Mediciones láser a satétiles desde Concepción – pulsos ultracortos de láser para la geociencia Bernd Sierk, Observatorio TIGO

Satellite Laser Ranging Mediciónes Láser a Satélites distancia = ½ ∙ tiempo(ida+vuelta) ∙ m/s tiempo de viaje unos millisegundos medición de tiempo de viaje con relojes atomicos ancho de pulso láser 35 picosegundos ∼ 1 cm Características del método medición time-of-flight inambiguo satélites desde 250 hasta km y luna segmento de espacio pasivo operación día y noche (cielos despejados)‏ Disponibilidad de datos cerca tiempo real Corrección de refracción simple precisión de órbitas 1-3 cm

Eschema de un sistema SLR

Satellite Laser Ranging Un poco de historia 1964: primeros mediciones SLR a satélite Beacon-B realizado por NASA GSFC objetivo: determinación de órbita precisión: precisión 3 metros

Satellite Laser Ranging Un poco de historia : Apollo 11, 14 y 15 instalan retroreflecores en la luna objetivo monitoreo de distancia tierra-luna precisión'

Satellite Laser Ranging Un poco de historia

Satellite Laser Ranging Mediciónes Láser a Satélites

Lunar Laser Ranging El experimento continuo LLR sigue por 40 años. Algunos resultados son la luna se aleja de la tierra por 38 mm por año la luna probablemente tiene un nucleo liquido de un radio de approx 350 km confirmó las predicciones de relatividad general para la órbita de la luna el constante de gravitación universal no cambió dentro de 1/ desde 1969

LAGEOS y el red global LAser GEodynamic Satellite 1 y 2 lanzamientos en 1976 y 1992 altitud 5850 km diametro 60 cm masa 407 kg 426 retroreflectores La órbita extremamente estable del satélite define una referencia estable para medir movimientos en la tierra tectónicos polares mareas geocentro

SLR para calibrar órbitas El red global de estaciones SLR apoya misiones que requiren la más alta precisión de órbita para interpretar sus datos sistemas de navegación global: GPS, Galileo, etc. satélites de teledetección Envisat, TerraSAR-X Jason, GOCE

International Laser Ranging Service organisación sin fin de lucro fundado de 1998 presta servicio a los operadores de satélites y científicos que analizan los datos datos publicos prove una infraestructura global para la comunidad científica internacional

El principio del láser ➲ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación)‏ ➲ Componentes de un láser medio de ganancia (puede ser gas (e.g. CO 2 ), cristal solido, semiconductor)‏ resonador o cavidad (2 espejos terminales en que se forma una onda estacionaria)‏ fuente de bombeo para realisar una inversión de población de estados cuanticos de los atomos en el medio de ganancia

Formación de pulsos láser Q-switch En Q-switching se modula la calidad de la cavidad cuando el switch está en off (Q bajo), no se forman ondas estacionarias permite que la inversión de población de aumenta sin perdidas por amplificación óptica cuando switch cambia a Q alto, de repente ocure emisión estimulada se forma un pulso láser corto y intenso duración de pulsos algunos nanosegundos

En un resonador de láser se generan ondas estacionarios de luz que cumplen: se emite un espectro de líneas distintas: modos longitudinales con separación los modos longitudinales de una cavidad láser se superponen de manera casual en “mode-locking” se genera un interferencia constructiva de los modos longitudinales para esto se requiere una relación fija de los fases de los modos se genera por una modulación de Q con la frecuencia coresponde a la frecuencia de un pulso oscilando (ida y vuelta) en la cavidad resonante Formación de pulsos láser acoplamiento de modos

Una onda estacionaria en un resonador de láser acoplamiento de modos

Tres ondas estacionarias en un resonador de láser Superposicion de los ondas individuales Si tienen una relación de fase definida, pueden interferir constructivamente acoplamiento de modos

Cinco ondas estacionarias en un resonador de láser La onda que resulta tiene un maximo local Se forma un pulso que oscila en el resonador Lo más ondas que interfieren lo más angosto es el pulso resultando

