Lukáš Král Laser mezi hvězdami

Laserové měření vzdáleností družic Síť SLR stanic 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

buzení zrc.1 zrc.2 akt. prostředí 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

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

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

Koutové odražeče na Měsíci Apollo 14 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 ms (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 mm) => 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 Vyšší dráhy 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 L. Král, Laser mezi hvězdami, Podzimní setkání APO, listopad 2005

A nakonec pár fotek...