WebSVN – svnkaklik – Diff – /dokumenty/skolni/BP/DOC/SRC/laserovy_vysilac.tex

 \documentclass[12pt,a4paper,oneside]{report}
 \usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
-\usepackage[czech]{babel}
+\usepackage[english,czech]{babel}
 \usepackage{array}
 \usepackage[pdftex]{graphicx}
 \usepackage{pdfpages}
 \usepackage{comment}
+\usepackage{amsmath}
 \usepackage{url}
 \usepackage[utf8]{inputenc} %vstupni soubory v kodovani UTF-8
 \usepackage{color}
-\linespread{2.0}
+\usepackage{dirtree}
-\renewcommand{\baselinestretch}{1.2}
 % vzdy trash aux files potom latex, bibtex bakalarka.aux, potom makeglossaries bakalarka.glo (z command line) potom latex
 \usepackage[nonumberlist,toc,numberedsection=autolabel,shortcuts]{glossaries} % list of acronyms
 \makeglossaries
 \input{glossaries}
 \textheight     230.0mm
 \textwidth      155.0mm
 %\topmargin        0.0mm
 \topmargin      -20.0mm
 \oddsidemargin    0.0mm
 \parindent        0.0mm
-\renewcommand{\baselinestretch}{1.0}
+\linespread{1.0}
 \newcommand{\vsp}[1]{\vspace{#1mm}}
 \hyphenation{LASER}
   \begin{tabular}{c}
     \textbf{\Large České vysoké učení technické v Praze} \\
     \textbf{\Large Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská} \\
     \textbf{\Large Katedra fyzikální elektroniky}
   \end{tabular}
-\vsp{60}
+	\vspace{1.5cm}
+	\begin{figure}[ht]
+		\begin{center}
+		\includegraphics[width=3cm]{logo.png}
+		\end{center}
+	\end{figure}
+	\vspace{1.5cm}
 \textbf{\Huge Vysílač pro laserový dálkoměr}
+%\textbf{\Huge Laser transmitter for miniature rangefinder}
 \bigskip
 \textbf{\Large Bakalářská práce}
 \end{center}
 \vfill
 \noindent
 \quad \hfill  \qquad \\
 Praha, 9.7.2012 \hfill Jakub Kákona \qquad
 \par
 \vsp{5}
 \pagebreak
-\begin{abstract}
-Práce se zabývá prověřením možnosti použití diodově čerpaného pevnotlátkového laserového modulu generujícího výstupní záření 532nm, jako laserového vysílače vhodného, pro laserový dálkoměr. Tyto laserové moduly jsou běžně používány v zelených laserových ukazovátkách, proto jsou velmi dobře dostupné.
+\includepdf[pages={1,2},landscape=false]{zadavaci_list.pdf}
+\begin{abstract}
-Klíčová slova: DPSSFD, laserový vysílač, laserový dálkoměr, zelené ukazovátko, 532nm.
+Práce se zabývá prověřením možnosti použití diodově čerpaného pevnotlátkového laserového modulu generujícího výstupní záření 532nm, jako laserového vysílače vhodného, pro miniaturní laserový dálkoměr. Tyto laserové moduly jsou běžně používány v zelených laserových ukazovátkách, proto jsou velmi dobře dostupné na rozdíl od polovodičových laserových diod pro tyto vlnové délky.
+\textbf{Klíčová slova:} DPSSFD, laserový vysílač, laserový dálkoměr, zelené ukazovátko, 532nm.
-This thesis is aimed on investigation of use an diode pumped solid state frequency doubled laser module as LASER transmitter for laser range finder. This module is widely used in green laser pointers. Because of this it is widely available.
+\end{abstract}
-Keywords: DPSS module, green laser pointer, laser range finder, miniature laser rangefinder construction, laser diode pulser circuit.
+%\begin{keyword}[class=AMS]
+%\kwd[Primary ]{60K35}
+%\kwd{60K35}
+%\kwd[; secondary ]{60K35}
+%\end{keyword}
+\selectlanguage{english}%
+\begin{abstract}
+This thesis is aimed on investigation of use an diode pumped solid state frequency doubled laser module as LASER transmitter for miniature laser range finder. This module is widely used in green laser pointers. Because of this it is easily available in oposition to semiconductor laser diodes for this wavelenghts.
+\textbf{Keywords:} DPSS module, green laser pointer, laser range finder, miniature laser rangefinder construction, laser diode pulser circuit.
