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

 \textbf{Klíčová slova:} DPSSFD, laserový vysílač, laserový dálkoměr, zelené ukazovátko, 532nm.
 \end{abstract}
-%\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.
 Tato fázová metoda má ještě další variaci a to tu, že jako modulaci signálu je možné v určitých podmínkách využít samotnou vlnovou strukturu světla. A vysílaný i od předmětu odražený svazek nechat interferovat na maticovém snímači. Výsledná interference je pak velmi citlivá na vzájemný fázový posun obou svazků ve zlomcích vlnové délky.
 Tím lze dosáhnout velmi velkého prostorového rozlišení ve smyslu měření změn vzdálenosti až na atomární úroveň tedy desítky až jednotky nanometrů. Tento princip je pak využíván ve specializovaných aplikacích, jako jsou velmi přesné obráběcí automaty, AFM mikroskopy, detektory gravitačních vln, nebo špionážní zařízení měřící zvukem vybuzené vibrace okenních výplní.
 \subsection{Měření doby šíření (ToF) }
+\begin{figure}[htbp]
+\includegraphics[width=150mm]{./img/LRF_block.png}
+\caption{Zjednodušené blokové schéma ToF LRF}
+\label{LRF_block}
+\end{figure}
 Další metodou, kterou můžeme využít pro měření vzdálenosti na základě známé a konečné rychlosti šíření světla, je změření doby šíření určitého balíku fotonů, který vygenerujeme vysílačem a následně po odrazu od měřeného objektu detekujeme v detektoru. Změřená doba šíření pak odpovídá dvojnásobku vzdálenosti mezi vysílačem a měřeným předmětem.
 \begin{equation}
  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 vztahem (\ref{radarova_rovnice}).
 \begin{equation}
  N \approx E \eta \frac{1}{R^2}r
 \label{radarova_rovnice}
 \end{equation}
 Kde
 \begin{description}
 \item[$N$] - počet detekovaných fotoelektronů.
-\item[$E$] - energie ve vyslaném laserovém pulzu.
+\item[$E$] - energie ve vyslaném laserovém pulzu (počet fotonů).
 \item[$\eta$] - koeficient celkové optické optické účinnosti přístroje.
 \item[$R$] - vzdálenost cíle.
 \item[$r$] - označuje efektivní reflektivitu cíle.
 \end{description}
 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) \cite{CTU_reports}.
 Tato práce je proto zaměřena právě na tento princip měření.
+Pro konstrukci laserového systému vhodného pro \gls{TOF} \gls{LRF}, je potřeba několik dílčích součástí.  Znázorněných v blokovém schématu \ref{LRF_block}.
+Význam jednotlivých částí v blokovém schématu je následující.
+\begin{description}
+\item[Laser pulser] - Zdroj měřícího impulzu splnující požadavky popsané v následující sekci .
+\end{description}
 \section{Požadavky na pulsní laserový vysílač}
+\label{vysilac_pozadavky}
 Protože laserový vysílač může mít různé specifické parametry podle účelu jeho použití, tak se následující kapitola týká parametrů vysílače určeného k měření oblačnosti.
 \subsection{Vlnová délka záření}
 Pro jednoduchost konstrukce laserového vysílače je výhodné, pokud laser generuje impulsy se známým zpožděním, nebot pak není nutné měřit  přesnou dobu, kdy vygenerovaný balík fotonů ve skutečnosti opustil vysílač. Vzhledem k plánovanému použití vysílače, je asi rozumné požadovat aby jitter spuštění byl maximálně srovnatelný s generovanou délkou pulsu.
 Tento požadavek by byl nejlépe splnitelný pro polovodičový diodový laser. Ale vzhledem ke komplikovanější konstrukci \gls{DPSS} modulu není úplně zřejmé, zda tohoto stavu je možné dosáhnout.
 \chapter{Rozbor problému}
 \section{Druhy modulovatelných laserů}
-V dnešní době existuje mnoho typů laserů. Avšak pouze malá část z nich je vhodná pro použití v laserových dálkoměrech. Omezením často bývají rozměry aparatury, hmotnost, pořizovací cena, provozní podmínky a odolnost při manipulaci.
+V dnešní době existuje mnoho typů laserů. Avšak pouze některé z nich jsou vhodné pro použití v laserových dálkoměrech. Omezením často bývají, optické parametry,  rozměry aparatury, hmotnost, pořizovací cena, provozní podmínky a odolnost při manipulaci.
 \subsection{Polovodičový diodový LASER}
-Polovodičové laserové diody, jsou nejrozšířenějšími typy laserů, které dosahují dobrých parametrů avšak zatím pouze na vlnových délkách větších než cca 600nm, což pro použití v modelovém laserovém atmosférickém dálkoměru není ideální.  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.\cite{LD_zelene} Zatím ale nedosahují potřebných výstupních energií a navíc jejich pořizovací cena je stále dosti vysoká.
+Polovodičové laserové diody, jsou aktuálně nejrozšířenějšími typy laserů, které dosahují dobrých parametrů avšak zatím pouze na vlnových délkách větších než cca 600nm, což pro použití v modelovém laserovém atmosférickém dálkoměru není ideální.  Generování kratších vlnových délek pomocí laserových diod je ale v současné době v intenzivním vývoji vzhledem k potenciální možnosti použití modrých, zelených a červených laserů v barevných skenovacích projektorech s vysokým kontrastem a rozlišením.\cite{LD_zelene} Zatím ale nedosahují potřebných výstupních energií a navíc jejich pořizovací cena je stále dosti vysoká.
 \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}.
 Polovodičové diody, pevnolátkové lasery
 \chapter{Řešení}
-Pro konstrukci laserového vysílače vhodného pro ToF LRF, je potřeba několik dílčích součástí.  Znázorněných v blokovém schématu.
-\begin{comment}
-\begin{figure}[htbp]
-\includegraphics[width=150mm]{./img/LASER_transmitter.png}
-\caption{Zjednodušené blokové schéma laserového vysílače.}
-\label{laser_transmitter}
-\end{figure}
-\begin{description}
-\item[DPSSFD] - diodově čerpaný laserový modul modul s generací druhé harmonické (532nm)
-\end{description}
-\end{comment}
 \section{Konstrukce DPSSFD modulu}
 Typická konfigurace levného diodově čerpaného laseru s generováním druhé harmonické 532nm je zobrazena na obrázku \ref{laser_module}.
 Vyzařovaná vlnová délka \gls{LD} diody je 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.
-\subsection{Čerpací optika}
 Bezprostředně za diodou je některých konstrukcí čočka, která upravuje záření vycházejí z laserové diody, tak aby bylo možné jej navázat skrz dielektrické zrcadlo na čele krystalu do rezonátoru a čerpat jím aktivní prostředí \acrshort{Nd:YVO}. V testovaných modulech ale čočka byla vynechána a vazba čerpací diody s rezonátorem  je tvořena pouze přímým kontaktem aktivního krystalu a čela diody.
 \subsection{Aktivní prostření a konverzní krystal}

Subversion Repositories svnkaklik

(root)/dokumenty/skolni/BP/DOC/SRC/laserovy_vysilac.tex – Rev 1006 → 1010