Лазерная локация луны

Размещено на http://www.allbest.ru/

БГТУ имени В.Г. Шухова

Лазерная локация луны

Казанский М.С.

1. Общие принципы работы лазеров

В космической геодезии весь спектр наблюдений принято классифицировать по диапазону длин волн электромагнитных колебаний, в которых производят эти наблюдения (оптический и радиодиапазон). В оптическом диапазоне выполняют визуальные, фотографические, фотоэлектрические, телевизионные, лазерные наблюдения. В радиодиапазоне выполняют радиодальномерные, доплеровские, интерференционные, фазовые наблюдения. Оптическим наблюдениям присущ общий недостаток: они требуют наличия прямой видимости на ИСЗ, поэтому применяются, как правило, в темное время суток в безоблачную погоду (при наличии точных эфемерид лазерные наблюдения выполняют и днём).

Первые практически действующие лазеры появились в 1960 году. О важности разработки этих приборов свидетельствует тот факт, что авторы их создания (академики Басов, Прохоров и американский физик Таунс) были удостоены Нобелевской премии.

Рис.1 Обобщенная блок-схема автогенератора

Лазером называют обычно генератор колебаний оптического диапазона длин волн. Сам термин лазер (laser) является аббревиатурой от английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (что в переводе означает усиление света посредством стимулированного излучения), записанной русскими буквами. Хотя в переводе термина лазер с английского языка речь идет не о генерации, а об усилении колебаний, это не имеет принципиального значения, так как любой усилитель можно превратить в генератор выделением цепи обратной связи. Это положение проиллюстрировано на рис.1

где "К" - усилитель с коэффициентом усиления [К]> 1, "в" - цепь обратной связи с коэффициентом передачи [в]< 1. При [Кв]= 1 наступает режим генерации.

Усилителем в лазерах служит обычно некоторая активная среда - вещество, которое при подаче энергии извне (её называют энергией накачки) приобретает способность усиливать оптические колебания в некотором диапазоне длин волн ?л.

В зависимости от агрегатного состояния активной среды лазеры называют твёрдотельными, жидкостными, газовыми В особый класс выделяют ещё полупроводниковые лазеры.

Для измерения расстояний до спутников используются твёрдотельные лазеры. Лазером первого поколения был рубиновый лазер. Рубиновый стержень, выращиваемый в специальных ростовых камерах, представляет собой кристаллическую окись алюминия, в которую добавлены трёхвалентные положительные ионы хрома, играющего роль активатора. Принцип работы лазера рассмотрим на примере рубинового лазера. Энергию накачки в рубиновых лазерах обеспечивает газоразрядная ксеноновая (или ртутная) лампа, спектр излучения которой близок к спектру поглощения рубина. Лампа накачки помещается над рубиновым стержнем и при помощи специального поджигающего устройства работает в импульсном режиме.

Длительность импульса составляет около 10-3 секунды. Цепью обратной связи служит, как правило, открытый оптический резонатор - пара зеркал, установленных по обе стороны от активной среды таким образом, что они возвращают выходящее излучение обратно в эту среду. Одно из этих зеркал глухое с коэффициентом отражения близким к 100%, а другое полупрозрачное, чтобы выводить излучение для дальнейшего использования. Оптический резонатор помещается в кварцевую трубку, стенки которой играют роль отражателя (они фокусируют излучение лампы накачки на рубиновом стержне). Блок - схема рубинового лазера показана на рис.2.

Рис 2. Схема лазера с модуляцией добротности

При облучении рубинового кристалла потоком фотонов от лампы накачки электроны ионов хрома, поглощая фотоны излучения накачки, могут переходить из основного состояния в возбуждённые состояния, запасая при этом некоторое количество энергии. Для атомов или ионов любого вещества характерен определенный дискретный набор возможных возбуждённых состояний (энергетических уровней), причём каждому энергетическому уровню присуще определённое "время жизни" - средняя продолжительность пребывания атома в данном возбуждённом состоянии, после чего накопленная им энергия теряется, и атом переходит на более низкий энергетический уровень (в состояние с меньшим запасом энергии).

Упрощенная схема энергетических уровней иона хрома в рубине и "продолжительность жизни" на каждом из них показана на рис.3, а зависимость населённости энергетических уровней от плотности мощности накачки представлена в виде графиков на рис.4

Рис. 3. Рис. 4

Структура энергетических уровней создаёт возможность накопления возбуждённых ионов на уровне 2. Попавшие на уровень 3 ионы очень быстро оказываются "сброшенными" на уровень 2, и если источник накачки ещё продолжает действовать, переводя на верхний уровень все новые ионы из основного состояния, то через некоторое время большинство их накопится на метастабияьном уровне. лазер автогенератор спутник энергетический

Ситуация, при которой населенность уровня с большей энергией выше населенности уровня с меньшей энергией, называется "инверсией населённости". Ионы, переходящие с уровня 2 на уровень 1, отдают накопленную энергию в виде фотонов с энергией, соответствующей разности энергий этих состояний: hv= Е21.

