Laserové technologie

Jedním ze základních limitujících faktorů určování polohy při využití globálních navigačních a polohovacích systémů je přesnost zdrojů času umístěných v těchto satelitních konstelacích. V současných generacích navigačního systému GALILEO jsou pro přesné časování a synchronizaci satelitů využívány frekvenční standardy na bázi rubidiových hodin a pasivní vodíkové masery. Výhodami těchto zdrojů jsou jejich robustnost a kompaktní rozměry. Oba tyto zdroje však vykazují poměrně nízkou relativní krátkodobou stabilitu (v řádu 10^-12 až 10^-13), která je však zásadním parametrem pro zpřesnění polohování. Vědecká pracoviště po celém světě proto vyvíjí alternativní zdroje přesného času/kmitočtu, které by mohly tyto standardy nahradit. V současnosti se jeví jako nadějné systémy založené na různých typech optických hodin, které v pozemních laboratořích dosahují stabilit až v 10^-18 řádu. Jejich nasazení v satelitních systémech je však ještě otázkou mnoha roků vývoje.

Alternativou tak může být například využití systémů založených na laserové spektroskopii v absorpčních plynech, jejichž výzkum je i tradičním vědeckým tématem řešeným na Ústavu přístrojové techniky AV ČR. Optické frekvenční reference na bázi absorpčních kyvet vyvíjené na ÚPT nachází uplatnění např. v laserových standardech pro budoucí generace GALILEO (mise COMPASSO německého institutu DLR – demonstrátor určený k instalaci na mezinárodní kosmické stanici se startem v roce 2025), při přípravě mise Evropské kosmické agentury LISA (testování laserových interferometrů pro detekci gravitačních vln) nebo v laserových standardech pro detektory gravitačních vln DECIGO vyvíjených v Japonsku kosmickou agenturou JAXA.

Obr. 1: Absorpční jodová kyveta pro testy interferometrů mise LISA.

V souvislosti s podporou realizace mise ESA LISA (Laser Interferometer Space Antenna) pro detekci gravitačních vln v kosmu a především díky účasti České republiky na vývoji mechanismů FSUA (Fibre Switch Unit Actuators) vyvstal požadavek na otestování správné funkce a ověření klíčových parametrů těchto zařízení. Skrz mechanismus FSUA prochází laserový svazek mířící na obrovské vzdálenosti mezi jednotlivými satelity a jsou zde tak extrémní nároky na mechanickou stabilitu prvku. Mechanické deformace způsobené např. stárnutím materiálu nebo změnami okolního prostředí (teplotní roztažnost materiálu) by mohly způsobit vychýlení svazku z požadovaného směru a poruchu celého zařízení.

Řešitelé programu Vesmír pro lidstvo proto věnují tomuto problému zásadní pozornost a ve spolupráci několika ústavů Akademie věd probíhá vedle návrhu a vývoje samotného mechanismu FSUA i vývoj testovací aparatury pro měření těchto nežádoucích vlivů. Testovací sestava založená na bezkontaktních metodách laserové interferometrie dovolí měřit deformace mechanismu s nanometrovým rozlišením a bude využitelná i pro kontrolu dalších optomechanických prvků nejen v misi LISA.

Obr. 2: Měřící aparatura diferenčního laserového interferometru pro zkoušky mechanismu FSUA.

Ing. Jan Hrabina, Ph.D.
Ústav přístrojové techniky AV ČR
e-mail: hrabina(at)isibrno.cz
tel.: 541 514 127