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

 \mbox{}
 \vfill
 Chtěl bych poděkovat všem, kteří mi umožnili realizovat tuto práci. Zvláště pak 	Ing. Josefu Blažeji, Ph.D. dále školiteli Prof. Ing. Ivanu Procházkovi, DrSc. A také mým rodičům a přátelům za inspiraci a trpělivost.
-Konstrukce prototypů laserového vysílače byla pak realizována z prostředků firmy \\
+Konstrukce prototypů laserového vysílače byla  realizována z prostředků firmy \\
 Universal Scientific Technologies s.r.o.
 \pagebreak
 \mbox{}
 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.
 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, 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, tak není potřebné aby laserový vysílač umožňoval měření na delší vzdálenosti. Zároveň se od měřiče neočekávají data během denní doby, protože pozemní astronomická pozorování se zatím provádějí převážně během noci.
 \newpage
 \chapter{Úvod}
 Metoda se proto obvykle využívá pro měření vzdáleností v malém rozsahu řádově desítky metrů a méně. Typickým příkladem využití této měřící metody jsou kapesní stavební dálkoměry používané jako náhrada klasických svinovacích metrů.
 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.
+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, \acrshort{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}
 \begin{equation}
  d = \frac{ct}{2n}
 \end{equation}
-Kde $c$ je rychlost šíření elektromagnetického záření ve vakuu, $n$ je index lomu prostředí (pro atmosférická měření většinou zanedbáván jako $n \approx 1$) a $t$ je změřená doba šíření. Veličina $d$ je pak vzdálenost předmětu, kterou potřebujeme změřit.
+Kde $c$ je rychlost šíření elektromagnetického záření ve vakuu, $n$ je index lomu prostředí (pro atmosférická měření většinou zanedbáván jako $n \approx 1$) a $t$ je změřená doba šíření. Veličina $d$ je pak vzdálenost předmětu.
+Při měření se předpokládá homogenní prostředí ve kterém se světlo šíří, nebo alespoň prostředí o nějaké známé efektivní hodnotě indexu lomu.
-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}).
+Pokud dále předpokládáme šíření bez rozptylu a absorpce s tím, že celý laserový signál zasáhne kompaktní měřený objekt, tak  počet zpětně odražených a detekovaných 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}
 \item[$\eta$] - koeficient celkové optické optické účinnosti přístroje.
 \item[$R$] - vzdálenost cíle.
 \item[$r$] - označuje efektivní reflektivitu cíle.
 \end{description}
-Dále vzhledem k tomu, že pro větší vzdálenosti je pravděpodobnost zachycení zpětně odraženého fotonu malá, tak jsou využívány různé techniky pro zlepšení poměru \acrshort{SNR}. Často jde o metody statického zpracování nebo o lock-in měření.
+Dále vzhledem k tomu, že pro větší vzdálenosti je pravděpodobnost zachycení zpětně odraženého fotonu malá, tak jsou využívány různé techniky pro zlepšení poměru \acrshort{SNR}. Často jde o metody pokročilého signálového zpracování, jako je například lock-in měření.
 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.
+Možnosti aplikace metody měření doby šíření jsou tak rozsáhlé, že je používána i v mnoha dalších přístrojích, 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) \cite{CTU_reports}.
+Používá se proto i méně náročná implementace, která využívá kvantovou povahu světla a snímačem jsou detekovány pouze 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.
+Tato práce je proto zaměřena právě na tento jednofotonový princip měření.
-Pro konstrukci laserového systému vhodného pro \gls{TOF} \gls{LRF}, je potřeba několik dílčích součástí.  Znázorněných v blokovém schématu \ref{LRF_block}.
+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[Target] - předmět jehož vzdálenost měříme. V našem případě to bude základna oblačnosti.
+\item[Target] - předmět jehož vzdálenost měříme. V našem případě to bude základna oblačnosti. Tedy vodní kapky mikroskopických rozměrů.
 \item[Optics] - Vstupní a výstupní optická část obvykle realizována některou z konstrukcí optického teleskopu (Kepler, Newton). Důležitá  je kvůli vymezení divergence vystupujícího svazku a omezení \gls{FOV} detektoru. Její další úlohou je také ochrana vnitřních částí přístroje před vnějším prostředím. Proto musí mít vnější optická plocha často speciální konstrukci.
