Labor-Experimente

Labor-Experimente

Das AEI hat die weltweit größten Laboratorien für die bei der LISA-Mission genutzte Interferometrie. Unsere Labore decken eine weiten Bereich verschiedener Technologien ab und arbeiten eng mit anderen Gruppen aus aller Welt zusammen.

Unsere Gruppe beschäftigt sich hauptsächlich mit der Entwicklung und dem Testen der entscheidenden Komponenten zur Interferometrie im Weltraum.

Laser

Wir haben ein Experiment aufgebaut, das es routinemäßig erlaubt eine selten genutzte, aber wichtige Eigenschaft von Mehrstufenlasern zu messen, nämlich die relative Phasenstabilität zwischen Träger und Seitenbändern (=Dispersion) im Verstärker. Wir konnten zeigen, dass mehrere Kombinationen von Ausgangslaser und Faserverstärker die Anforderungen für die Übertragung des Uhrenrauschens erfüllt. Die Frage, ob der LISA-Laser im Weltraum einsetzbar ist, sowie seine Verlässlichkeit und Lebensdauer, bleibt eine Aufgabe für die Industrie.

Phasenmeter

Dieses Instrument wird allgemein als kritische Komponente betrachtet, und unsere eigene Entwicklung ist weit fortgeschritten. Das Rauschverhalten bei elektrischen Signalen ist verträglich und mit optischen Signalen gekoppelt. Wir arbeiten mit dem „Laboratoire Astroparticule et Cosmologie“ in Paris zusammen, um das Phasenmeter unabhängig zu testen.

Vorverstärker für Photodioden

Ebenso wichtig für das LISA-Rauschverhalten sind die Vorverstärker für die Photodioden. Wir haben dafür einen Schaltkreis mit diskreten Transistoren entwickelt, der besser ist als die sonst verwendeten Operationsverstärker. Eine Quadranten-Version ist in der Entwicklung.

Übertragung des Uhrenrauschens

Alle Komponenten für die Übertragung des Uhrenrauschens über GHz-Seitenbänder wurden getestet und brauchbare Komponenten identifiziert, einschließlich Hochfrequenzkabel, elektro-optischer Modulatoren und Frequenz-Vervielfacher bzw. -Teiler.

Abstandsmessung

Eine wichtige Nebenfunktion des Laserverbindung ist die Messung der absoluten Abstände zwischen den Satelliten auf eine Genauigkeit von weniger als einem Meter und die Übertragung der Daten (etwa 10 kbit/s). In einem optischen Experiment haben wir eine schwache Phasenmodulation des Trägers mit einem Pseudozufallszahlen-Code (PRN-Spektrum) eingeführt. Wir haben gezeigt, dass die erforderliche Genauigkeit sowohl für die Abstandsmessung als auch die Datenrate erreicht wird. Ein außergewöhnliches Charakteristikum besteht darin, dass ein Datenbit kürzer ist als ein PRN-Code. Da die üblichen Shiftregister eine Länge von 2n-1 haben, was schwierig zu unterteilen ist und sie außerdem einen von Null verschiedenen Mittelwert aufweisen, haben wir durch numerische Optimierung Codes der Länge 2n entwickelt.

Aktuator für den Vorhaltespiegel

Eine weitere kritische Komponente für LISA ist der Mechanismus des Aktuators für den Vorhaltespiegel (MAV), der sich um ±0,4 mrad bewegen muss, ohne dabei die optische Abstandsmessung um mehr als 1 pm/√Hz zu stören; letzteres ist besonders schwierig zu erreichen. Daher haben wir eine Testanordnung für die ESA gebaut. Der MAV ist Teil eines Drei-Spiegel-Resonators dessen Resonanzfrequenz mit der eines bekannten stabilen Resonators verglichen wird. Wir konnten zeigen, dass wenigstens einer (möglicherweise auch zwei) der industriell gefertigten Aktuatoren diese Bedingungen erfüllen.

Reziprozität der Back-Link-Glasfaser

Eine seit langem offene Frage im LISA-Design mit großen Konsequenzen für das Design des Satelliten ist die sogenannte Reziprozität der Back-Link-Glasfaser. Dies ist die Gleichheit der beiden optischen Weglängen auf pm-Niveau in beide Richtungen durch eine Einmoden-Faser. Wir erreichten ein Rauschniveau von 5 pm/√Hz; das erlaubt uns nun mit dem geplanten LISA-Design fortzufahren. Viele Tricks und Stabilisierungen waren nötig, um diese Leistung zu erreichen, die einige Konsequenzen für das LISA-Design haben könnte.

Datenübertragung

Erstens müssen die Daten von den drei Satelliten mit ihren unabhängig frei laufenden Uhren auf Nanosekunden genau synchronisiert werden, und zweitens müssen gleichzeitig die Abstände zwischen den Satelliten ermittelt werden. Wir haben angefangen Optimalfilter für diesen Zweck zu entwickeln, die Kalman-Filter-ähnlich, aber unüblich sind, weil die Realzeit einer noch nicht ausgewerteten Messung nicht a priori bekannt ist, sondern stattdessen mit den zeitlichen Versätzen zwischen den Uhren verunreinigt ist, die ihrerseits Teil des unbekannten Zustandsvektors des Systems sind. Als nächster Verarbeitungsschritt kommt die wohl etablierte Technik der Zeitverzögerungs-Interferometrie hinzu. Alle derzeit vorliegenden Veröffentlichungen beruhen auf einem veralteten LISA-Layout; sie sind in einigen Aspekten – wie der absoluten Anordnung der Frequenzen – stark vereinfacht. Wir haben angefangen, die Gleichungen für realistischere Szenarios neu zu schreiben, und wir werden numerische Simulationen zu ihrer Bestätigung durchführen.

Bau eines Prototypen der optischen Bank von LISA

Die Demonstration des Phasenlockings mit einer Sub-nW-Leistung und die Studie einer alternativen LTP-ähnlichen Frequenzstabilisierung als Rückfalloption für LISA ist auch Teil unserer Forschung. Das größte Projekt ist der Test eines vollständigen Prototypen der optischen Bank von LISA; dafür haben wir einen Vertrag mit der ESA als Teil eines Teams mit Astrium, Glasgow und TNO. Unsere Rolle besteht darin, Testapparaturen zu bauen und Tests durchzuführen.

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