Для первых прецизионных измерений в космосе с холодными атомами подходящими кандидатами являются калий и рубидий. При подготовке к измерениям было проведено два эксперимента одновременно на борту ракеты-носителя, запущенной из Кируны, Швеция, 23 января. Предварительный анализ данных показывает, что кампания была успешной. Университет Гумбольдта в Берлине (HU) и Институт Фердинанда Брауна, Leibniz-Institut fuer Hoechstfre-quenztechnik (FBH) тестируют современные лазерные технологии в рамках проектов KALEXUS и FOKUS.
Требовательные демонстраторы технологий закладывают основы для прецизионных испытаний принципа эквивалентности с так называемыми интерферометрами на атомах калия и рубидия, а также для дальнейших экспериментов, направленных на проверку теории относительности Эйнштейна. Исследователи надеются, что в конечном итоге эти эксперименты предоставят информацию, необходимую для решения одной из величайших проблем современной физики: объединение гравитации с тремя другими фундаментальными взаимодействиями в одну всеобъемлющую теорию.
Лазерные эксперименты с атомами калия и рубидия: КАЛЕКСУС и ФОКУССтабильная лазерная система для манипулирования атомами калия была создана в проекте KALEXUS под руководством группы оптической метрологии HU. Центральная часть состоит из двух микроинтегрированных полупроводниковых лазерных модулей, разработанных FBH. В KALEXUS длина волны этих лазерных модулей согласована с атомным переходом калия.
В течение шестиминутного периода микрогравитации эксперимент автоматически стабилизирует длину волны обоих лазеров. Кроме того, лазерная система может автономно переключаться между лазерными источниками во время полета. Ведь такие эксперименты непросто повторить, и ученые не могут предпринять корректирующих действий во время полета.
Более того, измерения не могут быть нарушены, если один из лазеров выйдет из строя.Другой лазерный модуль, разработанный FBH и собранный HU, принял участие в кампании FOKUS, которую проводит Menlo Systems. Лазер был стабилизирован на атомном переходе рубидия, чтобы продемонстрировать технологическую зрелость соответствующей технологии для последующих испытаний атомов на падение в условиях микрогравитации.
Лазерная система также позволяет сравнивать часы. Здесь частота «оптического генератора», лазера, сравнивается с частотой кварцевого генератора, который «тикает» в радиодиапазоне, как современные наручные часы.
Общая теория относительности предполагает, что на «тиканье» всех часов гравитация влияет одинаково, независимо от того, как эти часы реализованы физически и технически. Первоначальное испытание в апреле 2015 года подтвердило пригодность таких «атомных часов» и лазерных систем, необходимых для проверки общей теории относительности в космосе. Теперь цель состоит в том, чтобы подтвердить первоначальные результаты после внесения в систему некоторых технических усовершенствований.Два применения технологий в прямом сравнении
В двух экспериментах используются разные типы лазеров от FBH. Это позволяет сравнивать различные лазерные технологии для сценария применения. Центральным элементом модуля FOKUS является лазер с распределенной обратной связью (DFB), который излучает свет в узком диапазоне частот или длин волн 780 нм. Эта спектрально узкая полоса пропускания является одним из ключевых требований к лазерному модулю, который используется для спектроскопии атомов рубидия и, следовательно, для прецизионных измерений.
KALEXUS использует концепцию ECDL (диодный лазер с расширенной полостью), который благодаря внешней решетке обеспечивает еще более узкую ширину линии. Лазер оптимизирован для спектроскопических измерений с атомами калия и излучает на длине волны 767 нм.
Однако внешняя решетка делает его потенциально более подверженным сбоям — в отличие от монолитной конструкции лазера FOKUS. В конечном итоге модули размером с ладонь должны выдерживать механические нагрузки во время запуска ракеты с ускорениями, в 15 раз превышающими ускорение свободного падения, и должны бесперебойно работать в космосе.
Проекты KALEXUS и FOCUS финансируются Немецким аэрокосмическим центром (DLR).