Введение
Устройство для отражения излучения обратно к источнику
Ретрорефлектор (иногда называемый ретрофлектором или катафотом) — это устройство или поверхность, отражающая излучение (обычно свет) обратно к источнику с минимальным рассеянием. Это происходит в широком диапазоне углов падения, в отличие от плоского зеркала, которое отражает излучение только при точном перпендикулярном расположении к фронту волны, то есть при нулевом угле падения. Благодаря направленности отражение от ретрорефлектора ярче, чем от диффузного отражателя. Наиболее распространены угловые и рефлекторы типа "кошачий глаз".
Фазоконъюгированное зеркало
Третий, гораздо менее распространенный способ создания ретрорефлектора – использование нелинейного оптического явления фазовой конъюгации. Эта техника применяется в передовых оптических системах, таких как мощные лазеры и оптические линии связи. Зеркала фазовой конъюгации отражают входящую волну таким образом, что отраженная волна точно повторяет путь, по которому она пришла, и требуют сравнительно дорогостоящего и сложного оборудования, а также значительных энергозатрат (поскольку нелинейные оптические процессы могут быть эффективными только при достаточно высокой интенсивности). Однако зеркала фазовой конъюгации обладают принципиально более высокой точностью направления ретроотражения, в то время как в пассивных элементах она ограничена механической точностью изготовления.
Операция
Ретрорефлекторы – это устройства, работающие по принципу возврата света обратно к источнику в том же направлении. Коэффициент светоотдачи, RI, является мерой эффективности отражателя и определяется как отношение силы отраженного света (световой интенсивности) к количеству света, падающего на отражатель (нормальной освещенности). Отражатель кажется ярче при увеличении значения RI. Значение RI отражателя зависит от его цвета, размера и состояния. Прозрачные или белые отражатели наиболее эффективны и выглядят ярче, чем отражатели других цветов. Площадь поверхности отражателя пропорциональна значению RI, которое возрастает с увеличением отражающей поверхности.
Корабли, лодки, аварийное снаряжение
Ретроотражающая лента признана и рекомендована Международной конвенцией по безопасности человеческой жизни на море (SOLAS) благодаря высокой отражающей способности как для света, так и для радиолокационных сигналов. Нанесение на спасательные плоты, индивидуальные спасательные средства и другое оборудование безопасности облегчает обнаружение людей и объектов в воде в ночное время. При нанесении на поверхности судов она создает более заметную радиолокационную сигнатуру, особенно для судов из стеклопластика, которые сами по себе отражают радиолокационные сигналы очень слабо. Лента соответствует требованиям Международной морской организации, IMO Res. A.658 (16), и спецификации береговой охраны США 46 CFR, часть 164, подраздел 164.018/5/0. Примеры коммерчески доступных продуктов: 3M под номерами 3150A и 6750I, а также Orafol Oralite FD1403.
Геодезическая съемка
В геодезии ретрорефлектор, обычно называемый призмой, как правило, крепится к геодезическому штативу и используется в качестве цели для измерения расстояния, например, с помощью тахеометра. Оператор прибора или робот направляет лазерный луч на ретрорефлектор. Прибор измеряет время прохождения света и преобразует его в расстояние. Призмы используются в геодезических и 3D-системах мониторинга для измерения изменений горизонтального и вертикального положения точки. Две призмы также могут служить целями для измерения углов с использованием тахеометров или более простых теодолитов; эта методика, напоминающая использование гелиотропа, не предполагает ретрорефлексии как таковой, а требует лишь видимости цели с помощью любого источника освещения (например, солнца) для прямого наведения оптического инструмента на центр призмы.
На Луне
Астронавты в рамках миссий "Аполлон-11", "Аполлон-14" и "Аполлон-15" установили на Луне ретрорефлекторы для проведения эксперимента по лазерной локации Луны. Советские луноходы "Луноход-1" и "Луноход-2" также несли небольшие массивы ретрорефлекторов. Первоначально отраженные сигналы были получены от "Лунохода-1", но с 1971 по 2010 год обратные сигналы не регистрировались, отчасти из-за неопределенности его местоположения на Луне. В 2010 году аппарат был обнаружен на фотографиях, сделанных Lunar Reconnaissance Orbiter, и ретрорефлекторы снова стали использоваться. Массив ретрорефлекторов "Лунохода-2" продолжает возвращать сигналы на Землю. Даже в благоприятных условиях наблюдения удается принять лишь один отраженный фотон каждые несколько секунд. Это затрудняет фильтрацию фотонов, генерируемых лазером, от естественного фона. Ландер "Викрам" миссии "Чандраян-3" доставил на Луну прибор "Лазерный ретрорефлекторный массив" (LRA), предоставленный Центром космических полетов Годдарда НАСА в рамках международного сотрудничества с ISRO. 12 декабря 2023 года Lunar Reconnaissance Orbiter успешно зафиксировал лазерные импульсы, переданные с посадочного модуля "Викрам".