Una onda estacionario en la cavidad acoplamiento de modos

15 modos longitudinales SIN relación fixa de fases no resultan en un pulso pero en emisión contiua de todos los longitudes de onda acoplamiento de modos

15 modos longitudinales CON relación fixa de fases se resulta un pulso que oscila en la cavidad acoplamiento de modos

55 modos longitudinales CON relación fixa de fases el pulso resultando es más corto acoplamiento de modos

119 modos longitudinales CON relación fixa de fases el pulso resultando es incluzo más corto acoplamiento de modos

lo más modos están acoplados, lo más corto el pulso que forman acoplamiento de modos La duración mínimo es TBD= time-bandwidth product, para Gaussian 0.44 N= numero de modos longitudinales para generar pulsos ultracortos se require un medio con ancha banda de emisión para maximizar N

Titanio-Zafiro cristal corindón (Al 2 O 3 ) dopado por ionos titanio Ti 3+ (0.1%)‏ los ionos de titanio provocan una deformacion de la estructura cristalica campos electricos locales dividen los estados de energia del atomo titanio resulta en un gran espectro de florescencia un láser Ti:Saph puede emitir luz con ancho de banda de 300 nm Δt min = 3.4 femtosegundos

acoplamiento de modos activo acousto-optic modulator (AOM)‏ En un cristal de cuarzo se generan ondas acústicas por un transductor piezo-electrico induce variaciones periodicos de la densidad del cristal y del index de refracción parte del haz incidente está diffractado fuera de la dirección originál la intensidad el haz está modulado con la frecuencia aplicada al AOM Desventajas perdidas de intensidad frecuencia de modulación debe coresponder exactamente al periodo del oscilador difícil controlar la longitud de la cavidad L  pulso inestable

acoplamiento de modos pasivo SESAM SEmiconducting Saturable Absorbing Mirror = Espejo Semiconductor con Absorbente Saturable espejo Bragg compuesto de capas alternadas de 2 materiales semiconductores (GaAs y AlAs) de ancho /4 determina la longitud de onda central Absorbante saturable (InGaAs) encerrado en un pozo de potencial (no permite intercambio de electronos)‏ atenua la radiación por absorpción pero pierde su capacidad de absorber rapidamente si la intensidad de luz logra un limite tecnica nueva para obtener operación de modos bloqueados

Absorción de fotónes del luz láser levanta los electronos en la banda de valencia del absorbante a la banda de conducción En caso de saturación, todos estados cuanticos en la banda de conducción son ocupados De repente, procesos de absorpción no más son posibles -> el material se transforme transparente Proceso de seleccion: se amplifican ondas intensos, se opriman ondas debiles empezando con oscilaciones casuales, se amplifican sólo modos de láser que tienen un maximo en la capa de absorbante se resultan modos longitudinales con relación de fase fixa  acoplamiento de modos acoplamiento de modos pasivo SESAM

Pulsos de láser ultra-cortos Láseres de femtosegundos tienen muchas aplicaciones experimientos de fusión nuclear óptica nonlinear (SHG, SPDC)‏ micro-fabricación Peine de frecuancias ópticas

PFO establece un vinculo entre frecuencias ópticas y RF dos direcciones de aplicación generación de líneas de referencia relojes atómicos ópticos premio nobel en física 2005 para Theodor Haensch

El sistema antiguo

Propagación de los rayos

La caja austriaca

El oscilador láser

La caja austriaca

Propagación de los rayos

...y finalmente se dirige al satélite

Conclusiones ➲ Hemos cambiado el sistema láser bloqueo de modos activo pasivo, mejor estabilidad del pulso Frequencia 10 Hz 100 Hz, más retornos amplificadores bombeado con lamperas bombeado por diodos láser, más estabilidad de potencia ➲ Aprovechamos de los ultimos desarollos en tecnologia de semiconductores ➲ Significamente mejoramos la cantidad y precisión de los resultados