| 307,13 → 307,10 |
|---|
| |
| Jde o konstrukci laseru, který jako aktivního prostředí využívá pevnolátkový krystal čerpaný polovodičovou diodou. V rezonátoru laseru je zároveň umístěn konverzní krystal, který díky nelineárním optickým jevům umožňuje generovat druhou harmonickou frekvenci základní vlnové délky generované aktivním prostředím. Toto konstrukční uspořádání je známo jako \gls{DPSSFD}. |
| |
| |
| \section{Teoretické limity konstrukce} |
| |
| \subsection{Metody generace krátkých impulzů} |
| \section{Metody generace krátkých impulzů} |
| Pro měření vzdálenosti metodou \gls{TOF} je klíčové aby vysílač mohl generovat krátké světelné impulzy. Obvykle se toho dosahuje několika různými metodami. |
| |
| \subsubsection{Volně běžící pulzní režim (PCW)} |
| \subsection{Volně běžící pulzní režim (PCW)} |
| |
| Volně běžící laser je základní metodou, jak se pokusit generovat krátký laserový puls. Princip spočívá v pulzně modulovaném čerpání aktivního prostředí. Laser se pak chová tak, že v době kdy je čerpání pod prahovou úrovní, tak nedochází ke generování laserového záření. S rostoucí intenzitou čerpání (na náběžné hraně čerpacího pulsu) se však laser postupně dostává přes prahovou úroveň a nejdříve generuje sled krátkých impulzů o intenzitě vyšší, než je ustálený kontinuální režim do kterého tyto pulzy postupně konvergují. |
| Po skončení čerpacího pulzu (sestupná hrana) dochází k postupnému exponenciálnímu snižování výstupní intenzity vlivem nenulové doby života fotonů v rezonátoru. |
| 320,50 → 317,50 |
|---|
| |
| Toto chování je důsledkem, rychlostních rovnic popsaných v odstavci \ref{rychlostni_rovnice}. |
| |
| \subsubsection{Q spínání} |
| \subsection{Q spínání} |
| V tomto, režimu je krátký impulz generován tak, že optickému rezonátoru je nejdříve uměle snížena jakost tak, aby nemohlo dojít ke stimulované emisi fotonů, jako je tomu za běžného provozu rezonátoru. Následně je aktivní prostředí laseru načerpáno energií z vnějšího zdroje a v okamžiku nasycení je Q rezonátoru skokově zvýšeno. Tím dojde k definované stimulované emisi přes celou délku aktivního prostředí. A k vygenerování impulsu s vysokou intensitou záření a energií koncentrovanou v čase. Délka takto vygenerovaného impulzu se pohybuje v řádu ns. |
| |
| \subsubsection{Synchronizace módu (Mode-locking)} |
| \subsection{Synchronizace módu (Mode-locking)} |
| |
| Mode-locking je dalším vylepšením Q spínaného režimu a generace krátkého impulzu záření se zde dosahuje sesynchronizováním mnoha podélných módů v optickém rezonátoru tak, že je vždy vybrán pouze mód s největší energií. Metoda je obvykle složitější, protože klade větší nároky na parametry spínače umístěného v rezonátoru ale je možné tak dosáhnout impulzů se sub-nanosekundovou délkou. |
| |
| \subsubsection{Spínání ziskem (gain switching)} |
| \subsection{Spínání ziskem (gain switching)} |
| |
| Poslední známou možností, jak se pokusit laserem generovat krátký světelný impulz je spínání ziskem. Jeho princip je v nastavení pracovního bodu laseru tak, aby úroveň čerpání byla dlouhodobě těsně pod prahem laserové generace. |
| |
| Následně je pak v případě požadavku na vygenerování krátkého impulzu čerpání skokově zvýšeno na maximální úroven a v okamžiku vzniku impulzu naopak opět sníženo pod prahovou úroveň. Výsledkem je vygenerování jednoho laserového impulsu, který je sice delší, než v případě Q spínání, ale má lepší parametry než impulz vygenerovaný volně běžícím režimem. |
| |
| \subsection{Numerický model laserového vysílače} |
