| 28,6 → 28,8 |
|---|
| |
| \newcommand{\vsp}[1]{\vspace{#1mm}} |
| |
| \hyphenation{LASER} |
| |
| \begin{document} |
| \pagenumbering{roman} |
| |
| 252,7 → 254,7 |
|---|
| \item[$K$] je parametr závisející na typech plynů v prostředí a jejich parciálních tlacích. |
| \end{description} |
| |
| Pro měření oblačnosti (částic) je však podstatný Mieův rozptyl (Mie scaterring), ke kterému dochází na částicích, které jsou srovnatelné s vlnovou délkou záření. Tento rozptyl má složitější závislost na vlnové délce, než Rayleighův. Naměřená závislost ze zdroje \cite{snih_vlocky} je však uvedena na obrázku \ref{odrazivost_mraky}. |
| Pro měření oblačnosti (částic) je však podstatný Mieův rozptyl (Mie scaterring), ke kterému dochází na částicích, které jsou srovnatelné s vlnovou délkou záření. Tento rozptyl má složitější závislost na vlnové délce, než Rayleighův díky vlivu geometrie částic. Naměřená závislost ze zdroje \cite{snih_vlocky} je uvedena na obrázku \ref{odrazivost_mraky}. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/grafy/vlocky_snih.jpg} |
| 262,13 → 264,13 |
|---|
| |
| \subsection{Délka výstupního světelného impulzu} |
| |
| V případě, že nás zajímá metoda založená na měření doby šíření, tak od laserového vysílače budeme také požadovat, aby umožňoval generovat krátké časové impulzy. Což je důležité proto, protože krátký časový impulz umožňuje dosáhnout lepšího časového rozlišení při měření a tím pádem i lepší prostorové rozlišení při měření vzdálenosti. Je to dáno tím, že v impulzu je obvykle vysláno velké množství fotonů ale zpátky do detektoru se jich vrátí pouze několik. A v případě dlouhého impulzu pak nejsme schopni určit z které části impulzu nám foton přišel. |
| V případě, že nás zajímá metoda založená na měření doby šíření, tak od laserového vysílače budeme také požadovat, aby umožňoval generovat krátké časové impulzy. Což je důležité kvůli lepšímu časovému rozlišení při měření a následnému lepšímu prostorovému rozlišení při měření vzdálenosti. Je to dáno tím, že v impulzu je obvykle vysláno velké množství fotonů ale zpátky v detektoru je detekován jeden. A v případě dlouhého impulzu pak nejsme schopni určit z které části impulzu nám detekovaný foton přišel. |
| |
| Pro případ měření výšky základny oblačnosti, která sama o sobě nemá příliš strmý přechod je zbytečné měřit s přesností lepší, než řádově metry. Proto stačí od laserového vysílače požadovat délky pulzů kratší, než stovky nanosekund. |
| |
| \subsection{Energie impulzu} |
| |
| Energie výstupního impulzu je ideálně co největší, aby bylo dosaženo vysoké pravděpodobnosti zachycení některého zpětně odraženého fotonu. Ale vzhledem k tomu, že je třeba brát ohled i na bezpečnostní rizika takového systému, tak je potřeba se držet bezpečných úrovní pro intenzity elektromagnetického záření. |
| Energie výstupního impulzu je ideálně co největší, aby bylo dosaženo vysoké pravděpodobnosti zachycení některého zpětně odraženého fotonu v každém měření. Ale vzhledem k tomu, že je třeba brát ohled i na bezpečnostní rizika takového systému, tak je potřeba se držet bezpečných úrovní pro intenzity elektromagnetického záření. |
| |
| Vysílač tedy musí být konstruovaný tak, aby výstupní svazek (který bude v našem případě směřovat svisle do atmosféry) měl dostatečně malou hustotu energie, aby nebyla nebezpečná pro letecký provoz a ideálně ani pro případné živočichy pohybující se nad laserovým měřičem. |
| |
| 367,7 → 369,7 |
|---|
| |
| Existuje několik typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti |
| |
| Speciálně pak pro aplikaci zabezpečení automatických teleskopů před poškozením možnými srážkami bylo v minulosti vyvinuto již několik přístrojů většinou pracujících na principu pasivní detekce termálního IR záření generovaného povrchem Země a odraženého od případné oblačnosti v atmosféře. Tato metoda, je velmi spolehlivá a používá se na mnoha automatických observatořích po celém světě. Má však ale díky svému pasivnímu principu nedostatky způsobené jednak roční variabilitou teplot a také geografickou polohou, proto vyžaduje poměrně dlouhotrvající kalibraci zařízení na lokální podmínky. Další nevýhodou, je pak také malé prostorové rozlišení. Například senzor MRAKOMĚR 4 má FOV 40$^\circ$ což způsobuje koplikace při některých metodologických situacích, kdy se například nad observatoří vyskytuje hustá kumulovitá oblačnost avšak místy obsahující trhliny, kterými by bylo možné potenciálně některé astronomické jevy ještě pozorovat. |
