| 169,13 → 169,20 |
|---|
| Možnosti použití navíc nejsou omezeny pouze na klasické světelné vlnové délky, ale stejný princip lze uplatnit například i při použití rádiových vlnových délek, což by u předchozích metod nebylo možné vzhledem k problematické konstrukci elementů, jako jsou čočky, zrcadla, nebo maticové detektory pro rádiové vlny. |
| Možnosti aplikace metody měření doby letu jsou tak rozsáhlé, že z ní vychází i další přistroje, jako radiolokátory nebo echolokátory. |
| |
| Tato práce je proto zaměřena právě na tento princip měření, protože jeho parametry (dosah a přesnost) jsou zajímavé například i pro meteorologické aplikace a tedy využitelné i pro zatím nedořešené oblasti jako je měření parametrů oblačnosti například nad moderními robotickými astronomickými teleskopy. Což bude modelový případ využití výsledků práce. |
| Tato práce je proto zaměřena právě na tento princip měření. |
| |
| \section{Požadavky na pulsní laserový vysílač} |
| |
| Laserový vysílač může mít mnoho typů konstrukčních řešení podle účelu jeho použití. Je proto vhodné představit modelovou aplikaci konstruovaného laserového vysílače. |
| |
| \subsection{Modelová aplikace} |
| |
| Cílem použití konstruovaného laserového vysílače je měření výšky základny oblačnosti, respektive měření |
| výškového profilu hustoty kondenzující vody v atmosféře. Takto získané údaje mají být využity jako vstupní data řídícího systému automatického robotického teleskopu určeného pro astronomická pozorování. Primárním cílem využití těchto dat, je zabezpečení systému dalekohledu před poškozením sněhem/deštěm. |
| Dále v některých oblastech nasazení takto atomatizovaných dalekohledů mohou hrozit i písečné bouře (Chile, Austrálie, Sahara) nebo extrémní teploty (Sibiř, Afrika). |
| |
| Vzhledem k těmto faktům, kdy se jedná převážně o pozemní jevy odehrávající se ve výškách menších, než cca 1km nad povrchem, tak není potřebné aby laserový vysílač umožňoval měření na delší vzdálenosti. |
| |
| \subsection{Vlnová délka záření} |
| |
| Vhodná vlnová délka výstupního záření laserového vysílače záleží na mnoha faktorech, jako je například absorpce v médiu vyplňujícím prostor mezi vysílačem a detekovaným předmětem, nebo i spektrální odrazivost měřeného objektu. Pro uvažovanou modelovou aplikaci měření výšky a mohutnosti oblačnosti jsou vhodné krátké vlnové délky z optického oboru elektromagnetického záření. Je to dáno jednak vlastnostmi atmosféry, která dobře propouští vlnové délky z oblasti viditelného spektra. A potom tím, že světlo z kratších vlnových délek (modrá oblast) se dobře odráží na oblačnosti a vodních krystalech. |
| 195,11 → 202,14 |
|---|
| |
| \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 povolených norem pro intenzity elektromagnetického záření. Dalším limitem pak mohou být fyzikální vlastnosti prostředí a materiálů ve kterém se svazek má šířit neboť zvláště v případě použité Q-spínaného laseru existuje riziko, že by mohlo dojít k průrazu v materiálu. |
| 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. Dalším limitem pak mohou být fyzikální vlastnosti prostředí a materiálů ve kterém se svazek má šířit neboť zvláště v případě použití Q-spínaného laseru existuje riziko, že by mohlo dojít k průrazu v materiálu. |
| |
| Vysílač tedy musí být konstruovaný tak, aby výstupní svazek (který bude v našem případě směřovat svisle do atmosféry) měl dostatečně malou energie, aby nebyla nebezpečná pro leteckou dopravu a ideálně ani pro případné živočichy pohybující se nad laserovým měřičem. |
| |
| \subsection{Nejistota okamžiku sepnutí (jitter)} |
| |
| |
| |
| \section{Druhy modulovatelných laserů} |
| |
| V dnešní době existuje mnoho typů LASERů. Avšak pouze malá část z nich je v hodná pro použití v LASERových dálkoměrech. Omezením často bývají rozměry aparatury, hmotnost, pořizovací cena, provozní podmínky a odolnost při manipulaci. |
| 208,35 → 218,49 |
|---|
| |
| Polovodičové laserové diody, jsou nejrozšířenějšími typy LASERů, které dosahují dobrých parametrů avšak zatím pouze na vlnových délkách větších než cca 600nm, což je pro použití v modelovém laserovém atmosférickém dálkoměru nevhodné. Generování kratších vlnových délek pomocí laserových diod je ale v současné době v intenzivním vývoji vzhledem k potenciální možnosti použití modrých, zelených a červených LASERových diod v barevných skenovacích projektorech s vysokým kontrastem a rozlišením. Zatím ale nedosahují potřebných energií a navíc jejich pořizovací cena je stále dosti vysoká. |
| |
| |
| \subsection{Pevnolátkový diodově čerpaný LASER s generací druhé harmonické} |
| |
| Jde o konstrukční 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 generované vlnové délky. Toto konstrukční uspořádání je známo jako DPSSFD (Diode Pumped Solid State Frequency Doubled) LASER. |
| Jde o konstrukční 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 DPSSFD (Diode Pumped Solid State Frequency Doubled) LASER. |