| \section{Numerický model laserového vysílače} |
| |
| K zachycení dějů v aktivním prostředí je zajímavé pokusit se o numerické namodelování laseru. Vzhledem, tomu, že jde převážně o materiálové a těžko měřitelné jevy je přesné modelování obtížné, přesto ale bude uvedeno několik základních postupů, které mohou tento problém řešit. |
| |
| \subsubsection{Rychlostní rovnice} |
| \subsection{Rychlostní rovnice} |
| \label{rychlostni_rovnice} |
| |
| Rychlostní rovnice jsou základním matematickým popisem dějů v laserovém systému. Jde o soustavu diferenciálních rovnic, která popisuje inverzi populace kvantových stavů v aktivním krystalu, hustotu fotonů v krystalu spontánní emisi záření. |
| |
| \subsubsection{Generace druhé harmonické} |
| \subsection{Generace druhé harmonické} |
| |
| Samotná generace druhé harmonické je nelineárním jevem, v materiálu krystalu |
| |
| |
| \subsubsection{Spínání impulzu ziskem} |
| \subsection{Spínání impulzu ziskem} |
| |
| |
| \subsection{Zdroje ztrátového výkonu v DPSSFD} |
| \section{Zdroje ztrátového výkonu v DPSSFD} |
| |
| \subsubsection{Účinnost čerpací diody} |
| \subsection{Účinnost čerpací diody} |
| |
| Pro správnou funkci čerpání aktivního prostředí je nutné, aby čerpací dioda emitovala záření co nejpřesněji kopírující špičku absorpce, aktivního materiálu Nd:YVO$_4$ , který se za běžných podmínek nachází na 808nm. |
| |
| V případě, že čerpací vlnová délka se posune mimo tento pík (například teplotním driftem laserové diody), tak dojde k rapidnímu snížení účinnosti. Toto je zvláště nepříjemné, když k takové situaci dojde speciálně vlivem zvýšené teploty čerpací diody. řídící elektronika laseru se totiž v takovém případě může snažit kompenzovat snižující se výstupní výkon zvýšením čerpacího výkonu, což má za následek další tepelné ztráty v laserové diodě a další zvyšování teploty, což může vést až k přehřátí a následnému zničení diody. Z tohoto důvodu je nutné, aby seriózní řídící obvod regulující výstupní výkon laseru měl možnost detekovat tento stav a vhodně reagovat, případně vyřadit zařízení z provozu s chybovým hlášením. |
| |
| \subsubsection{Konverzní účinnost aktivního prostředí} |
| \subsection{Konverzní účinnost aktivního prostředí} |
| |
| |
| \subsubsection{Konverzní účinnost na druhou harmonickou} |
| \subsection{Konverzní účinnost na druhou harmonickou} |
| |
| \subsubsection{Celková účinnost modulu} |
| \subsection{Celková účinnost modulu} |
| |
| \section{Dosavadní řešení problému} |
| |
| 411,15 → 408,15 |
|---|
| |
| Polovodičová čerpací dioda, která je na obrázku (\ref{laser_module}) v levo může mít obecně několik možností konstrukce. Samotné pouzdro diody však obvykle obsahuje kromě laserové diody, generující výstupní svazek, ještě referenční fotodiodu sloužící k získání zpětné vazby z výkonu vystupujícího svazku záření \cite{LD_cerpaci}. Tyto dvě diody mají běžně společný jeden vývod. A protože každá z diod má interně dva vývody, tak je možných několik způsobů zapojení v pouzdře. Označují se písmeny P, N, M viz. obr. \ref{LD_diody}. Referenční dioda pak bývá rozlišována jako \gls{MD} a laserová dioda \gls{LD} . |
| |
| Referenční zpětnovazebná fotodioda, se ale nedá použít ke kalibračním účelům, protože takto indikovaný výkon má mezi jednotlivými várkami laserů rozptyl až jeden řád \cite{LD_driving}. |
| Referenční zpětnovazebná fotodioda se ale nedá použít ke kalibračním účelům, protože takto indikovaný výkon má mezi jednotlivými várkami laserů rozptyl až jeden řád \cite{LD_driving}. |
| |
