| Line 222... |
Line 222... |
| 222 |
|
222 |
|
| 223 |
\subsection{Měření doby šíření (ToF) }
|
223 |
\subsection{Měření doby šíření (ToF) }
|
| 224 |
|
224 |
|
| 225 |
\begin{figure}[htbp]
|
225 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 226 |
\includegraphics[width=150mm]{./img/LRF_block.png}
|
226 |
\includegraphics[width=150mm]{./img/LRF_block.png}
|
| 227 |
\caption{Zjednodušené blokové schéma ToF LRF}
|
227 |
\caption{Zjednodušené blokové schéma ToF LRF \cite{resonance_LRF}}
|
| 228 |
\label{LRF_block}
|
228 |
\label{LRF_block}
|
| 229 |
\end{figure}
|
229 |
\end{figure}
|
| 230 |
|
230 |
|
| 231 |
|
231 |
|
| 232 |
Další metodou, kterou můžeme využít pro měření vzdálenosti na základě známé a konečné rychlosti šíření světla, je změření doby šíření určitého balíku fotonů, který je vygenerován vysílačem a následně po odrazu od měřeného objektu detekován v detektoru. Naměřená doba šíření pak odpovídá dvojnásobku vzdálenosti mezi vysílačem a měřeným předmětem
|
232 |
Další metodou, kterou můžeme využít pro měření vzdálenosti na základě známé a konečné rychlosti šíření světla, je změření doby šíření určitého balíku fotonů, který je vygenerován vysílačem a následně po odrazu od měřeného objektu detekován v detektoru. Naměřená doba šíření pak odpovídá dvojnásobku vzdálenosti mezi vysílačem a měřeným předmětem
|
| Line 290... |
Line 290... |
| 290 |
\subsection{Vlnová délka záření}
|
290 |
\subsection{Vlnová délka záření}
|
| 291 |
|
291 |
|
| 292 |
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 vlastnostmi atmosféry, která dobře propouští vlnové délky z oblasti viditelného spektra. Viz. obr. \ref{atmosfera_ztraty}.
|
292 |
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 vlastnostmi atmosféry, která dobře propouští vlnové délky z oblasti viditelného spektra. Viz. obr. \ref{atmosfera_ztraty}.
|
| 293 |
\begin{figure}[htbp]
|
293 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 294 |
\includegraphics[width=150mm]{./img/atmospheric_absorption.png}
|
294 |
\includegraphics[width=150mm]{./img/atmospheric_absorption.png}
|
| 295 |
\caption{Závislost transmisivity čisté atmosféry na vlnové délce záření}
|
295 |
\caption{Závislost transmisivity čisté atmosféry na vlnové délce záření \cite{wiki:atm_window}}
|
| 296 |
\label{atmosfera_ztraty}
|
296 |
\label{atmosfera_ztraty}
|
| 297 |
\end{figure}
|
297 |
\end{figure}
|
| 298 |
|
298 |
|
| 299 |
Vzhledem k tomu, že na krátkých vlnových délkách směrem k \acrshort{UV} oblasti strmě stoupá vliv nežádoucího Rayleighova rozptylu (rovnice \ref{Raylengh}), který omezuje použitelný dosah měření, je vhodné použít střední vlnovou délku optického záření ze zelené oblasti spektra. Která relativně dobře prochází čistou atmosférou.
|
299 |
Vzhledem k tomu, že na krátkých vlnových délkách směrem k \acrshort{UV} oblasti strmě stoupá vliv nežádoucího Rayleighova rozptylu (rovnice \ref{Raylengh}), který omezuje použitelný dosah měření, je vhodné použít střední vlnovou délku optického záření ze zelené oblasti spektra. Která relativně dobře prochází čistou atmosférou.
