1 / 25

Jak chytit jeden foton aneb Laserov á měření vzdáleností a p řenos přesného času v kosmu

Jak chytit jeden foton aneb Laserov á měření vzdáleností a p řenos přesného času v kosmu. Ivan Proch ázka FJFI ČVUT v Praze, Katedra fyzikální elektroniky Trojanova 13, Praha 2. WHY Single photon detection ?. Not just „ .. higher sensitivity .. „.

stacy-poole
Download Presentation

Jak chytit jeden foton aneb Laserov á měření vzdáleností a p řenos přesného času v kosmu

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Jak chytit jeden fotonanebLaserová měření vzdáleností a přenos přesného času v kosmu Ivan Procházka FJFI ČVUT v Praze, Katedra fyzikální elektroniky Trojanova 13, Praha 2

  2. WHY Single photon detection ? Not just „ .. higher sensitivity.. „ • quantum nature of light = > two states detected 0 / 1 • NO analog signal processing, inherently digital = > minimizing systematic errors • Extremely low signals ( << 0.001 photon/pulse) detectable High dynamical range without degrading timing performance • Measurement by-products optical signal intensity & shape precision • picosecond resolution, sub-ps stability • ps accuracy achievable • Space qualified devices available

  3. Photon counting mechanismswith electrical output PHOTOCATHODE in VACUUM - electrons released from cathode by photon absorption - carrier multiplication by secondary emission cascade • SEMICONDUCTING - photon generated carrier pair in PN junction - carrier multiplication by avalanche buil up • SUPERCONDUCTING - photon induced change in resistivity or temperature - no / low internal gain

  4. Single Photon Detectors made by CTU Detector chips Si ,100 um,TE cooled GaAs messa GaAsP, 350 um Active quenching and gating circuit Complete detector packages 130 mm 60 mm

  5. Laser Retro Reflector Array installed on the MoonAPOLLO 11 July 1969

  6. Laserové měření družic - princip

  7. Satellite Laser Ranging - principle

  8. Satellite and Lunar Laser Ranging retro reflectors Moon transmit Received intensity receive Transmitting 0,1 J ~ 1018 photons, 10 Hz Earth (<n> received ~ 0.01) Solar flux 1022 photons/secSignal / Noise ~ 10 -23 ( !! ) => Moon is a limit distance (380 ooo km)

  9. Satellite Laser Ranging – unique features 0.2 mm2010 Precision Accuracy – Reference for other techniques Reference frame Plate motion monitoring

  10. Satellite Laser Ranging - principle

  11. Československo 19703. země na světě po USA a Francii Skalka – Ondřejov, 1972 A.Novotný T.Daříček H. Jelínková V. Kubeček M. Čech J. Blažej I. Procházka Prof. Karel HamalČVUT v Praze Prof. Hamal koordinátorem projektu INTERKOSMOS 1973 – 1990 Stavba a provoz stanic na 4 kontinentech

  12. Satellite Laser Ranging – International network

  13. Aktivity v kosmických projektechČVUT v Praze, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská Laserové měření vzdáleností družic 1973 – 1991vybudována celosvětová síť stanic, INTERKOSMOSvývoj detekčních technologií Detektory fotonů SPAD pro měření družic 1989 – dosud instalace 25x na 5 kontinentech Altimetr pro kosmickou sondu k Marsu, Rusko 1991 – 1995LIDAR pro kosmickou sondu k Marsu, NASA 1993 – 1998 Měřící časová ústředna pro kosmické projekty 1997 – dosud Japonsko, Čína, DLR Německo, … Laserový přenos času 2002 – dosudČína, CNES – NASA, ESA, Rusko I.Procházka, Praha , červen 2011

  14. Laserový přenos času - princip naše optické detektory T … pozemní hodiny E … hodiny v kosmu D … vzdálenost / zpožděnílaserové měření vzdálenostímm / 10 ps absolutní přesnost I.Procházka,Praha , červen 2011 I.Procházka, Praha , červen 2011

  15. Time Transfer by a Laser Light T2L2 • ps laser ranging and timing • two way ranging to LEO => ps clock comparison inter-continental scale • Launched with Jason-2 (2008) • 10 cm one way ranging and navigation • solar system scale • celestial mechanics • gravity waves,... E.Samain et al, OCA, France, Projects Jason-2 (CNES), ESA, China, TIPO, ASTROD,..