| Její vyzařovaná vlnová délka je ovšem poměrně silně závislá na teplotě přechodu v polovodičové struktuře a u běžných GaAlAs diod se teplotní koeficient, změny vlnové délky pohybuje okolo hodnoty 0,25nm/$^\circ$C. Což je zvláště kritické při použití aktivního přostředí \acrshort{Nd:YAG} jehož nejúčinnější absorpční čára na 807,5 nm je široká pouze $\sim$1nm. Což klade poměrně vysoké nároky na stabilizaci teploty PN přechodu. Vysoká provozní teplota čerpací laserové diody navíc vede ke zvýšení prahu laserové generace a tím pádem, ke zvýšení potřebného budícího proudu, který má za následek vyšší ztrátový výkon. Dalším problémem, který při vysokých pracovních teplotách může nastat, je mode-hopping, který se projevuje náhodným přeskakováním vyzařovaných vlnových délek \cite{LD_driving}. |
| Vyzařovaná vlnová délka \gls{LD} diody je poměrně silně závislá na teplotě přechodu v polovodičové struktuře a u běžných GaAlAs diod se teplotní koeficient, změny vlnové délky pohybuje okolo hodnoty 0,25nm/$^\circ$C. Což je zvláště kritické při použití aktivního přostředí \acrshort{Nd:YAG} jehož nejúčinnější absorpční čára na 807,5 nm je široká pouze $\sim$1nm. Což klade poměrně vysoké nároky na stabilizaci teploty PN přechodu. Vysoká provozní teplota čerpací laserové diody navíc vede ke zvýšení prahu laserové generace a tím pádem, ke zvýšení potřebného budícího proudu, který má za následek vyšší ztrátový výkon. Dalším problémem, který při vysokých pracovních teplotách může nastat, je mode-hopping, který se projevuje náhodným přeskakováním vyzařovaných vlnových délek \cite{LD_driving}. |
| |
| Z tohoto důvodu, byl pro měření celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z laserového systému. |
| |
| \subsubsection{Optika} |
| |
| Bezprostředně za diodou je čočka, která upravuje záření vycházejí z laserové diody, tak aby bylo možné jej navázat do rezonátoru a čerpat jím aktivní prostředí. |
| Bezprostředně za diodou je čočka, která upravuje záření vycházejí z laserové diody, tak aby bylo možné jej navázat skrz dielektrické zrcadlo na čele krystalu do rezonátoru a čerpat jím aktivní prostředí \acrshort{Nd:YVO}. |
| |
| |
| \subsubsection{Aktivní prostření a konverzní krystal} |
| 428,14 → 425,19 |
|---|
| |
| U starších konstrukcí laserových ukazovátek může být konverzní krystal \acrshort{KTP} oddělený a aktivní prostředí je pak tvořeno samostatným krystalem \acrshort{Nd:YAG} nebo výjimečně \acrshort{Nd:YLF} \cite{laser_pointer} |
| |
| absorpční charakteristika. |
| Použití aktivního prostředí \acrshort{Nd:YVO} je výhodné díky 5x většímu účinnému průřezu stimulované emise, který je větší, než u \acrshort{Nd:YAG} zároveň je také silné široké absorpční čáře, takže modul může pracovat při větším rozsahu teplot. I přes tyto parametry a fakt, že aktivní materiál \acrshort{Nd:YVO} byl objeven už v roce 1966, tak byly velkou překážkou jeho použití problémy s růstem krystalů dostatečné velikosti vhodné pro výbojkové čerpání. Tento problém se však podařilo překonat koherentním čerpáním polovodičovými laserovými diodami. Kde se navíc využívá silné absorpce čerpacího záření v materiálu, takže stačí krystaly velké pouze několik milimetrů \cite{koechner}. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/grafy/NdYVO_absorption.png} |
| \caption{Výstupní výkon \acrshort{Nd:YVO} laseru v závislosti na teplotě diody a vlnové délce \cite{koechner}.} |
| \label{laser_module_original_circuit} |
| \end{figure} |
| |
| \subsubsection{Kolimace výstupního svazku a výstupní IR filtr} |
| |