|
| 300 |
|
300 |
|
| Line 456... |
Line 456... |
| 456 |
\subsection{Spínání impulzu ziskem}
|
456 |
\subsection{Spínání impulzu ziskem}
|
| 457 |
|
457 |
|
| 458 |
Gain switching, neboli spínání ziskem je principiálně přesným opakem regulace laseru s aktivním potlačením relaxačních oscilací, neboť relaxační oscilace lze využít i ke generaci krátkých impulzů s vyšším výkonem, než by bylo možné ve volně běžícím režimu.
|
458 |
Gain switching, neboli spínání ziskem je principiálně přesným opakem regulace laseru s aktivním potlačením relaxačních oscilací, neboť relaxační oscilace lze využít i ke generaci krátkých impulzů s vyšším výkonem, než by bylo možné ve volně běžícím režimu.
|
| 459 |
V případě, že je laser čerpán z jiného pulzního laseru, je možné v aktivním prostředí vytvořit nadkritickou inverzi populace podstatně dříve, než dojde k naplnění rezonátoru generovanými fotony. Pokud navíc čerpací zdroj umožňuje rychlou modulaci a čerpání je deaktivováno v době generace výstupního záření, dojde k propadu inverze populace hladin hluboko pod kritickou úroveň a další impulz už generován není.
|
459 |
V případě, že je laser čerpán z jiného pulzního laseru, je možné v aktivním prostředí vytvořit nadkritickou inverzi populace podstatně dříve, než dojde k naplnění rezonátoru generovanými fotony. Pokud navíc čerpací zdroj umožňuje rychlou modulaci a čerpání je deaktivováno v době generace výstupního záření, dojde k propadu inverze populace hladin hluboko pod kritickou úroveň a další impulz už generován není.
|
| 460 |
|
460 |
|
| 461 |
Prakticky bývá tato metoda implementována tak, že v případě diodově čerpaného pevnolátkového laseru je pracovní bod laserové diody nastaven těsně pod prahovou úroveň generace pevnolátkového laseru a několik mikrosekund před požadovaným vygenerováním impulzu je intenzita čerpání skokově zvýšena a v okamžiku vzniku výstupního impulzu je čerpání vypnuto. Tím dojde k vygenerování jednoho relaxačního kmitu laseru, který je navíc kratší, než relaxační impulz ve volně běžícím režimu.
|
461 |
Prakticky bývá tato metoda implementována tak, že v případě diodově čerpaného pevnolátkového laseru je pracovní bod laserové diody nastaven těsně pod prahovou úroveň generace pevnolátkového laseru a několik mikrosekund před požadovaným vygenerováním impulzu je intenzita čerpání skokově zvýšena a v okamžiku vzniku výstupního impulzu je čerpání vypnuto. Tím dojde k vygenerování jednoho relaxačního kmitu laseru, který je navíc kratší, než relaxační impulz ve volně běžícím režimu\cite{LD_gain_switching}.
|
| 462 |
|
462 |
|
| 463 |
Rozdíl oproti Q spínání je především v tom, že v tomto případě je před vygenerováním impulzu v inverzi populace hladin skladováno pouze minimum energie a nedochází proto k tak silnému nárůstu výstupního výkonu oproti výkonu čerpání. V případě gain switchingu je délka a výkon výstupního impulzu srovnatelná s čerpacím impulzem.
|
463 |
Rozdíl oproti Q spínání je především v tom, že v tomto případě je před vygenerováním impulzu v inverzi populace hladin skladováno pouze minimum energie a nedochází proto k tak silnému nárůstu výstupního výkonu oproti výkonu čerpání. V případě gain switchingu je délka a výkon výstupního impulzu srovnatelná s čerpacím impulzem.
|
| 464 |
|
464 |
|
| 465 |
\subsection{Generace druhé harmonické}
|
465 |
\subsection{Generace druhé harmonické}
|
| 466 |
|
466 |
|
| Line 628... |
Line 628... |
| 628 |
Z těchto parametrů lze tak podle výrazu \ref{difrakcni_limit} určit difrakčně limitovanou minimální divergenci svazku 0,27mrad.
