| 347,6 → 347,9 |
|---|
| \subsection{Spínání impulzu ziskem} |
| |
| |
| \section{Relaxační kmity pevnolátkových laserů} |
| |
| |
| \section{Zdroje ztrátového výkonu v DPSSFD} |
| |
| \subsection{Účinnost čerpací diody} |
| 376,9 → 379,6 |
|---|
| |
| \chapter{Řešení} |
| |
| |
| \section{Konstrukce laserového vysílače} |
| |
| Pro konstrukci laserového vysílače vhodného pro ToF LRF, je potřeba několik dílčích součástí. Znázorněných v blokovém schématu. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| 392,7 → 392,7 |
|---|
| |
| \end{description} |
| |
| \subsection{Konstrukce DPSSFD modulu} |
| \section{Konstrukce DPSSFD modulu} |
| |
| |
| Typická konfigurace levného diodově čerpaného laseru s generováním druhé harmonické 532nm je zobrazena na obrázku \ref{laser_module}. |
| 404,7 → 404,7 |
|---|
| \end{figure} |
| |
| |
| \subsubsection{Čerpací dioda} |
| \subsection{Čerpací dioda} |
| |
| 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} . |
| |
| 414,12 → 414,12 |
|---|
| |
| Z tohoto důvodu, byl pro měření celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z laserového systému. |
| |
| \subsubsection{Optika} |
| \subsection{Čerpací optika} |
| |
| 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}. |
| Bezprostředně za diodou je některých konstrukcí 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}. V testovaných modulech ale čočka byla vynechána a vazba čerpací diody s rezonátorem je tvořena pouze přímým kontaktem aktivního krystalu a čela diody. |
| |
| |
| \subsubsection{Aktivní prostření a konverzní krystal} |
| \subsection{Aktivní prostření a konverzní krystal} |
| |
| Aktivním prostředím v laserovém modulu je obvykle krystal \acrshort{Nd:YVO} kombinovaný s konverzním krystalem \acrshort{KTP} do bloku o rozměrech 1x1x3mm, který je přímo nalepený na mosazném držáku zajišťujícím odvod tepla. Přes tento krystal je našroubovaný další mosazný díl, který obsahuje expanzní čočku a IR filtr. Je možné, že tento prostřední díl společně s čočkou funguje částečně jako čerpací dutina. Protože při jeho odmontování byl pozorován pokles intenzity výstupního záření. |
| |
| 433,7 → 433,7 |
|---|
| \label{laser_module_original_circuit} |
| \end{figure} |
| |
| \subsubsection{Kolimace výstupního svazku a výstupní IR filtr} |
| \subsection{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. |
| |
| 453,7 → 453,7 |
|---|
| |
| 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. |
| |
| \subsubsection{Původní "Regulační" obvod} |
| \subsection{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, ani na něm provádět měření. Tento problém lze ale vyřešit náhradou regulačního obvodu a přidáním chladiče viz. odstavec \ref{proudovy_zdroj}. |
| 465,7 → 465,7 |
|---|
| \end{figure} |
| |
| |
| \subsection{Parametry laserových modulů} |
| \section{Parametry laserových modulů} |
| \label{parametry_modulu} |
| 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). |
| |
| 480,7 → 480,7 |
|---|
| |
| |
| |
| \subsubsection{Běžné provozní hodnoty} |
| \subsection{Běžné provozní hodnoty} |
| |
| Za běžných provozních hodnot je laserový modul provozován v pracovním bodě. |
| |
| 501,7 → 501,7 |
|---|
| \end{table} |
| |
| |
| \subsubsection{Rozdíly mezi laserovými moduly} |
| \subsection{Rozdíly mezi laserovými moduly} |
| |
| Hlavní rozdíl mezi moduly je výrobcem udávaný kontinuální výstupní výkon modulu a pracovní napětí, které je u 20mW modulu udáváno jako 3V a u 5mW modulu 5V. U testovaných levných laserových modulů nebyl zjištěn žádný výrazný konstrukční rozdíl. Pouze výkonnější z modulů (20mW) má masivnější materiál okolo výstupní optiky, patrně kvůli zlepšení přestupu odpadního tepla do pláště ukazovátka. |
| Ostatní části jsou identické u obou výkonových verzí včetně samotného aktivního krystalu. Nelze však jednoduše potvrdit, že je identická i samotná čerpací dioda, neboť na jejím pouzdře chybí typové označení. Existuje možnost že je uvedeno na boční straně diody, ale k němu se nelze jednoduchým způsobem dostat bez totální destrukce modulu, protože čerpací dioda je zalepena v masivním mosazném elementu. |
| 510,9 → 510,9 |
|---|
| |
| 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} |
