Optische Frequenzreferenz Einplatinenrechner stabilisiert den Laser in einem Nanosatellit

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Mit der optischen Frequenzreferenz lassen sich Laser für die Grundlagenphysik hochpräzise stabilisieren. So kann man beispielsweise Gravitationswellen detektieren. Die dafür notwendige Hardware ist in einem Nanosatelliten verbaut.

Der Einplatinenrechner STEMlab 125-14 gehört seit der Gründung von Red Pitaya im Jahr 2013 zu den beliebtesten Werkzeugen. Neben Hobbyisten sind es professionelle Anwendungen in Industrie, Forschung und Raumfahrt, die den Einplatinenrechner für ihre Projekte einsetzen.

STEMLab 14 hat bereits einen Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS hinter sich. Nun soll der kompakte Rechner wieder ins All aufsteigen. Dieses Mal in einem Nanosatelliten. In ihrem Artikel „A Prototype of a Compact Rubidium-Based Optical Frequency Reference for Operation on Nanosatellites“ beschreiben Aaron Strangfeld et al. das Design, die Montage und die Testläufe einer optischen Frequenzreferenz (OFR). Ziel ist eine orbitale Mission als integraler Bestandteil eines CubeSat.

Dabei handelt es sich um einen Nanosatelliten, der ungefähr ein Kilogramm wiegt und 10 cm x 10 cm x 10 cm misst. Spezielle Anwendungen für OFR sind Zeiterfassung, Navigation, Geodäsie und Messungen mit hoher Präzision in der Grundlagenphysik. Das ist beispielsweise Gravitationswellen zu detektieren, zu navigieren oder zur Erdbeobachtung.

Verschiedene Arten einer optischen Frequenzreferenz

Es gibt verschiedene Arten einer optischen Frequenzreferenz. Die Modelle mit dem höchsten Leistungsniveau basieren auf optischen Gittern oder Ionenfallen mit Instabilitäten von 10^-18 in Zeiträumen von >103 s oder auf Atomstrahlbündeln und Ramsey-Bordé-Interferometrie (geringere Dimensionen und Instabilitäten von ungefähr 10 bis 15 in Zeiträumen von >1 s.

Allerdings übersteigen selbst die kompaktesten Versionen dieser beiden Typen die Anforderungen an Größe, Gewicht und Leistung von CubeSats. Der dritte OFR-Typ, der auf Atomdämpfen basiert, scheint hier eine gangbare Lösung zu sein. Das vorgestellte Modell mit dem Namen iQube, das steht für Integrated Quantum Technology Subsystem for CubeSats, nutzt die Spektroskopie des D2-Übergangs von Rubidium (Rb).

Sein optisches Design wird durch die lineare Anordnung optischer Komponenten erreicht. Dazu bündelt ein Linsenpaar das Licht auf beiden Seiten einer 1,5 mm langen GaAS-verteilten Feedback-Diode (DFB). Das vom Ausgang auf einer Seite (rechts) emittierte Licht wird in einer die Polarisation beibehaltenden Single-Mode-Faser gekoppelt. Das Licht auf der anderen Seite wird für die Rb-Spektroskopie eingesetzt, wobei eine Dampfzelle in Borosilikatglas mit schrägen Fenstern verwendet wird.

Den Laser im Nanosatelliten stabilisieren

Eine doppelt hindurchgeführte Viertelwellenplatte zwischen der atomaren Dampfzelle und dem Spiegel rotiert die Polarisationsachse, sodass der polarisierende Strahlteiler (PBS) den reflektierten Strahl ableiten kann. Eine Linse fokussiert anschließend das Sondenlicht auf eine schnelle Fotodiode mit einer Bandbreite von 500 MHz. Mittels Frequenzmodulationsspektroskopie (FMS), erreicht durch die Modulation des Einspeisestroms des Lasers bei einer Frequenz von 6,6 MHz, wird ein Fehlersignal für eine Feedbackschleife generiert.

Der entwickelte iCube misst 70 mm x 26 mm x 19,2 mm bei einem Gewicht von 73 g. Später wird das Modul in den Nanosatelliten CubeSat eingebaut. Im Bild wird die Position des STEMlab von Red Pitaya durch seine vier Ein und Ausgänge sichtbar. Außerdem sind im CubeSat weitere funktionale Komponenten verbaut. Dazu gehören ein Temperaturregler vom Typ TEC-1091 des Herstellers Meerstetter und ein Stromtreiber.

Open-Source-Software Linien für Laser

STEMLab-14 mit ihren A/D-Wandlern und D/A-Wandlern mit einer Auflösung von 14 Bit und 125 MS/s sowie FPGA und Linux-System in einem kompakten Formfaktor. Hier läuft die Open-Source-Software Linien, um die Laserfrequenz zu stabilisieren. Die Software Linien baut auf Python und Migen auf und basiert auf Red Pid.

Stabilisiert wird die Laserfrequenz durch Multitasking der Generierung des Modulationssignals, Demodulation des Spektroskopie-Signals, digitale Filterung des Signals und Generierung des Steuersignals mit einer Servo-Bandbreite von rund 700 kHz durch den PID-Controller. Das ist eine äußerst umfangreiche Liste zu erledigender Aufgaben. Vor allem, weil alles gleichzeitig erfolgen muss.

In umfassenden Labortests wurden zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der Allan-Varianz der relativen Frequenzabweichung erzielt, gemessen durch Beat-Note-Messung mit zwei zusätzlichen Frequenzreferenzen. Die Ergebnisse zeigen eine Allan-Varianz von 1,7 x 10^-12 bei einer Mittelungszeit von 1 s und einem Minimum von
3,4 x 10^-13 bei 102 s. Die Ergebnisse entsprechen ähnlichen Kompaktsystemen mit einer Frequenzreferenz, die für Lasersysteme bei Versuchen mit kalten Atomen oder optische Messanwendungen geeignet sind.

Vor dem Start ins Weltall

Ist die Aufgabe damit erledigt? Noch nicht ganz. Vor dem Start ins Weltall hat der CubeSat noch einige Aufgaben zu erledigen; hauptsächlich gilt es den Nanosatelliten durch eine Reihe von Eignungsprüfungen zur Überprüfung der Kompatibilität mit Schwingungen, Thermalvakuum, Ausgasung und Strahlung auf den Betrieb unter Weltraumbedingungen vorzubereiten.

* ist CTO bei Red Pitaya in Slowenien.

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