 \item[Laser pulser] - Zdroj měřícího impulzu splňující požadavky popsané v následující sekci \ref{vysilac_pozadavky}.
 \item[Receiver channel] - Detektor selektivně citlivý na vlnové délce vysílaného záření. Může být realizován PIN diodou, nebo v případě jednofotonového měření \gls{APD} detektorem.
 \item[Time to digital converter] - Elektronický obvod, umožňující přesné měření časového intervalu. Jeho přesnost vedle délky vyslaného laserového impulzu rozhoduje o výsledném rozlišení přístroje. V principu jede o digitální čítač. Pro přesné měření jsou ale využívány speciální \acrshort{TDC} integrované obvody. Jeho výstupem je číselná hodnota odpovídající délce časového intervalu.
 \end{description}
 Pro případ měření výšky základny oblačnosti, která sama o sobě nemá příliš strmý přechod je zbytečné měřit s přesností lepší, než řádově metry. Proto stačí od laserového vysílače požadovat délky pulzů kratší, než stovky nanosekund.
 \subsection{Energie impulzu}
-Energie výstupního impulzu je ideálně co největší, aby bylo dosaženo vysoké pravděpodobnosti zachycení některého zpětně odraženého fotonu v každém měření. 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, které předepisuje norma IEC/EN 60825-1.
+Energie výstupního impulzu je ideálně co největší, aby bylo dosaženo vysoké pravděpodobnosti zachycení některého zpětně odraženého fotonu v každém měření. Ale vzhledem k tomu, že je třeba brát ohled i na bezpečnostní rizika laserového systému, tak je potřeba se držet bezpečných úrovní pro intenzity elektromagnetického záření, které předepisuje norma IEC/EN 60825-1.
-Která pro vlnovou délku 532nm a impulz délky 100ns specifikuje \gls{MPE} jako 0,75uJ/cm$^2$.
+Která pro vlnovou délku 532nm a impulz délky 100ns specifikuje pro člověka bezpečnou hodnotu \gls{MPE} jako 0,75uJ/cm$^2$. Laserové zařízení splňující tento požadavek za všech okolností je pak považováno za bezpečné a označováno třídou bezpečnosti 1. Pokud tento požadavek nemůže být splněn za všech okolností, například díky použití nějaké externí kolimační optiky, tak je zařízení deklarováno, jako 1M.  Zvláštním případem je provoz laserových zařízení ve venkovním prostředí, kdy může docházet k interakci s letovým provozem. Zde zatím neexistuje konzistentní opatření které by definovalo bezpečnost provozu \cite{wiki:aviation_lasers}. Podle doporučení U.S. FAA by však v běžném letovém prostoru \footnote{Dále než 18,5km od letiště  a výše než 3000m nad povrchem.}  neměla intenzita záření přesáhnout 2,5mW/cm$^2$.
-Vysílač tedy musí být konstruovaný tak, aby výstupní svazek (který bude v našem případě směřovat svisle do atmosféry) měl dostatečně malou hustotu energie, aby nebyla nebezpečná pro letecký provoz a ideálně ani pro případné živočichy pohybující se nad laserovým měřičem.
+Vysílač tedy musí být konstruován tak, aby výstupní svazek (který bude v případě využití jako ceilometru směřovat svisle do atmosféry) měl dostatečně malou hustotu energie, aby nebyla nebezpečná pro letecký provoz a ideálně ani pro případné živočichy pohybující se nad laserovým měřičem.
 \subsection{Divergence a parametry svazku ve vzdálené zóně}
 Během vygenerování balíku fotonů laserovým vysílačem,  mají na prostorové rozložení energie v pulzu vliv různé asymetrie laserové dutiny, rezonátoru a apertury. Důsledkem obvykle je, jiný než gaussovský příčný profil svazku. A také vlivem konečného rozměru výstupní apertury i nenulová rozbíhavost svazku. Vzhledem k tomu, že svazek je takto modifikován primárně difrakčními jevy, tak je smysluplné zkoumat profil svazku hlavně ve vzdálené zóně. Avšak existuje difrakční limit minimální divergence svazku na apertuře konečného průměru, který lze vyjádřit vztahem \ref{difrakcni_limit}.
 \begin{equation}
 \theta = \frac{2 \lambda}{\pi w_0}
 \label{difrakcni_limit}
 \end{equation}
 \begin{description}
-\item[$\theta$] - divergence svazku.