| \section{Měření krátkých světelných impulzů} |
| |
| 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}. |
| 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}. Použitá PIN dioda je CENTRONIC - OSD1-5T s kapacitou přechodu 7pF a aktivní plochou 1mm$^2$ \cite{PIN_dioda}. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/SCH_detector.png} |
| 531,15 → 531,13 |
|---|
| \end{center} |
| \end{figure} |
| |
| \section{Relaxační kmity DPSSDF modulu} |
| \section{Relaxační kmity DPSSFD modulu} |
| |
| Během měření charakteristik modulů na zkonstruovaném zdroji proudu bylo zjištěno, že existuje pracovní oblast, kde dochází k samovolné pulzní modulaci výstupního záření. Tato oblast se nachází těsně nad prahem laserové generace. A lze jí nalézt postupným zvyšováním čerpacího výkonu a sledováním časové charakteristiky výstupního záření. |
| Při určité úrovni tato pulzní modulace dosahuje maximálního kontrastu a při dalším zvyšování úrovně čerpání se pulzy rozlévají i do oblastí s původně nulovou intenzitou záření. Až při dosažení běžného pracovního bodu je výstupní záření téměř konstantní v čase. |
| |
| Konkrétní pracovní bod ve kterém k takovýmto kmitům dojde je ale závislý na podmínkách ve kterých je laserový modul provozován. Podle pozorování má na tento jev vliv hlavně teplota. |
| Konkrétní pracovní bod ve kterém k takovýmto kmitům dojde je ale závislý na podmínkách ve kterých je laserový modul provozován. Podle pozorování má na tento jev vliv hlavně teplota modulu. |
| |
| Práh generace použitých modulů. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{../../mereni/zdroj_proudu/PI_chart.png} |
| \caption{Závislost intenzity výstupního záření na proudu čerpací diodou.} |
| 546,13 → 544,15 |
|---|
| \label{proudovy_zdroj} |
| \end{figure} |
| |
| Jednou z uvažovaných konstrukčních variant vysílače pro laserový dálkoměr bylo využití těchto autonomních kmitů laseru, jako zdroje vhodných laserových impulzů. Ovšem vzhledem k nestabilitě tohoto režimu by tato možnost vyžadovala detekci nestabilního stavu regulačním obvodem, čehož by bylo zřejmě pravděpodobně možné dosáhnout Fourierovým rozkladem výstupního signálu a analýzou frekvenčních komponent. Ale vzhledem k faktu, že průběhy generované jednotlivými typy laserů nejsou naprosto identické, tak by byla tato cesta velmi komplikovaná. |
| Z tohoto důvodu bylo zvoleno méně komplikované řešení - generování impulzů pulzním čerpáním a využití techniky spínání ziskem. |
| Jednou z uvažovaných konstrukčních variant vysílače pro laserový dálkoměr bylo využití těchto autonomních kmitů laseru, jako zdroje vhodných laserových impulzů. Ovšem vzhledem k nestabilitě tohoto režimu by tato možnost vyžadovala stabilizaci tohoto stavu regulačním obvodem, čehož by bylo asi možné dosáhnout Fourierovým rozkladem výstupního signálu a analýzou frekvenčních komponent. Ale vzhledem k faktu, že průběhy generované jednotlivými typy laserů nejsou naprosto identické, tak by byla tato cesta velmi komplikovaná. |
| Navíc při měření výstupní energie, těchto relaxačních oscilací se ukázalo, že energie obsažená v jenom pulzu se pohybuje v rozsahu jednotek nJ. Konkrétně byla změřena hodnota 5,7 nJ při opakovací frekvenci 56kHz. Tuto energii nelze považovat za uspokojivý výsledek i přes to, že laserový vysílač má pracovat hlavně v noci a tudíž by bylo možné si dovolit zvyšování optické účinnosti z rovnice (\ref{radarova_rovnice}) zvětšováním vstupní apertury teleskopu přijímače. Velká vstupní apertura detektoru je ale z konstrukčních důvodů nepraktická. |
| |
| Proto bylo zvoleno méně komplikované řešení - generování impulzů pulzním čerpáním a využití techniky spínání ziskem. |
| |
| \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 (typ s větší výstupní hlavou) s vhodně nastaveným pracovním bodem.} |
| \caption{Časové průběhy výstupních impulzů laseru pro 20mW modul (typ s větší výstupní hlavou M10) s vhodně nastaveným pracovním bodem.} |
| \label{relaxacni_kmity_20mW} |
| \end{figure} |
| |
| 559,15 → 559,15 |
|---|
| \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 (typ s menší výstupní hlavou).} |
