sur des lasers pour détecter les ondes gravitationnelles. En plus de la précision et de la fiabilité requises pour tout détecteur d'ondes gravitationnelles, le laser à bord de la mission LISA doit répondre à des critères supplémentaires pour s'assurer qu'il est adapté à une utilisation à long terme dans l'espace.
LISA est dirigée par l'Agence spatiale européenne (ESA) en collaboration avec la National Aeronautics and Space Administration (NASA) des États-Unis.
Exigences élevées pour des mesures précises
LISA, lancement prévu au début des années 2030, se composera de trois engins spatiaux disposés dans un triangle de millions de kilomètres de diamètre. Le vaisseau spatial relayera les faisceaux laser dans les deux sens et combinera leurs signaux pour trouver des preuves d'ondes gravitationnelles.
Vue d'artiste de l'observatoire spatial d'ondes gravitationnelles ESA/NASA LISA. Les récents tests de prototypes de son laser indiquent qu'il est un pas de plus vers l'opération. Crédit :ESA/NASA
La multitude de composants au sein du système LISA doit fonctionner parfaitement individuellement et ensemble pour que la mission réussisse. Pour sa part, le laser doit répondre à des normes exigeantes en termes de puissance, longueur d'onde, bruit, stabilité, pureté et d'autres paramètres.
Les chercheurs ont développé un laser qui répond à presque toutes les exigences définies par l'ESA et la NASA. Tous les composants optiques et électroniques du système laser sont soit compatibles avec l'environnement spatial, soit basés sur des technologies pour lesquelles des composants de qualité spatiale sont disponibles.
Le système démarre avec un laser d'ensemencement, le premier laser verrouillé à auto-injection conditionné à être réalisé à la longueur d'onde spécifiée par la mission de 1064 nanomètres. La lumière émise par le laser d'ensemencement est injectée dans un amplificateur à fibre dopée Yb à cœur pompé (YDFA), ce qui fait passer la puissance moyenne de 12 à 46 milliwatts. Une fraction de la lumière amplifiée est alors dirigée vers une cavité optique de référence, ce qui améliore la pureté spectrale et la stabilité du laser par des ordres de grandeur.
L'essentiel de la lumière traverse alors un modulateur de phase, qui ajoute des fonctionnalités qui permettront à la mission de comparer les signaux des trois engins spatiaux grâce à un processus appelé interférométrie. Finalement, un deuxième YDFA à pompage central et un YDFA à grande zone de mode à double gaine amplifient le signal à près de 3 watts. Des composants supplémentaires aident à stabiliser la puissance de sortie.
Confirmation des performances
L'équipe a créé une station de test spéciale pour évaluer leur prototype de système laser. Ils ont utilisé un laser ultra-étroit de 1560 nanomètres stabilisé par cavité, un peigne de fréquence optique, un H-maser actif et des photodétecteurs à faible dérive stabilisés en température comme références pour mesurer la stabilité de la fréquence et de l'amplitude du système.
Les tests ont démontré la conformité aux spécifications LISA sur toute la gamme de fréquences, avec des exceptions inférieures à 1 mégahertz et supérieures à 5 mégahertz, ainsi qu'une excellente conformité en matière de bruit. Lorsque les tests montrent des écarts mineurs par rapport aux spécifications, les chercheurs ont identifié les causes probables et proposé des solutions pour affiner le système. Ces solutions incluent des améliorations techniques du laser d'ensemencement, comme l'ajout d'un port de chute au résonateur pour réduire le bruit à haute fréquence.
"Alors qu'une date de lancement peu après 2030 peut sembler lointaine, il y a encore un développement technologique substantiel à effectuer. L'équipe est prête à contribuer davantage à cette entreprise passionnante, " dit Lecomte.
