Subversion Repositories svnkaklik

\subsection{Pevnolátkový diodově čerpaný LASER s generací druhé harmonické}

\subsection{Pevnolátkový diodově čerpaný LASER s generací druhé harmonické}

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}.

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}.

Pro měření vzdálenosti metodou \gls{TOF} je klíčové aby vysílač mohl generovat krátké světelné impulzy. Obvykle se toho dosahuje několika různými metodami. 

Pro měření vzdálenosti metodou \gls{TOF} je klíčové aby vysílač mohl generovat krátké světelné impulzy. Obvykle se toho dosahuje několika různými metodami. 

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.

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.

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 odstavci \ref{rychlostni_rovnice}. 

Toto chování je důsledkem, rychlostních rovnic popsaných v odstavci \ref{rychlostni_rovnice}. 

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.   

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.   

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. 

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. 

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.

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.   

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.   

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.   

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.   

\label{rychlostni_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. 

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. 

Samotná generace druhé harmonické je nelineárním jevem, v materiálu krystalu 

Samotná generace druhé harmonické je nelineárním jevem, v materiálu krystalu 

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.   

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.       

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.       

\section{Dosavadní řešení problému}

\section{Dosavadní řešení problému}

Existuje několik typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti   

Existuje několik typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti   

\subsubsection{Čerpací dioda}

\subsubsection{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} .

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} .

Z tohoto důvodu, byl pro měření 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}

\subsubsection{Optika}

\subsubsection{Aktivní prostření a konverzní krystal}

\subsubsection{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.

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}

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}

\subsubsection{Kolimace výstupního svazku a výstupní IR filtr}

\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.

Výstupní záření vycházející z optického rezonátoru je ideálně pouze 532nm, které je kolimováno do výstupního svazku s divergencí menší než 0,5mrad.

\begin{figure}[htbp]

\begin{figure}[htbp]

\begin{center}

\begin{center}

\includegraphics[height=60mm]{./img/svazky/laser_5mW_calibrated_B_rainbow.png}

\includegraphics[height=60mm]{./img/svazky/laser_5mW_calibrated_B_rainbow.png}

\includegraphics[height=60mm]{./img/svazky/laser_20mW_calibrated_G_rainbow.png}

\includegraphics[height=60mm]{./img/svazky/laser_20mW_calibrated_G_rainbow.png}

\label{laser_module_divergence}

\label{laser_module_divergence}

\end{center}

\end{center}

\end{figure}

\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. 

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. 

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. 

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}

\subsubsection{Původní "Regulační" obvod}

Původní regulační obvod laseru se skládal z operačního zesilovače zapojeného, jako velmi jednoduchý lineární zdroj proudu. 

Původní regulační obvod laseru se skládal z operačního zesilovače zapojeného, jako velmi jednoduchý lineární zdroj proudu. 

\begin{figure}[htbp]

\begin{figure}[htbp]

\includegraphics[width=150mm]{./img/Puvodni_budic.JPG}

\includegraphics[width=150mm]{./img/Puvodni_budic.JPG}

\caption{Měření prováděné s původním regulačním obvodem.}

\caption{Měření prováděné s původním regulačním obvodem.}

\label{laser_module_original_circuit}

\label{laser_module_original_circuit}

\end{figure} 

\end{figure} 

\subsection{Parametry laserových modulů}

\subsection{Parametry laserových modulů}

\label{parametry_modulu}

\label{parametry_modulu}

Z těchto parametrů lze tak podle výrazu \ref{difrakcni_limit} určit difrakčně limitovanou minimální divergenci svazku, která je $\sim$ 0,15mrad.   

Z těchto parametrů lze tak podle výrazu \ref{difrakcni_limit} určit difrakčně limitovanou minimální divergenci svazku, která je $\sim$ 0,15mrad.   

\begin{figure}[htbp]

\begin{figure}[htbp]

\includegraphics[height=80mm]{./img/DPSSFD_5mW.jpg}

\includegraphics[height=80mm]{./img/DPSSFD_5mW.jpg}

\caption{Parametry laserového modulu s původním regulátorem}

\caption{Parametry laserového modulu s původním regulátorem}

\begin{center}

\begin{center}

\begin{tabular}{ccc}

\begin{tabular}{ccc}

\hline

\hline

Parametr & hodnota &  \\ \hline

Parametr & hodnota &  \\ \hline

\hline

\hline

\end{tabular}

\end{tabular}

\end{center}

\end{center}

\label{parametry_puvodni_regulator}

\label{parametry_puvodni_regulator}

\end{table}

\end{table}

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.   

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.      

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.      

Původní řídící elektronika je taktéž stejná u obou modulů a neliší se ani hodnotami součástek.  

Původní řídící elektronika je taktéž stejná u obou modulů a neliší se ani hodnotami součástek.  

\subsection{Měření krátkých světelných impulzů}

\subsection{Měření krátkých světelných impulzů}

\begin{figure}[htbp]

\begin{figure}[htbp]

\includegraphics[width=150mm]{./img/SCH_detector.png}

\includegraphics[width=150mm]{./img/SCH_detector.png}

\caption{Schéma detektoru s PIN diodou.}

\caption{Schéma detektoru s PIN diodou.}

\label{schema_detektoru}

\label{schema_detektoru}

Z tohoto důvodu bylo zvoleno méně komplikované řešení - generování impulzů pulzním čerpáním a využití techniky spínání ziskem. 

Z tohoto důvodu bylo zvoleno méně komplikované řešení - generování impulzů pulzním čerpáním a využití techniky spínání ziskem. 

\begin{figure}[htbp]

\begin{figure}[htbp]

\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/autonomni_impulz.png}

\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/autonomni_impulz.png}

\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/opakovaci_perioda.png}

\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/opakovaci_perioda.png}

\label{relaxacni_kmity_20mW}

\label{relaxacni_kmity_20mW}

\end{figure} 

\end{figure} 

\begin{figure}[htbp]

\begin{figure}[htbp]

\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/1modul_5mW.png}

\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/1modul_5mW.png}

\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/2modul_5mW.png}

\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/2modul_5mW.png}

\label{realizace_detektoru_5mW}

\label{realizace_detektoru_5mW}

\end{figure} 

\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 přípustné modul takovým způsobem používat delší dobu.  

\section{Vlastní Řídící elektronika}

\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 řízení laserového systému.  

\subsection{Stabilizovaný zdroj proudu}

\subsection{Stabilizovaný zdroj proudu}

\begin{figure}[htbp]

\begin{figure}[htbp]

\includegraphics[width=150mm]{./img/Current_source.JPG}

\includegraphics[width=150mm]{./img/Current_source.JPG}

\caption{Aparatura použitá pro měření intenzity optického výstupu v závislosti na budícím proudu.}

\caption{Aparatura použitá pro měření intenzity optického výstupu v závislosti na budícím proudu.}

\label{proudovy_zdroj}

\label{proudovy_zdroj}

\begin{center}

\begin{center}

\begin{tabular}{ccc}

\begin{tabular}{ccc}

\hline

\hline

Parametr & hodnota &  \\ \hline

Parametr & hodnota &  \\ \hline

Střední výkon [mW] &     &    \\

Střední výkon [mW] &     &    \\

Opakovací frekvence [kHz] &  56  &    \\

Opakovací frekvence [kHz] &  56  &    \\

Divergence výstupního svazku [mrad] &  0,3x0,2  &    \\

Divergence výstupního svazku [mrad] &  0,3x0,2  &    \\

\hline

\hline

\end{tabular}

\end{tabular}

\end{center}

\end{center}