| Speciálně pak pro aplikaci zabezpečení automatických teleskopů před poškozením možnými srážkami bylo v minulosti vyvinuto již několik přístrojů většinou pracujících na principu pasivní detekce termálního IR záření generovaného povrchem Země a odraženého od případné oblačnosti v atmosféře. Tato metoda, je velmi spolehlivá a používá se na mnoha automatických observatořích po celém světě. Má však ale díky svému pasivnímu principu nedostatky způsobené jednak roční variabilitou teplot a také geografickou polohou, proto vyžaduje poměrně dlouhotrvající kalibraci zařízení na lokální podmínky. Další nevýhodou, je pak také malé prostorové rozlišení. Například senzor MRAKOMĚR 4 má \acrshort{FOV} 40$^\circ$ což způsobuje koplikace při některých meteorologických situacích, kdy se například nad observatoří vyskytuje hustá kumulovitá oblačnost avšak místy obsahující trhliny, kterými by bylo možné potenciálně některé astronomické jevy ještě pozorovat. |
| |
| \subsection{Jiné pulzní dálkoměry} |
| |
| 407,11 → 409,11 |
|---|
| |
| \subsubsection{Čerpací dioda} |
| |
| Polovodičová čerpací dioda, která je na začátku DPSSFD modulu 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. Referenční dioda pak dále bývá rozlišována jako MD (Monitor Diode) a laserová dioda LD (LASER Diode) viz. obr. \ref{LD_diody}. |
| 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 se může měnit mezi jednotlivými várkami laserů až o 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. Absorpční čára aktivního prostředí laseru Nd:YVO$_4$ je však široká pouze XX nm. Což klade poměrně vysoké nároky i na stabilizaci vlnové délky. 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. Další problémem, který při vysokých pracovních teplotách může nastat, je mode-hopping, který se projevuje náhodným přeskakováním vyzařovaných vlnových délek. |
| 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$1nm. Což klade poměrně vysoké nároky na stabilizaci teploty PN přechodu. Vysoká provozní teplota čerpací laserové diody navíc vede ke zvýšení prahu laserové generace a tím pádem, ke zvýšení potřebného budícího proudu, který má za následek vyšší ztrátový výkon. Dalším problémem, který při vysokých pracovních teplotách může nastat, je mode-hopping, který se projevuje náhodným přeskakováním vyzařovaných vlnových délek \cite{LD_driving}. |
| |
| Z tohoto důvodu, byl pro měření celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z laserového systému. |
| |
| 422,9 → 424,10 |
|---|
| |
| \subsubsection{Aktivní prostření a konverzní krystal} |
| |
| Aktivním prostředím v laserovém modulu je krystal Nd:YVO$_4$ o rozměrech 1x1x3mm, který je přímo nalepený na mosazném držáku zajišťujícím odvod tepla z krystalu. 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. |
| |
| 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. |
| |
| 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. |
| |
| |
| 512,7 → 515,7 |
|---|
| \label{schema_detektoru} |
| \end{figure} |
| |
| PIN dioda je v tomto případě kvůli jednoduchosti konstrukce a odstranění možnosti rušení ze zdroje napájena baterií 9V. Na výstupní konektor SMA-zásuvka se připojuje koaxiálním kabelem, osciloskop impedančně přizpůsobený na 50 Ohm. Snížená impedance je zde důležitá, kvůli možnosti rychlého odvedení náboje z přechodu diody. |
| PIN dioda je v tomto případě kvůli jednoduchosti konstrukce a odstranění možnosti rušení ze zdroje napájena baterií 9V. Na výstupní konektor \acrshort{SMA}-zásuvka se připojuje koaxiálním kabelem RG174, osciloskop impedančně přizpůsobený na 50 Ohm. Snížená impedance je zde důležitá, kvůli možnosti rychlého odvedení náboje z přechodu diody. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \begin{center} |
| 523,7 → 526,7 |
|---|
| \end{center} |
| \end{figure} |
| |
| \section{Relaxační kmity LASERu} |
| \section{Relaxační kmity DPSSDF 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. |
| 674,11 → 677,11 |
|---|
| |
| \subsubsection{Bezpečnost vysílače} |
| |
| Bezpečnost provozu vysílače je komplexním parametrem, který je ovlivněn všemi výše zmíněnými vlastnostmi. Nejpřímější vliv má však energie a divergence svazku, tedy hustota energie v průřezu svazku, která není konstantní v celém měřícím rozsahu a s rostoucí vzdáleností rapidně klesá. |
| Pokud budeme vycházet z dříve realizovaných kostrukcí laserových dálkoměrů pro atmosférická měření, tak potřebná energie v jednom impulzu se pohybuje okolo 0,5uJ/100ns. Což odpovídá špičkovému výkonu 5W. |
| Bezpečnost provozu vysílače je komplexním parametrem, který je ovlivněn všemi výše zmíněnými vlastnostmi. Nejpřímější vliv má však energie a divergence svazku, tedy hustota energie v průřezu svazku, která není konstantní v celém měřícím rozsahu a s rostoucí vzdáleností značně klesá. |
| 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 zona do vzdálenosti Xm od vysílače. Existují sice speciální vlnové délky označované, jako Eye Safe okolo 1500nm, které neprochází rohovkou a tudíž, jsou v podstatě 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. Resením 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. |
| 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. |
| |
| \chapter{Závěr} |
| |