| Výstupní záření vycházející z optického rezonátoru je ideálně pouze 532nm, které je kolimováno do výstupního svazku s divergencí menší než 0,5mrad. |
| |
| Vzhledem k přesnosti výroby a poměrně vysokých výkonů koherentního čerpání je na výstup laseru ještě z bezpečnostních důvodů zařazen IR filtr, který odstraní případné zbytky čerpacího záření, nebo nezkonvertované záření 1064nm vycházející z rezonátoru. |
| Vzhledem k přesnosti výroby a poměrně vysokých výkonů koherentního čerpání je na výstup laseru ještě z bezpečnostních důvodů zařazen IR filtr, který odstraní případné zbytky čerpacího záření, nebo nezkonvertované záření 1064nm vycházející z dutiny rezonátoru. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \begin{center} |
| 447,7 → 449,7 |
|---|
| \end{figure} |
| |
| Pro oba typy testovaných modulů byl změřen profil svazku ve vzdálené zóně. Měření bylo provedeno zaměřením modulu na 20m vzdálenou stěnu a vyfotografováním vzniklé stopy společně se stupnicí dělenou po mm, bylo možné zkalibrovat úhlové rozlišení snímku. Jas snímků kalibrován není a obrázek tak proto dává přibližnou představu pouze o rozbíhavosti svazků. |
| Naměřené hodnoty 0,2x0,3mrad a 0,15x0,2 lze považovat spíše za horní hranice rozbíhavosti pro tovární nastavení, neboť modul byl před měřením několikrát rozebrán z důvodu průzkumu jeho obsahu, což mělo negativní vliv na přesnost jeho kolimace. Nejlepší naměřená hodnota 0,15mrad je však v podstatě shodná s teoretickým difrakčním limitem odvozeným z rozměrů laseru viz. kapitola \ref{parametry_modulu}. |
| Naměřené hodnoty 0,2x0,3mrad a 0,15x0,2 lze považovat spíše za horní hranice rozbíhavosti pro tovární nastavení modulů, neboť modul byl před měřením několikrát rozebrán z důvodu průzkumu jeho obsahu, což mělo negativní vliv na přesnost jeho kolimace. Nejlepší naměřená hodnota 0,15mrad je však v podstatě shodná s teoretickým difrakčním limitem odvozeným z rozměrů laseru viz. kapitola \ref{parametry_modulu}. |
| |
| Tyto hodnoty divergence lze tak pro uvažovanou aplikaci považovat za více než dostatečné, neboť i největší stopa svazku o divergenci 0,5 mrad bude mít ve výšce 1km nad detektorem rozměr pouze 0,5m což je zaručeně méně, než velikost základny kumulu, či kumulonimbu, který by mohl potenciálně poškodit vybavení observatoře. |
| |
| 454,7 → 456,7 |
|---|
| \subsubsection{Původní "Regulační" obvod} |
| |
| Původní regulační obvod laseru se skládal z operačního zesilovače zapojeného, jako velmi jednoduchý lineární zdroj proudu. |
| Protože takto konstruovaný zdroj proudu má poměrně velký ztrátový výkon a použité součástky jsou vesměs poddimenzovány, tak není možné v zapnutém stavu provozovat ukazovátko delší dobu. |
| Protože takto konstruovaný zdroj proudu má poměrně velký ztrátový výkon a použité součástky jsou vesměs poddimenzovány, tak není možné v zapnutém stavu provozovat ukazovátko delší dobu, ani na něm provádět měření. Tento problém lze ale vyřešit náhradou regulačního obvodu a přidáním chladiče viz. odstavec \ref{proudovy_zdroj}. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/Puvodni_budic.JPG} |
| 465,7 → 467,7 |
|---|
| |
| \subsection{Parametry laserových modulů} |
| \label{parametry_modulu} |
| Všechny tyto běžně dostupné moduly jsou válcové o průměru (11,9 $\pm$ 0,1)mm délky 40mm (5mW) nebo 35mm (5mW). Na výstupní části je 10mm dlouhé osazení s jemným závitem M8 respektive M10. Výstupní apertura modulů je 3,9mm. Průměr svazku na výstupní apertuře je ale pouze 2,3mm (změřeno posuvným měřítkem). |