 \end{abstract}
+\selectlanguage{czech}%
 \newpage
 \tableofcontents
 \newpage
+\pagebreak
+\listoffigures
+\pagebreak
+\listoftables
+\pagebreak
 \section*{Zadání}
 \pagenumbering{arabic}
 Cílem práce je prověřit možnost použití diodově čerpaného pevnolátkového laserového modulu v aplikaci laserového vysílače vhodného pro \gls{TOF} měření vzdálenosti (výšky oblačnosti).
 Práce bude realizována v několika krocích:
 \begin{itemize}
-\item Změření skutečných parametrů laserových modulů
+\item Změření skutečných parametrů laserových modulů.
 \item Návrh metody použití laserového modulu.
-\item Konstrukce řídící elektroniky laserového vysílače.
+\item Konstrukce řídící elektroniky pro modulátor laserového vysílače.
 \item Změření dosažených parametrů.
 \end{itemize}
 V prvním kroku bude rozebrána konstrukce laserového modulu a ověřen princip jeho činnosti společně s rozborem průměrných parametrů modulů.
 V poslední části budou změřeny dosažené parametry
 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 automatizovaných dalekohledů mohou hrozit i písečné bouře (Chile, Austrálie, Sahara) nebo extrémní teploty (Sibiř, Afrika).
+V některých oblastech nasazení takto automatizovaných dalekohledů mohou být také problémem prachové 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.
+Vzhledem k těmto faktům, kdy se jedná převážně o pozemní jevy  odehrávající se ve výškách menších, než cca 1km nad povrchem, není potřebné aby laserový vysílač umožňoval měření na delší vzdálenosti.
 \newpage
 \chapter{Úvod}
  d = \frac{ct}{2n}
 \end{equation}
 Kde $c$ je rychlost šíření elektromagnetického záření ve vakuu, $n$ je index lomu prostředí a $t$ je změřená doba šíření. Veličina $d$ je pak vzdálenost předmětu, kterou potřebujeme změřit.
-Při měření se tak předpokládá homogenní prostředí ve kterém se světlo šíří, nebo alespoň prostředí o nějaké známé efektivní hodnotě indexu lomu. Pokud dále předpokládáme prostředí bez rozptylu a absorpce. S tím, že celý laserový signál zasáhne kompaktní měřený objekt, tak zpětně odražený počet fotonů může být přibližně vyjádřen rovnicí \ref{radarova_rovnice}.
+Při měření se tak předpokládá homogenní prostředí ve kterém se světlo šíří, nebo alespoň prostředí o nějaké známé efektivní hodnotě indexu lomu. Pokud dále předpokládáme prostředí bez rozptylu a absorpce. S tím, že celý laserový signál zasáhne kompaktní měřený objekt, tak zpětně odražený počet fotonů může být přibližně vyjádřen rovnicí (\ref{radarova_rovnice}).
 \begin{equation}
  N \approx E \eta \frac{1}{R^2}r
 \label{radarova_rovnice}
 \end{equation}
 Tato metoda má vzhledem k předchozím podstatnou výhodou především v tom, že její princip umožňuje změřit vzdálenosti v obrovském rozsahu a přitom neklade (díky pokročilým možnostem zpracování) vysoké nároky na odstup signálu od šumu. Běžně se proto využívá například pro měření a následné výpočty korekcí drah družic, nebo i měření podélných parametrů optických komunikačních vláken, kde je metoda známa, jako \acrshort{TDR}.
 Možnosti aplikace metody měření doby šíření jsou tak rozsáhlé, že z ní vychází i další přistroje, jako radiolokátory nebo echolokátory.
 V principu existují dvě možné varianty implementace \gls{TOF} metody měření vzdálenosti, které se liší způsobem zpracování signálu. První je měření časového průběhu intenzity odraženého signálu z prostředí před vysílačem. Využívá se při tom rychlý intenzitní detektor a vzorkovací obvod, který v intervalech odpovídajících časovému rozlišení přístroje periodicky vzorkuje signál z detektoru. Velkou výhodou tohoto přístupu je, že i z jediného výstřelu laseru je možné získat poměrně značné množství informací.
 Problémem ale je požadavek na velký špičkový výstupní výkon laseru (řádově stovky Wattů), který může značně snížit bezpečnost provozu zařízení. Nezanedbatelné jsou zároveň také požadavky na velkou vstupní aperturu detekčního teleskopu, která je obvykle řádově desítky cm.