  16. Data mining GOALS • identification of a useful signal within the noise = > elimination of raw errors in the case, when number of raw errors is much larger than number of useful signal • estimation of probability of correct signal identification • =>

  17. Data mining GENERAL RULE • the signal is correlated • the noise is random • => STRATEGY • The key problem - identification of effects, with which the signal is correlated • impulse effects epoch • periodic effects period • other effects time known effect

  18. Data mining Example • Satellite Laser Ranging data mining correlation direction wavelength epoch • direct TV broadcasting direction frequency polarization • =>

  19. Laboratoř pokročilých kosmických technologiíKatedra fyzikální elektroniky obor Fyzikální elektronika (Bc)obor Laserová technika a elektronika (Ms) Prof. Ivan ProcházkaTN 314, tel. 22435-8658Ivan.Prochazka@fjfi.cvut.cz Ing. Josef Blažej, PhD.TN 311, tel. 22435-8659Josef.Blazej@fjfi.cvut.cz

  20. - Elektronika a fotonika - Optika a laserová technika - Aplikace laserů - Programování, SW simulace - Zpracování signálů - Metrologie Zapojení studentů do řešení úkolů Odpovídající vybavení laboratoří Témata i pro studenty jiných specializací (!) Účast v mezinárodních programech,široké pole kontaktů Studenti jsou úspěšní v zahraničních stážích i zaměstnáních Laboratoř pokročilých kosmických technologií obor Fyzikální elektronika (Bc)obor Laserová technika a elektronika (Ms)

  21. Studentské práce pravidelně oceněné Siemens, Hlávkova nadace, Cena rektora, European Time and Frequency Award,… Studenti pokračují Bc, Mgr, PhD Aktuálně 6 doktorandů Témata studentských prací v posledních letechEuropean Laser Timing optics (Bc) Optical diagnostics 2 x (Bc) Signal processing in mechanics (Bc) Laser for velocity measurements (Bc) Software package for Mars Lander (Ms) Millimeter ranging in space (Ms, PhD) Laser altimeter for space 2x (Bc, PhD) Freq. std. controlled by GPS 2x (Bc) Picoseconds photon counting (Bc, Ms, PhD) Laboratoř Pokročilých kosmických technologií Obor Fyzikální elektronika (Bc)Obor Laserová technika a elektronika (Ms)

  22. CNES–NASA Jason–2, 20.6. 2008 LTT package 3.5 kg, 17 Watts Existující kosmické mise – přenos časuNaše detektory fotonů pracují na 5 družicích Čína Compass M1 14.4. 2007 Compass IGSO–11. 8. 2010 CompassIGSO–330.4.2011 Compass M4 2012 I.Procházka, Praha, duben 2012

  23. Pouzdro a optika detektoru Montáž detektoru na ČVUT v Praze Přenos přesného času laserovými pulsy ESAEuropean Laser Timing ELT, návrh: Procházka & Schreiber 2008 • Atomic Clock Ensemble in Space (ACES)soubor atomových hodin v kosmu, start 2015 • Laserové měření vzdáleností + přenos času Země↔družice ↔ Země • Náš optický detektor fotonů (ČVUT & CSRC)I.Procházka je koordinátorem projektu ESA I.Procházka, Praha, duben 2012

  24. Naši partneři v mezinárodních projektechchronologicky 1990-2013 • Space Research Institute, Moscow, Russia • Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China • Communication Research Labs, Tokyo, Japan • National Res.Inst.of Astronomy and Geophysics, Egypt • International Laser Ranging Service, NASA, USA • Electro Optics Systems pty Ltd, Canberra, Australia • University of Bern, Swittzerland • Space Research Institute AS, Graz, Austria • National Environmental Research Council NERC, UK • Federal Bureau for Mapping and Geodesy, Germany • CNRS - Toulose, France • Academy of Surveying and Mapping, Beijin, China • Naval Observatory of Spain, San Fernando, Spain • King Abdul City of Science and Technology, Saudi Arabia • Deutsches Luft und Raumfahrt, Berlin Germany • Goddard Space Flight Center, NASA, Greenbelt USA • European Space Agency, ESA Europe • Korea Astronomy & Space Science Institute South Korea • OAO NPK CPP, Moscow Russia • Technical University Munich Germany I.Procházka, Praha, duben 2012

  25. Laboratoř pokročilých kosmických technologiíobor Fyzikální elektronika (Bc)obor Laserová technika a elektronika (Ms) Prof. Ivan ProcházkaTN 314, tel. 22435-8658Ivan.Prochazka@fjfi.cvut.cz Ing. Josef Blažej, PhD.TN 311, tel. 22435-8659Josef.Blazej@fjfi.cvut.cz

More Related