Die Quantentechnologie gilt als ein Schlüssel für weitreichende Entwicklungen in gesellschaftsrelevanten Bereichen wie Kommunikation, Sicherheit und Computing. Diese Technologien haben auch großes Potential für Anwendungen im Weltraum, mit neuen Möglichkeiten, aber auch sehr hohen Anforderungen an Kompaktheit und Stabilität. Viele quantenmechanische Effekte lassen sich mit Laserstrahlung adressieren und steuern, was die zusätzliche Herausforderung einer weltraumgeeigneten Lasertechnologie stellt.

Weshalb: Für Anwendungen im Bereich der Quantentechnologie werden Laserstrahlquellen mit Applikations- angepassten Eigenschaften benötigt. Das sind neben der Emissionswellenlänge, der Leistung, Polarisation und Pulsform insbesondere die hohe Stabilität von Amplitude und/oder Phase, d.h. ein extrem niedriges Rauschen. Insbesondere für die zukünftige kommerzielle Umsetzung einer neuen Generation von optischen Uhren und Sensoren basierend auf Erdalkaliatomen sind Strahlquellen bei Wellenklängen unterhalb 500 nm und Leistungen im Wattbereich erforderlich. Ziel dieses Vorhabens ist die Demonstration einer leistungsstarken, hochstabilen Strahlquelle bei 461nm, die alle erforderlichen Strahlparameter bereitstellt und vollständig auf weltraumgeeigneten Technologien basiert. Hierdurch wird die Komplexität des Gesamtsystems deutlich reduziert und verschiedene Anwendungen profitieren von einer einheitlichen Technologieplattform.

Was: Im Rahmen des Vorhabens soll eine Architektur für Strahlquellen entwickelt werden, die unter Einbehaltung kritischer Parameter, wie z.B. Ausgangsleistung, Polarisation und Leistungsstabilität, eine einfache Anpassung an die für den jeweiligen Zweck benötigte Wellenlänge ermöglicht. Dieser universelle Baukasten besteht aus einem Seedlaser, einer faserbasierten Verstärkerstufe sowie Modulen zur nichtlinearen Frequenzkonversion zur Erzeugung der erforderlichen Wellenlängen. Die Faserlasertechnologie wurde für eine Anwendung in der LISA-Mission entwickelt, während die Frequenzkonversion in der MERLIN-Mission zum Einsatz kommt. Als technologischer Demonstrator soll exemplarisch im Rahmen des Projektes eine Strahlquelle umgesetzt werden, die mit einer Emissionswellenlänge von 461 nm den 1S0→1P0 Übergang von Strontium adressiert, einem Atom, das in einer neuen Generation von hochpräzisen Uhren eingesetzt wird. Weitere in diesem Bereich interessante Wellenlängen, die mit dem vorgeschlagenen Ansatz adressierbar sind, sind in der Abbildung unten dargestellt.

Ergebnis: Das finale Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Architektur für eine vor allem spektral anpassbare Strahlquelle, mit der unterschiedliche Anwendungen im Bereich der Quantentechnologien adressiert werden können. Um die Nutzbarkeit zu untersuchen, soll im Projekt exemplarisch eine Strahlquelle mit einer Ausgangswellenlänge von 461 nm realisiert werden, die eine Ausgangsleistung von 2 W, eine lineare Polarisation von mindestens PER> 20 dB sowie einer Linienbreite im Bereich von 1 MHz liefert. Die Strahlquelle soll im Rahmen des Projektes an der Humboldt-Universität in Berlin getestet werden, in dem der Atomfluss einer 2D/3D Magento-optischen Falle mit der Strahlquelle evaluiert wird. Die dort ansässige Arbeitsgruppe für Integrierte Quantensensoren verfügt über weitreichende einschlägige Erfahrungen in diesem Bereich.

Weltraumbezug: Die Quantentechnologie ist gerade dabei, den Übergang aus der universitären Forschung in die Industrie zu vollziehen. Erste Demonstrationen der Vorteile im Bereich der Weltraumanwendungen. Die bisherigen Lösungen beschränken sich jedoch auf Technologien, die hochspezialisiert sind und keinen Transfer auf andere Anwendungen zulässt. Durch die Entwicklung einer leistungsstarken, adaptiven Strahlquelle, die vollständig auf weltraumgeeigneten Technologien basiert, soll die technologische Hürde eines Transfers von Quantentechnologien zu Weltraumanwendungen weiter gesenkt werden. Auch aufgrund der intensiven nationalen, europäischen und internationalen Forschungsförderung wird in den kommenden Jahren ein verstärktes Interesse an Quantentechnologien für Weltraumanwendungen erwartet. Präzise optische Uhren werden sowohl in der Navigation zur Verbesserung der Ortungsgenauigkeit als auch der Telekommunikation zur Beschleunigung der Synchronisation schneller optischer Kommunikationsnetzwerke eingesetzt.