-Používá se proto i méně náročná implementace, která využívá kvantovou povahu světla a detektorem jsou detekovány jednotlivé odražené fotony, což umožňuje podstatně snížit nároky na špičkový výstupní výkon i na sběrnou plochu detektoru. Nevýhodou ale je nutnost opakovat mnoho měření k získání několika tisíc až stovek tisíc hodnot, které je pak možné statisticky zpracovat. Podstatnou výhodou této metody ale je fakt, že je možné ji aplikovat i na extrémní vzdálenosti, kde i původní vícefotonová implementace již z principiálních důvodů selhává (respektive konverguje k této jednofotonové variantě).
+Používá se proto i méně náročná implementace, která využívá kvantovou povahu světla a detektorem jsou detekovány jednotlivé odražené fotony, což umožňuje podstatně snížit nároky na špičkový výstupní výkon i na sběrnou plochu detektoru. Nevýhodou ale je nutnost opakovat mnoho měření k získání několika tisíc až stovek tisíc hodnot, které je pak možné statisticky zpracovat. Podstatnou výhodou této metody ale je fakt, že je možné ji aplikovat i na extrémní vzdálenosti, kde i původní vícefotonová implementace již z principiálních důvodů selhává (respektive konverguje k této jednofotonové variantě) \cite{CTU_reports}.
 Tato práce je proto zaměřena právě na tento princip měření.
 \section{Požadavky na pulsní laserový vysílač}
 \subsection{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.
+\begin{equation}
+\frac{\partial n_2}{\partial t}= -n_2 c \sigma \phi  - \frac{n_2}{\tau _f} + W_p (n_0 - n_2)
+\end{equation}
+\begin{equation}
+\frac{\partial \phi}{\partial t} = c \sigma \phi n - \frac{\phi}{\tau _c} + S_1
+\end{equation}
 \subsection{Generace druhé harmonické}
 Samotná generace druhé harmonické je nelineárním jevem, v materiálu krystalu
 \subsection{Spínání impulzu ziskem}
 \section{Relaxační kmity pevnolátkových laserů}
+Relaxační oscilace jsou hlavním důvodem, proč řada pevnolátkových laserů negeneruje ve volně běžícím režimu čistý a stabilní výstup. Důvod tohoto chování je součástí principu generace laserového záření.
+V případě, že do termodynamicky ustáleného aktivního prostředí je přiveden zdroj čerpacího záření je hustota generovaných fotonů velmi malá. V krystalu proto lineárně narůstá inverze populace hladin až nad hodnotu, která by v krystalu existovala v ustáleném režimu generace, neboť v rezonátoru zatím neexistují fotony, které by způsobily stimulovanou emisi záření.
+První spontánní emise fotonu však způsobí hromadnou stimulovanou emisi záření vzhledem k tomu, že inverze populace dosáhla podstatně vyšší hodnoty, než v ustáleném stavu, tak i tok fotonů v rezonátoru dosáhne vyšších hodnot. Protože ale vysoká hustota fotonů v rezonátoru znamená rychlou depopulaci excitovaných hladin (podstatně vyšší, než je rychlost čerpání), tak dojde ke ztrátě inverzní populace až výrazně pod hodnotu ustáleného stavu a tedy i hustota fotonů v rezonátoru klesne na minimální úroveň a inverzní populace hladin začne opět narůstat. Tím se uzavře cyklus, který způsobí opakované generování stejných, nebo podobných světelných impulzů na výstupu laseru.
+K exaktnímu popisu tohoto jevu je opět možné využít rychlostní rovnice.
 \section{Zdroje ztrátového výkonu v DPSSFD}
 \subsection{Účinnost čerpací diody}
-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 \acrshort{Nd:YVO}, který se za běžných podmínek nachází na 808,5nm.
+V případě, že čerpací vlnová délka se posune mimo tento pík (například teplotním driftem laserové diody), tak dojde ke 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.
+Účinnost čerpání je také ovlivněna kvalitou navázání laserového výstupu diody do krystalu.
 \subsection{Konverzní účinnost aktivního prostředí}
+Aktivní prostředí \acrshort{Nd:YVO} je čtyřhladinový kvantový systém
 \subsection{Konverzní účinnost na druhou harmonickou}
 \subsection{Celková účinnost modulu}
 \caption{Závislost intenzity výstupního záření na proudu čerpací diodou.}
 \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 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.
+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. Měření je navíc pravděpodobně zatíženo chybou s faktorem 2--3 neboť energie v impulzu je spočítána ze středního výkonu výstupního záření, ale intenzita výstupního záření mezi impulzy neklesá až k nule. Skutečná energie v impulzu proto pravděpodobně bude ještě menší.