|
628 |
Z těchto parametrů lze tak podle výrazu \ref{difrakcni_limit} určit difrakčně limitovanou minimální divergenci svazku 0,27mrad.
|
| 629 |
|
629 |
|
| 630 |
\begin{figure}[htbp]
|
630 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 631 |
\includegraphics[height=80mm]{./img/DPSSFD_5mW.jpg}
|
631 |
\includegraphics[height=80mm]{./img/DPSSFD_5mW.jpg}
|
| 632 |
\includegraphics[height=80mm]{./img/DPSSFD_20mW.jpg}
|
632 |
\includegraphics[height=80mm]{./img/DPSSFD_20mW.jpg}
|
| 633 |
\caption{Použité testovací DPSSFD moduly 5mW (vlavo) a 20mW (vpravo).}
|
633 |
\caption{Použité testovací DPSSFD moduly 5mW (vlevo)\cite{ukazovatko_5mW} a 20mW (vpravo) \cite{ukazovatko_20mW}.}
|
| 634 |
\label{laser_module_picture}
|
634 |
\label{laser_module_picture}
|
| 635 |
\end{figure}
|
635 |
\end{figure}
|
| 636 |
|
636 |
|
| 637 |
|
637 |
|
| 638 |
|
638 |
|
| Line 792... |
Line 792... |
| 792 |
|
792 |
|
| 793 |
\item[iC-HG] je šestikanálový budič laserovvých diod, umožňující modulaci celkovým proudem až 3A (po paralelním spojení všech kanálů). Modulační frekvence je až 200MHz. Má LVDS i TTL spouštěcí vstupy a možnost provozu na napětí až do 12V pro buzení modrých laserových diod.
|
793 |
\item[iC-HG] je šestikanálový budič laserovvých diod, umožňující modulaci celkovým proudem až 3A (po paralelním spojení všech kanálů). Modulační frekvence je až 200MHz. Má LVDS i TTL spouštěcí vstupy a možnost provozu na napětí až do 12V pro buzení modrých laserových diod.
|
| 794 |
|
794 |
|
| 795 |
\item[iC-HK] dvojitý spínač laserových diod, s řídícími proudy 150mA kontinuálně pro každý kanál a 700mA špičkový obvod se chová jako napětově řízený zdroj proudu. Umožňuje spínání o šířce pásma 155MHz.
|
795 |
\item[iC-HK] dvojitý spínač laserových diod, s řídícími proudy 150mA kontinuálně pro každý kanál a 700mA špičkový obvod se chová jako napětově řízený zdroj proudu. Umožňuje spínání o šířce pásma 155MHz.
|
| 796 |
|
796 |
|
| 797 |
\item[iC-NZ] je univerzální budič pro spínání laserových diod o šířce pásma 155MHz obsahuje zpětnou vazbu z monitorovací diody. A navíc má i vstup pro externí kontrolní monitorovací diodu sloužící k zajištění detekce poškození laseru, nebo naopak k jeho ochraně před přetížením. Pracovní bod laserové diody se nastavuje na základě předefinovaného proudu monitorovací diodou. Obsahuje tři nezávisle spínatelné kanály každý s kontinuálním proudem 100mA a 700mA špičkový proud.
|
797 |
\item[iC-NZ] je univerzální budič pro spínání laserových diod o šířce pásma 155MHz obsahuje zpětnou vazbu z monitorovací diody. A navíc má i vstup pro externí kontrolní monitorovací diodu sloužící k zajištění detekce poškození laseru, nebo naopak k jeho ochraně před přetížením. Pracovní bod laserové diody se nastavuje na základě předefinovaného proudu monitorovací diodou. Obsahuje tři nezávisle spínatelné kanály každý s kontinuálním proudem 100mA a 700mA špičkový proud \cite{ic_NZ}.
