Lukáš Král

Laser mezi hvězdami

L. Král, Laser mezi hvězdami, Podzimní setkání APO, listopad 2005

Laserové měření vzdáleností družic

Satellite Laser Ranging (SLR) Určování vzdáleností umělých družic

Země pomocí laserového radaru (lidar) Cíl: získat přesné údaje o dráze družice

a jejích změnách K čemu je to dobré:

Geofyzika a geodézie – mapování gravitačního pole Země, měření pohybu kontinentů (desková tektonika) a změn tvaru Země

Zkoumání dynamiky pohybu družic Kalibrace měření z přístrojů na

družicích – výška hladiny oceánů aj. Kontrola jiných metod (GPS)

Síť SLR stanic

Dar přítele Lasera

Laser* = kvantový generátor světla na principu stimulované emise

Vynalezen 1960 (Maiman, rubín) Aktivní prostředí, buzení, zrcadla Možné výhody:

Svazek rovnoběžných paprsků Vysoká intenzita, krátké impulzy Koherence, úzká sp. čára

* Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

buzení

zrc.1 zrc.2akt. prostředí nelin. krystal

Laser na stanici v rakouském Grazu

L. Král, Laser mezi hvězdami, Podzimní setkání APO, listopad 2005

Laserové dálkoměry

Pulzní (jako radar) x modulační (geodeti) Měříme dobu letu světelného záblesku k

cíli a zpět -> vypočteme vzdálenost Zpoždění v atmosféře -> nutná oprava

300 – 20 000 km

Koutové odražeče

LAGEOS 1/2

ERS-1/2, Envisat

GPS 35/36

Apollo 14

Koutové odražeče na Měsíci

Lunochod Apollo 15

Jak krátké záblesky světla potřebujeme?

Krátký laserový impuls = lepší přesnost měření Laser v Grazu (špička pro SLR) ... 8 ps (~ 2,5 mm),

2000 pulzů za sekundu (d = 150 km)

Čas Světlo urazí...

1 s 300 000 km

1 ms (milisekunda) 300 km

1 s (mikrosekunda) 300 m

1ns (nanosekunda) 30 cm

1 ps (pikosekunda) 0,3 mm

1 fs (femtosekunda) 300 nm

Je takový laser nebezpečný?

Průměrný výkon 1 watt, průměr svazku 10 cm => kůži to nespálí, ale nebezpečí pro oči -> pozor na letadla

Ultrakrátké impulzy -> vysoký špičkový výkon(50 MW!) – v ohnisku čočky by to dělalo jiskry

Detektor jednotlivých fotonů

Zpět od družice se vrací většinou maximálně 1 foton-> potřebujeme velmi citlivý detektor, schopný navíc určit čas příchodu fotonu s pikosekundovou přesností

Speciální polovodičová dioda nebo spec. fotonásobič V Grazu používán polovodič. detektor vyvinutý na ČVUT Malá aktivní plocha (200 m) => zorné pole jen cca 1’

Dalekohled a montáž v Grazu Vysílač 10 cm refr., přijímač 50 cm Cassegrain Velmi přesná a rychlá montáž od fy Contraves

(navádění <5”, pohyb až 20o/s) Laser je o dvě patra níž, navedení přes coudé

Ovládací pult

L. Král, Laser mezi hvězdami, Podzimní setkání APO, listopad 2005

Sledované družice Nízké dráhy (< 1000 km nad zemí)

Topex/Poseidon, Jason – výzkum oceánů ERS-2, Envisat – dálkový průzkum Země Gravity Probe B – test obecné teorie relativity Champ, Grace – mapování grav. pole Země ICESat – polární led aj.

Vyšší dráhy LAGEOS, Etalon – geodetické GLONASS, GPS – navigační

LAGEOS

Etalon

TopexPoseidon Envisat Gravity Probe GPS GLONASS

L. Král, Laser mezi hvězdami, Podzimní setkání APO, listopad 2005

Přesnost měření Závisí především na délce pulzu, přesnosti časování

(detektor + elektronika), konstrukci odražečů, intenzitě odraženého světla a správnosti modelu atmosféry

Graz: nejlepší dosažená relativní přesnost kolem 2 mm z každého výstřelu;průměrování dat -> submilimetrová přesnost při měření družic vzdálených 800 km!!!Absolutní přesnost je kolem 1 cm

Můj výzkum: vliv turbulence v atmosféře (seeing) na rozptyl těchto měření – ukázal se být malý

L. Král, Laser mezi hvězdami, Podzimní setkání APO, listopad 2005

Měření vzdálenosti a polohy současně Nový projekt – měření vzdálenosti družice laserem a současně

měření její polohy CCD kamerou (astrometrie)-> kompletní 3D poloha družice v každém měřeném okamžiku

Meade LX200 16“ + CCD SBIG ST-10XME

L. Král, Laser mezi hvězdami, Podzimní setkání APO, listopad 2005

Nové možnosti laserového měření vzdálenosti

Přesné měření vzdáleností kosmických sond k jiným planetám – transpondéry

Vzájemné měření vzdáleností mezi sondami -> test obecné relativity, detekce grav. vln (LISA, ASTROD)

Laserové výškoměry na družicích planet (BepiColombo) Time Transfer by Laser Link (T2L2) – synchronizace

hodin na různých místech Země s pikosekundovou přesností

Přenos dat pomocí paprsku

A nakonec pár fotek...