На Марсе
Подобное устройство, лазерный ретрорефлекторный массив (LaRA), было установлено на марсоходе Mars Perseverance. Ретрорефлектор был разработан Национальным институтом ядерной физики Италии, который изготовил прибор по заказу Итальянского космического агентства.
В спутниках
Многие искусственные спутники оснащены ретрорефлекторами, что позволяет отслеживать их с наземных станций. Некоторые спутники были созданы исключительно для лазерной локации. LAGEOS, или Лазерные геодинамические спутники, – это серия научных исследовательских спутников, предназначенных для обеспечения эталонной точки лазерной локации на орбите для геодинамических исследований Земли. Существуют два космических аппарата LAGEOS: LAGEOS 1 (запущен в 1976 году) и LAGEOS 2 (запущен в 1992 году). Они используют ретрорефлекторы кубической формы, изготовленные из кварцевого стекла. По состоянию на 2020 год оба космических аппарата LAGEOS продолжают функционировать. Начиная с 1999 года были запущены три спутника STARSHINE, оборудованные ретрорефлекторами. Спутник LARES был запущен 13 февраля 2012 года. (См. также: Список спутников для лазерной локации.) Другие спутники включают ретрорефлекторы для калибровки и определения орбит, например, в спутниковых навигационных системах (например, все спутники Galileo, большинство спутников GLONASS, спутники IRNSS, BeiDou, QZSS и два спутника GPS), а также в спутниковой гравиметрии (GOCE) и спутниковой альтиметрии (например, TOPEX/Poseidon, Sentinel 3). Ретрорефлекторы также могут использоваться для межспутниковой лазерной локации вместо наземного слежения (например, GRACE FO). Сферический ретрорефлекторный спутник BLITS (Ball Lens In The Space) был выведен на орбиту в рамках запуска ракеты-носителя "Союз" в сентябре 2009 года Федеральным космическим агентством России при поддержке Международной службы лазерной локации (ILRS), независимой организации, первоначально созданной Международной ассоциацией геодезии, Международным астрономическим союзом и международными комитетами. Центральное бюро ILRS расположено в Космическом центре имени Годдарда (Goddard Space Flight Center) в США. Отражатель, представляющий собой линзу Лунеберга, был разработан и изготовлен Институтом точного приборостроения (IPIE) в Москве. Миссия была прекращена в 2013 году после столкновения с космическим мусором.
Оптическая связь в свободном пространстве
Модулируемые ретрорефлекторы, в которых отражательная способность изменяется во времени, являются объектом исследований и разработок для сетей оптической связи в свободном пространстве. Основная концепция таких систем заключается в том, что маломощное удаленное устройство, например, сенсорный узел, может принимать оптический сигнал от базовой станции и отражать модулированный сигнал обратно на базовую станцию. Поскольку оптическая мощность обеспечивается базовой станцией, это позволяет удаленному устройству осуществлять связь без избыточного энергопотребления. Модулируемые ретрорефлекторы также существуют в форме модулированных зеркал фазовой сопряженности (PCM). В последнем случае PCM генерирует волну, "инвертированную во времени", с временным кодированием фазово-сопряженной волны (см., например, SciAm, октябрь 1990 г., "Фоторефрактивный эффект", David M. Pepper и др.). Недорогие угловые ретрорефлекторы используются в технологиях, управляемых пользователем, в качестве оптических каналов передачи данных. Наведение производится ночью, а необходимая площадь ретрорефлектора зависит от дальности наведения и окружающего освещения от уличных фонарей. Сам оптический приемник ведет себя как слабый ретрорефлектор, поскольку содержит большую, точно сфокусированную линзу, которая обнаруживает освещенные объекты в своей фокальной плоскости. Это позволяет осуществлять наведение без ретрорефлектора на небольших расстояниях.
История
Многие животные, являющиеся как жертвами, так и хищниками, обладают естественным ретрорефлексивным зрением благодаря наличию отражающего слоя, называемого Tapetum lucidum, за сетчаткой, что удваивает количество света, достигающего их сетчатки. Вдохновленный природой, изобретателем дорожных "кошачьих глаз" был Перси Шоу из Буттауна, Галифакс, Западный Йоркшир, Англия. Когда в близлежащем пригороде Амблер-Торн демонтировали трамвайные пути, он осознал, что использовал полированные стальные рельсы для ночной ориентации. Название "кошачий глаз" происходит от источника вдохновения Шоу для создания этого устройства: отблеска света в глазах кошки. В 1934 году он запатентовал свое изобретение (патенты № 436,290 и 457,536), а 15 марта 1935 года основал компанию Reflecting Roadstuds Limited в Галифаксе для его производства. "Catseye" – их зарегистрированная торговая марка. Ретрорефлекторные линзы были изобретены на шесть лет раньше для использования в рекламных вывесках Ричардом Холлинсом Мюрреем, бухгалтером из Херефордшира, и, как признавал Шоу, они послужили источником его идеи.