До тех пор, пока не достигнуто состояние инверсии населённости возникает красное свечение, представляющее собой излучение с узким спектром Отдельные акты испускания фотонов при этом не связаны между собой, каждый возбуждённый ион испускает "свою" волну, отличающуюся от других по частоте, фазе и поляризации. Такое излучение называется спонтанным. Однако при взаимодействии излучённого фотона с возбуждённой средой может происходить и другой процесс -стимулированное (вынужденное) излучение, при котором дополнительно испускаемый фотон "жёстко" связан с первым, вынуждающим, по частоте, фазе и поляризации, так что их совместное излучение представляет собой единую волну (л= c/v = 6943 им).

При достижении инверсии населенности стимулированное излучение начинает преобладать над спонтанным. Коэффициент поглощения а активной среды на частоте, соответствующей переходу иона с метастабильного уровня на основное становится отрицательным и в соответствие с законом Бугера, интенсивность излучения в конце участка l1, будет больше интенсивности в начале участка l0, т.с среда приобретает усиливающие свойства. Поскольку такая среда помещена в оптический резонатор (т.е. создана обратная связь) и если инверсия населённости достаточна для получения усиления, компенсирующего потери в резонаторе и в самой активной среде, то возникает генерация; получается лазер. Излучение при этом представляет собой "гребёнку" импульсов длительностью 106 секунды, разделённых короткими временными промежутками длительностью в несколько микросекунд. Такой режим работы лазера называется режимом свободной генерации. На рис.5 вместе с формой импульса излучения лампы накачки показана временная диаграмма лазерного излучения.

Для измерения расстояний с помощью лазера нужен одиночный мощный импульс как можно меньшей длительности, чтобы получить максимальную точность определения дальности, поэтому режим свободной генерации не удобен для этих целей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6

Для обеспечения работы лазера в режиме измерения расстоянии применяется режим импульсного включения добротности. В этих целях используются механические, электрооптические и фототропные затворы, которые включаются на очень короткое время ближе к концу работы лампы накачки. Большую же часть времени в оптическом резонаторе искусственно поддерживаются большие потери (резонатор разъюстирован и, значит, его добротность мала). В течение этого времени возбуждённые ионы хрома накапливаются на метастабильном энергетическом уровне. Во время же включения затвора добротность резонатора резко возрастает и происходит излучение в виде мощного импульса (рис.6).

2. Лазерная локация Луны

21 июля 1969 года астронавты программы Аполлон-11 установили на Луне первый уголковый отражатель. Позднее подобные же отражатели были установлены астронавтами программ Аполлон-14 и Аполлон-15 (отражатель Аполлона-15 является наиболее крупным, представляет собой панель из трехсот призм). Советские луноходы Луноход-1, доставленный на Луну в рамках миссии Луна-17, и Луноход-2, доставленный в ходе миссии Луна-21, также были оснащены уголковыми отражателями.

Отражатель Лунохода-1 в первые полтора года работы обеспечил порядка 20 наблюдений, но затем его точное положение утерялось, и найти его до сих пор пока не удалось. С остальными четырьмя отражателями проблем не возникло, их постоянное зондирование ведётся в данный момент рядом станций, в том числе Лабораторией реактивного движения НАСА (Jet Propulsion Laboratory, или JPL NASA), которая вела наблюдения по лазерной локации отражателей с самого момента их установки.

Основные станции, осуществляющие лазерную локацию Луны.

-JPL NASA, Калифорния, США

-McDonald, Техас, США

-OCA, Грасс, Франция

-Haleakala, Гавайские острова, США (в данный момент не работает)

-Apache Point, Нью-Мексико, США

-Matera, Матера, Италия

-филиал OCA, Южная Африка (использует прежний прибор станции OCA) ^ Принцип измерения

Лазер излучает сигнал в телескоп, направленный на отражатель, при этом точно фиксируется время, когда сигнал был излучён. Часть фотонов от первоначального сигнала возвращается обратно на детектор с целью зафиксировать начальную точку данных. Площадь пучка от сигнала на поверхности Луны составляет 25 кмІ (площадь уголковых отражателей при этом -- примерно 1 м на 1м). Отражённый от прибора на Луне свет в течение примерно одной секунды возвращается в телескоп, далее проходит через систему фильтрации для получения фотонов на нужной длине волны и для отсева шумов.

Точность наблюдений

С 1970-х годов точность измерения расстояния увеличилась с нескольких десятков (порядка 40) до нескольких (порядка 2-3) сантиметров. Новая станция Apache Point может достигнуть точности порядка миллиметров.

Точность измерения времени в настоящем -- порядка 30 пикосекунд (что и соответствует примерно двум сантиметрам точности измерения расстояния)

Список используемой литературы

1. Сагитов М.Н. Лунная гравиметрия. Москва «Наука», 1979, 403 с.

2. Шевченко В.В., Бусарев В.В., Сурдин В.Г. Физические условия вблизи Луны и планет Солнечной системы// Сборник «Модель космоса», 2007, Москва, «КДУ», том 3, с. 794-861.

3. Muller P.M., Sjogren W.l. Lunar gravimetry and mascons. // Appl. Mech. Revs., 1969, v.22, N 3, p. 955-959

Размещено на Allbest.ru