| |
| |
| \section{Teoretické limity konstrukce} |
| |
| \subsection{Metody generace krátkých impulzů} |
| Protože pro měření vzdálenosti metodou ToF je klíčové aby vysílač mohl generovat krátké světelné impulzy. Obvykle se toho dosahuje několika metodami. |
| Pro měření vzdálenosti metodou ToF je klíčové aby vysílač mohl generovat krátké světelné impulzy. Obvykle se toho dosahuje několika různými metodami. |
| |
| \subsubsection{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. |
| |
| Toto chování je důsledkem, rychlostních rovnic popsaných v kapitole \ref{ryclostni_rovnice} |
| |
| \subsubsection{Q spínání} |
| V tomto, režimu je krátký impulz generován tak, že optickému rezonátoru je nejdříve 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. |
| 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)} |
| |
| 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{Volně běžící pulzní režim (PCW)} |
| |
| \subsubsection{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} |
| |
| \subsubsection{Rychlostní rovnice} |
| 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} |
| \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} |
| |
| Samotná generace druhé harmonické je nelineárním jevem, v materiálu krystalu |
| |
| |
| \subsubsection{Spínání impulzu ziskem} |
| |
| |
| 244,10 → 268,17 |
|---|
| |
| \subsubsection{Účinnost čerpací diody} |
| |
| Pro správnou funkci čerpání aktivního prostředí je nutné, aby čerpací dioda emitovala záření co nejpřesněji kopírující absorpční pík, 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 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. |
| |
| \subsubsection{Konverzní účinnost aktivního prostředí} |
| |
| \section{Dosavadní řešení problému} |
| |
| Existuje několik typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti |
| |
| |
| \subsection{Jiné pulzní dálkoměry} |
| |
| \subsection{Moderní laserové vysílače} |
| 285,24 → 316,45 |
|---|
| |
| 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. Tyto dvě diody mají běžně společný jeden terminál. Protože každá z diod má 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). |
| |
| Referenční zpětnovazebné fotodioda, se ale nedá použít ke kalibračním účelům, protože takto indikovaný výkon se může měnit mezi jednotlivými várkami LASERů až o jeden řád. |
| 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. |
| |
| 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/C. Absorpční čára aktivního prostředí laseru NdYag je však široká pouze XX nm. Což klade poměrně vysoké nároky i na stabilizaci vlnové délky. Vysoká provozní teplota 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/C. Absorpční čára aktivního prostředí laseru NdYag je však široká pouze XX nm. Což klade poměrně vysoké nároky i na stabilizaci vlnové délky. Vysoká provozní teplota 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. |
| |
| Z tohoto důvodu, byl celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z LASERového systému. |
| 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 fukusační čočka, která upravuje záření vycházejí z laserové diody, tak aby bylo možné jej navázat do rezonátoru a čerpat jím aktivní prostředí. |
| |
| |
| \subsubsection{Aktivní prostření a konverzní krystal} |
| |
| Aktivním prostředím v laserovém modulu je Nd:YVO$_4$. |
| |
| \subsubsection{Kolimace výstupního svazku a výstupní IR filtr} |
| |
| Výstupní záření vycházející z optického rezonátoru je ideálně pouze 532nm, které je fokusováno do výstupního svazku s divergencí okolo XXmRad. |
| |
| Vzhledm 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. |
| |
| \subsubsection{Původní "Regulační" obvod} |
| |
| Původní regulační obvod laseru se skládal z operaačního 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. |
| |
| \subsection{Parametry laserových modulů} |
| |
| \subsubsection{Běžné provozní hodnoty} |
| |
| Za běžných provozních hodnot je laserový modul provozován v pracovním bodě. |
| |
| |
| \subsubsection{Rozdíly mezi laserovými moduly} |
| |
| Výrobce udává, |
| |
| |
| |
| \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}. |
| 324,13 → 376,27 |
|---|
| |
| \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. |
| |
| \subsection{Stabilizovaný zdroj proudu} |
| |
| Stabilizovaný lineární zdroj proudu byl jedním z prvních pokusů o zlepšení parametrů stávajícího řízení. Je zkonstruován opět jako lineární stabilizovaný zdroj proudu sestavený z výkonového operačního zesilovače a zdroje referenčního napětí. |
| |
| Na měřícím odporu je pak výstupem operačního zesilovače udržováno toto referenční napětí. |
| |
| pridat schema zapojeni zdroje proudu. |
| |
| \subsubsection{generace} |
| |
| |
| \subsection{Pulsní budič laserové diody} |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| \section{Diskuse dosažených výsledků} |
| |
| \subsection{Dosažené parametry vysílače} |