 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}
 \item[ONET1141L] - je obvod pro vysokorychlostní optické spoje s datovou propustností od 1 Gbps až do 11.3 Gbps. Zajímavým parametrem je bias proud laserové diody, který může být až 145mA. Obvod ale předpokládá speciální konstrukci laserové diody electroabsorptive modulated laser (EML) a i proto je udáván maximální modulační rozsah v napěťovém měřítku 2.0Vpp Single-Ended.
 \item[iC-HB] -  obvod trojnásobného spínače pro laserové diody. Umožňuje spínat špičkově proudy do 300mA na jeden kanál, nebo v kontinuálním režimu reguluje proud do 65mA na jeden kanál. Obsahuje ochranné obvody proti přepětí a budící proudy je možné nastavit napětím, na řídících vstupech. Maximální modulační frekvence je 155MHz.
 \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.
 \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. Umožnuje spínání o šířce pásma 155MHz.
 \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.
 \end{description}
-Z těchto integrovaných obvodů byl jako nejvhodnější vybrán obvod iC-NZ díky svým vyhovujícím výkonovým parametrům a bezpečnostním funkcím. Nevýhodou volby tohoto obvodu může ale v budoucnu být absence symetrických LVDS vstupů a předpoklad použití monitorovací diody v laseru.
+Z těchto integrovaných obvodů byl jako nejvhodnější vybrán 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.
-Na základě údajů z katalogového výrobce byl navržen univerzální modul pro testování laserových modulů. Zapojení je zvoleno tak, aby umožnil 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 jej využít i k jiným účelům než pouze laserový dálkoměr.
+Na základě údajů z katalogového výrobce byl navržen univerzální modul pro testování laserových modulů. 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 jiné vlnové délky.
-Stavebnice ale nicméně již obsahuje TDC modul  GP201A, který je určení k přesnému měření časových intervalů s vysokým rozlišením. A laserový vysílačový modul je proto k němu logickým komplementem.
+Stavebnice MLAB \cite{mlab_project} již obsahuje TDC modul  GP201A, který je určený k přesnému měření časových intervalů s vysokým rozlišením. A laserový vysílačový LDD01A modul je proto k němu logickým komplementem.
-Schéma zkonstruovaného pulzního budiče je uvedeno v příloze.
+Schéma zkonstruovaného pulzního budiče je uvedeno v příloze \ref{schema_LDD01A}. Jednotlivé vrstvy plošného spoje jsou pak součástí přílohy.
 Plošný spoje modulu je navržen tak, aby umožnil přímé osazení laserovým modulem s odebranou původní elektronikou. Laserová dioda je zaletována přímo do plošného spoje a tělo modulu je kvůli lepší mechanické stabilitě přilepeno k plošnému spoji modulu \ref{LDD_PCB}.
 \begin{figure}[htbp]
 \includegraphics[width=150mm]{./img/LDD_PCB.png}
 \caption{Návrh plošného spoje pulsního budiče čerpací diody}
 \label{LDD_PCB}
 \end{figure}
-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
+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}).
 \begin{figure}[htbp]
 \begin{center}
 \includegraphics[width=80mm]{./img/typy_zapouzdreni.png}
 \caption{Běžné typy konfigurace vnitřního zapojení polovodičových laserů}
 \addcontentsline{toc}{chapter}{Literatura}
 Konstrukce obou prototypů laserového vysílače byla realizovaná z prostředků firmy Universal Scientific Technologies s.r.o.
-\pagebreak
-\listoffigures
-\pagebreak
-\listoftables
-\pagebreak
 \appendix
 \printglossaries
 \glsaddall
 \chapter{Schéma pulsního budiče}
+\label{schema_LDD01A}
 \includepdf[pages={1},landscape=true]{LDD01A.pdf}
+\chapter{Obsah přiloženého CD}
+\begin{figure}
+	\dirtree{%
+		.1 readme.txt\DTcomment{description of CD contents}.
+		.1 src\DTcomment{source code}.
+		.2 thesis\DTcomment{source code for this thesis in \LaTeX{}}.
+		.1 text\DTcomment{compiled thesis}.
+		.2 thesis.pdf\DTcomment{thesis in PDF}.
+		.1 photo \DTcomment{photos of prototype development}.
+		}
+\end{figure}
 \end{document}

Subversion Repositories svnkaklik

(root)/dokumenty/skolni/BP/DOC/SRC/laserovy_vysilac.tex – Rev 1000 → 1001