| Všechny tyto běžně dostupné moduly jsou válcové o průměru (11,9 $\pm$ 0,1)mm délky 40mm (20mW) nebo 35mm (5mW). Na výstupní části je 10mm dlouhé osazení s jemným závitem M8 respektive M10. Výstupní apertura modulů je 3,9mm. Průměr svazku na výstupní apertuře je ale pouze 2,3mm (změřeno posuvným měřítkem). |
| |
| Z těchto parametrů lze tak podle výrazu \ref{difrakcni_limit} určit difrakčně limitovanou minimální divergenci svazku, která je $\sim$ 0,15mrad. |
| |
| 489,8 → 491,9 |
|---|
| \begin{tabular}{ccc} |
| \hline |
| Parametr & hodnota & \\ \hline |
| Výstupní výkon [mW] & & \\ |
| Napěťový úbytek na LD [V] & 2,24 & \\ |
| Výstupní výkon [mW] & 20mW & \\ |
| Napěťový úbytek na LD [V] & 2,24 & \\ |
| Proud čerpací diodou [mA] & & \\ |
| \hline |
| \end{tabular} |
| \end{center} |
| 505,9 → 508,11 |
|---|
| |
| Původní řídící elektronika je taktéž stejná u obou modulů a neliší se ani hodnotami součástek. |
| |
| Optický výstupní výkon modulů byl změřen miliwattmetrem a bylo zjištěno, že v základním nastavení se výstupní výkony všech testovaných modulů pohybují okolo 20mW CW. |
| |
| \subsection{Měření krátkých světelných impulzů} |
| |
| K tomu aby bylo možné kvantifikovat dosažené parametry laserového vysílače, je potřeba umět změřit výstupní časový průběh intenzity záření v impulzu. K tomuto účelu se obvykle využívá zapojení předepjaté PIN fotodiody, která pak díky svojí nízké parazitní kapacitě pracuje jako vhodný snímač pro velmi rychlé děje. Pro účely měření byl proto jeden takový snímač zkonstruován. Jeho zapojení je znázorněno na obrázku \ref{schema_detektoru}. |
| K tomu, aby bylo možné kvantifikovat dosažené parametry laserového vysílače, je potřeba umět změřit i výstupní časový průběh intenzity záření v impulzu. K tomuto účelu se obvykle využívá zapojení předepjaté PIN fotodiody, která pak díky svojí nízké parazitní kapacitě pracuje jako vhodný snímač pro velmi rychlé děje. Pro účely měření byl jeden takový snímač zkonstruován. Jeho zapojení je znázorněno na obrázku \ref{schema_detektoru}. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/SCH_detector.png} |
| 547,7 → 552,7 |
|---|
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/autonomni_impulz.png} |
| \includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/opakovaci_perioda.png} |
| \caption{Časové průběhy výstupních impulzů laseru pro 20mW modul s vhodně nastaveným pracovním bodem.} |
| \caption{Časové průběhy výstupních impulzů laseru pro 20mW modul (typ s větší výstupní hlavou) s vhodně nastaveným pracovním bodem.} |
| \label{relaxacni_kmity_20mW} |
| \end{figure} |
| |
| 554,7 → 559,7 |
|---|
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/1modul_5mW.png} |
| \includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/2modul_5mW.png} |
| \caption{Průběh výstupních impulzů v případě použití 5mW verze modulu.} |
| \caption{Průběh výstupních impulzů v případě použití 5mW verze modulu (typ s menší výstupní hlavou).} |
| \label{realizace_detektoru_5mW} |
| \end{figure} |
| |
| 565,6 → 570,7 |
|---|
| Aby bylo možné uvažovat o použití těchto laserových modulů, jako laserového dálkoměru je z výše popsaných důvodů nutné změnit způsob řízení laserového systému. |
| |
| \subsection{Stabilizovaný zdroj proudu} |
| \label{zdroj_proudu} |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/Current_source.JPG} |
| 591,7 → 597,7 |
|---|
| \hline |
| Parametr & hodnota & \\ \hline |
| Střední výkon [mW] & & \\ |
| Průměrná energie v impulzu [uJ] & 1,24 & \\ |
| Průměrná energie v impulzu [nJ] & 4 & \\ |
| Opakovací frekvence [kHz] & 56 & \\ |
| Divergence výstupního svazku [mrad] & 0,3x0,2 & \\ |
| \hline |