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用于LISA的激光系统研究进展与计划

发布时间: 2019-08-10 13:13:56   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  2018年10月9日至12日,在希腊哈尼亚召开的SPIE国际空间光学会议上,美国宇航局戈达德太空飞行中心的Kenji Numata等人报道了该中心为欧空局激光干涉空间天线(LISA)项目研制的激光系统取得的进展和未来发展计划,摘译如下: 

  美国宇航局(NASA)戈达德太空飞行中心目前正在为欧空局激光干涉空间天线(LISA)项目研制一台主振荡功率放大器(MOPA)。凭借其丰富的空间激光项目经验和新兴激光通信技术积累,NASA正在为LISA任务研发一个完整的激光系统。研究内容包括主振荡器(MO)和功率放大器(PA),以及其空间环境试验和满足飞行任务的可靠性验证等内容。目前,主振荡器的基线产品是一台轻量化紧凑型微型非平面环形腔(NPRO)激光器。功率放大器主要采用光纤器件,并进行了结构加固设计。NASA已经完成了在功率放大器输出强度和频率稳定条件下的系统噪声测试。本文介绍了该激光器系统的研究进展及后续计划——将要在2021年达到TRL6级成熟度,这是满足系统空间应用的关键节点。 

  基线产品光纤放大器

  

  1. 基线产品2.5W光纤放大器

  图1是基线产品2.5W光纤放大器。由泵浦二极管模块、提供泵浦功率冗余的拉锥光纤束、及10μm芯径2.3m长的双包层大模场增益光纤等组成。基线产品将主振荡器和相位调制器封装在一起,这种光机封装设计能够完全满足LISA任务需求(不包括频率基准光学腔)。增益光纤由976nm二极管阵列做前向泵浦,这种泵浦结构能够将可能存在的后向反射降至最低,避免灾难性的损伤后果。对光纤放大器进行了抗力学加固设计,并采用了稳定的温度控制,以避免增益光纤长度的变化。样机的最新功率测试结果如图2所示。 

  

  2 . 样机的最新功率测试结果

  其他构型

  尽管基线产品已经能够满足LISA的基本需求,研究团队仍然在寻找更优化的功率放大器构型。目前有许多具有2W输出能力的1µm波段激光放大器,如采用高掺杂浓度光纤或光子晶体光纤等的放大器,其微分相位噪声更低、SBS阈值更高(即非线性效应更弱)、增益长度更短、热分布更均匀。由于本项目主要关注点并不是效率和制冷,因此放大器构型并不局限于光纤型。由于噪声(特别是微分相位噪声)的测量和评估十分困难,需要稳定的环境条件和精确的光学锁相及测试系统,因此研究团队建立了噪声测量站,并已开始用于评估商业放大器产品噪声特性。研究团队为GSFC LISA激光项目发布了放大器的商业招标书,并选择了两家厂商提供其光纤放大器。研究团队将在GSFC进行仔细的性能评估,并计划于2018年底前确定振荡器构型,力争在2019年年中完成研制。 

  总结

  本项目研究内容包括主振荡器和功率放大器的研发及其满足飞行任务的空间环境试验和可靠性验证工作。本激光器拟应用于LISA系统,尚需进行的研制任务包括:1)新型m-NPRO腔型的封装和全部功能测试;2)功率放大器构型评估与确定;3)满足16年在轨寿命的激光器可靠性测试;4)结合频率基准腔和相位计等其它子系统,对噪声和锁相性能进行验证。如果有足够的资金用于激光系统的开发,这些任务可以在2021年前完成。 

  若凡编译自:Progress and Plans for a US Laser System for the LISA Mission. Kenji Numata, Anthony Yu, Proc. of SPIE Vol. 11180 111800E 

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