| \caption{Průběh výstupních impulzů v případě použití 5mW verze modulu (typ s menší výstupní hlavou M8).} |
| \label{realizace_detektoru_5mW} |
| \end{figure} |
| |
| Těchto autonomně generovaných průběhů bylo možné dosáhnout již s původním regulačním obvodem. Avšak vzhledem k tomu, že ten je výkonově poddimenzován, tak nebylo přípustné modul takovým způsobem používat delší dobu. |
| Těchto autonomně generovaných průběhů bylo možné dosáhnout již s původním regulačním obvodem. Avšak vzhledem k tomu, že ten je výkonově poddimenzován, tak nebylo možné modul takovým způsobem používat delší dobu. |
| |
| \section{Vlastní Řídící elektronika} |
| |
| Aby bylo možné uvažovat o použití těchto laserových modulů, jako laserového dálkoměru je z výše popsaných důvodů nutné změnit způsob řízení laserového systému. |
| Aby bylo možné uvažovat o použití těchto laserových modulů, jako laserového dálkoměru je z výše popsaných důvodů nutné změnit způsob regulace laserového systému. |
| |
| \subsection{Stabilizovaný zdroj proudu} |
| \label{zdroj_proudu} |
| 578,7 → 578,7 |
|---|
| \label{proudovy_zdroj} |
| \end{figure} |
| |
| Stabilizovaný zdroj proudu byl jedním z prvních pokusů o zlepšení parametrů stávajícího řízení. Je zkonstruován opět jako lineární zdroj , ale jako výstupní budič je použit výkonový operační zesilovač L165. Proud je stabilizován udržováním napěťového úbytku na měřícím odporu. Tato hodnota je nastavována odporovým děličem ze zdroje referenčního napětí LM431. |
| Stabilizovaný zdroj proudu byl jedním z prvních pokusů o zlepšení parametrů stávající regulace. Je zkonstruován opět jako lineární zdroj, ale jako výstupní budič je použit výkonový operační zesilovač L165. Proud je stabilizován udržováním napěťového úbytku na měřícím odporu. Tato hodnota je nastavována odporovým děličem ze zdroje referenčního napětí LM431. |
| |
| Na měřícím odporu je pak výstupem operačního zesilovače udržováno toto referenční napětí. |
| |
| 596,14 → 596,14 |
|---|
| \begin{tabular}{ccc} |
| \hline |
| Parametr & hodnota & \\ \hline |
| Střední výkon [mW] & & \\ |
| Průměrná energie v impulzu [nJ] & 4 & \\ |
| Opakovací frekvence [kHz] & 56 & \\ |
| Střední výkon [uW] & 320 & \\ |
| Průměrná energie v impulzu [nJ] & 4,3--5,7 & \\ |
| Opakovací frekvence [kHz] & 56--74 & \\ |
| Divergence výstupního svazku [mrad] & 0,3x0,2 & \\ |
| \hline |
| \end{tabular} |
| \end{center} |
| \label{parametry_puvodni_regulator} |
| \label{parametry_proudovy_zdroj} |
| \end{table} |
| |
| |
| 687,7 → 687,7 |
|---|
| Pokud budeme vycházet z dříve realizovaných konstrukcí laserových dálkoměrů pro atmosférická měření, tak potřebná energie v jednom impulzu se pohybuje okolo 0,5uJ/100ns. Což odpovídá špičkovému výkonu 5W. |
| |
| Z toho vyplývá, že pro lidský zrak je problematická zóna do vzdálenosti Xm od vysílače. Existují sice speciální vlnové délky označované, jako Eye Safe okolo 1500nm, které neprochází rohovkou a tudíž, jsou částečně bezpečné pro oční sítnici. Ovšem tato vlnová délka není příliš vhodná pro detekci oblačnosti a navíc právní norma žádné skutečné Eye Safe vlnové délky nezná. Rešením tohoto problému může být rekolimace svazku do většího průměru hned na výstupu vysílače. |
| Casteně lze ale předpokládat, že bezpečnosti provozu vysílače napomůže i fakt, že generovaná vlnová délka je ve viditelné oblasti světla. A tudíž se nejedná o skryté nebezpeční avšak uvažovaná aplikace vysílače patří z hlediska bezpečnostních podmínek k nejproblematičtějším - svazek je vyzařovaný svisle vzhůru, měření bude prováděno hlavně v noci což znamená za největšího průměru očních zornic a od obsluhy nelze reálně očekávat využití ochranných brýlí. |
| Casteně lze ale předpokládat, že bezpečnosti provozu vysílače napomůže i fakt, že generovaná vlnová délka je ve viditelné oblasti světla a stopa svazku ve vzduchu je navíc dobře viditelná. A tudíž se nejedná o skryté nebezpeční avšak uvažovaná aplikace vysílače patří z hlediska bezpečnostních podmínek k nejproblematičtějším - svazek je vyzařovaný svisle vzhůru, měření bude prováděno hlavně v noci což znamená za největšího průměru očních zornic a od obsluhy nelze reálně očekávat využití ochranných brýlí. |
| |
| \chapter{Závěr} |
| |