Laser Between the Stars by Lukáš Král

1. Laser mezi hvězdami Lukáš Král

2. Síť SLR stanic 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) L. Král, Laser mezi hvězdami, Podzimní setkání APO, listopad 2005

3. buzení zrc.1 akt. prostředí zrc.2 nelin. krystal 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 Laser na stanici v rakouském Grazu * Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

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

5. GPS 35/36 LAGEOS 1/2 ERS-1/2, Envisat Koutové odražeče

6. Apollo 14 Lunochod Apollo 15 Koutové odražeče na Měsíci

7. 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)

8. 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

9. 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 mm) => zorné pole jen cca 1’

10. 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

11. Ovládací pult

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

13. Sledované družice LAGEOS • 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 Etalon TopexPoseidon Envisat Gravity Probe GPS GLONASS

14. 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

15. 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

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

17. A nakonec pár fotek...