|
| 798 |
\end{description}
|
798 |
\end{description}
|
| 799 |
|
799 |
|
| 800 |
Z těchto integrovaných obvodů jsem jako nejvhodnější vybral obvod iC-NZ díky svým vyhovujícím výkonovým parametrům a bezpečnostním funkcím. Nevýhodou volby tohoto obvodu může ale v budoucnu být absence symetrických LVDS vstupů pro rychlé spínání a předpoklad použití monitorovací diody v laseru.
|
800 |
Z těchto integrovaných obvodů jsem jako nejvhodnější vybral obvod iC-NZ díky svým vyhovujícím výkonovým parametrům a bezpečnostním funkcím. Nevýhodou volby tohoto obvodu může ale v budoucnu být absence symetrických LVDS vstupů pro rychlé spínání a předpoklad použití monitorovací diody v laseru.
|
| 801 |
|
801 |
|
| 802 |
Na základě údajů z katalogového výrobce jsem navrhl univerzální modul pro testování modulů v laserovém dálkoměru. Zapojení je zvoleno tak, aby umožnilo konstrukci všech typů laserových měřičů vzdálenosti, jejichž principy byly zmíněny v úvodní kapitole. Tento modul je navíc technicky kompatibilní s otevřenou stavebnicí MLAB, díky čemuž je možné jeho využití i k jiným účelům než pouze laserový dálkoměr. Modul je navíc koncipován tak, aby bylo možné jej v budoucnu využít k přímému spínání laserových diod generujících i jiné vhodné vlnové délky. Například pro více-frekvenční LIDAR, jehož možnosti měření jsou ještě rozsáhlejší.
|
802 |
Na základě údajů z katalogového výrobce jsem navrhl univerzální modul pro testování modulů v laserovém dálkoměru. Zapojení je zvoleno tak, aby umožnilo konstrukci všech typů laserových měřičů vzdálenosti, jejichž principy byly zmíněny v úvodní kapitole. Tento modul je navíc technicky kompatibilní s otevřenou stavebnicí MLAB, díky čemuž je možné jeho využití i k jiným účelům než pouze laserový dálkoměr. Modul je navíc koncipován tak, aby bylo možné jej v budoucnu využít k přímému spínání laserových diod generujících i jiné vhodné vlnové délky. Například pro více-frekvenční LIDAR, jehož možnosti měření jsou ještě rozsáhlejší.
|
| Line 816... |
Line 816... |
| 816 |
Modul má s ohledem na možný další vývoj laserových diod možnost zapojit diody s různými typy konfigurace vývodů z pouzdra. Nejběžnější konfigurace vývodů laserové a monitorovací diody jsou znázorněny na obrázku (\ref{LD_diody}).
|
816 |
Modul má s ohledem na možný další vývoj laserových diod možnost zapojit diody s různými typy konfigurace vývodů z pouzdra. Nejběžnější konfigurace vývodů laserové a monitorovací diody jsou znázorněny na obrázku (\ref{LD_diody}).
|
| 817 |
|
817 |
|
| 818 |
\begin{figure}[htbp]
|
818 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 819 |
\begin{center}
|
819 |
\begin{center}
|
| 820 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/typy_zapouzdreni.png}
|
820 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/typy_zapouzdreni.png}
|
| 821 |
\caption{Běžné typy konfigurace vnitřního zapojení polovodičových laserů}
|
821 |
\caption{Běžné konfigurace vnitřního zapojení polovodičových laserů \cite{ic_NZ}}
|
| 822 |
\label{LD_diody}
|
822 |
\label{LD_diody}
|
| 823 |
\end{center}
|
823 |
\end{center}
|
| 824 |
\end{figure}
|
824 |
\end{figure}
|
| 825 |
|
825 |
|
| 826 |
\section{Diskuse dosažených výsledků}
|
826 |
\section{Diskuse dosažených výsledků}
|