+\item[$\theta$] - divergence svazku (plný úhel).
 \item[$\lambda$] - vlnová délka záření.
 \item[$w_0$] - poloměr nejužšího místa svazku.
 \end{description}
 Pro laserový vysílač používaný k měření oblačnosti je však podstatné, že pokud předpokládáme velikost oblaku minimálně stejnou, jako průměr svazku v dané výšce, tak počet odražených fotonů není závislý na divergenci svazku výstupního záření (platí vztah \ref{radarova_rovnice}).
 K zachycení dějů v aktivním prostředí je zajímavé pokusit se o numerické namodelování laseru. Ale vzhledem, tomu, že jde převážně o materiálové a těžko měřitelné jevy je přesné modelování obtížné, přesto bud nastíněn postup, který může tento problém řešit.
 \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 a hustotu generovaných fotonů. Pro případ čtyř-hladinového kvantového systému, kterým je například aktivní prostředí \acrshort{Nd:YAG}, nebo \acrshort{Nd:YVO} nabývají tvaru \ref{rate_equ_n}, \ref{rate_equ_pho}.
+Rychlostní rovnice jsou základním matematickým popisem dějů v laserovém systému.  Jde o soustavu diferenciálních rovnic, která popisuje časový vývoj inverze populace kvantových stavů v aktivním krystalu a hustotu generovaných fotonů. Pro případ čtyř-hladinového kvantového systému, kterým je například aktivní prostředí \acrshort{Nd:YAG}, nebo \acrshort{Nd:YVO} nabývají tvaru \ref{rate_equ_n}, \ref{rate_equ_pho}.
 \begin{eqnarray}
 \frac{\partial n_2}{\partial t} &=& -n_2 c \sigma \phi  - \frac{n_2}{\tau _f} + W_p (n_0 - n_2)
 \label{rate_equ_n} \\
-\frac{\partial \phi}{\partial t} &=& c \sigma \phi n - \frac{\phi}{\tau _c} + S_1 .
+\frac{\partial \phi}{\partial t} &=& c \sigma \phi n_2 - \frac{\phi}{\tau _c} + S.
 \label{rate_equ_pho}
 \end{eqnarray}
 Význam jednotlivých proměnných je následující:
 \begin{description}
-\item[$n_2$] - .
+\item[$n_2$] - počet excitovaných kvantových stavů v aktivním prostředí.
-\item[$n_0$] - .
+\item[$n_0$] - počet kvantových stavů v základní laserové hladině.
 \item[$W_p$] - rychlost čerpání do vyšších kvantových stavů [$s^{-1}$].
-\item[$t$] - .
 \item[$c$] - grupová rychlost světla v aktivním prostředí ($c=c_0/n$).
-\item[$\sigma$] - .
+\item[$\sigma$] - účinný průřez pro stimulovanou emisi.
 \item[$\phi$] - hustota generovaných fotonů v prostředí.
-\item[$n$] - .
-\item[$\tau _c$] - .
+\item[$\tau _c$] - Doba života fotonu v rezonátoru.
-\item[$\tau _f$] - doba života elektronu na horní laserové hladině $\tau _{12}$.
+\item[$\tau _f$] - Doba života na horní laserové hladině $\tau _{12}$.
-\item[$S_1$] - odpovídá počáteční úrovni šumu vlivem spontánní emise fotonů $\phi$.
+\item[$S$] - odpovídá počáteční úrovni šumu vlivem spontánní emise fotonů $\phi$.
+\item[$t$] - čas.
 \end{description}
 \subsection{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.
 K exaktnímu popisu tohoto jevu je opět možné využít rychlostní rovnice.
 Na začátku cyklu je úroveň stimulované emise zanedbatelná,  protože hustota generovaných fotonů v rezonátoru se blíží nule. Proto inverze populace hladin může být vyjádřena vztahem (\ref{narust_populace}) a roste lineárně s časem.
 \begin{equation}
-\frac{\partial n}{\partial t}= W_p n_{tot}
+\frac{\partial n}{\partial t}= W_p n_{0}
 \label{narust_populace}
 \end{equation}
 Následně začíná vlivem spontánní emise narůstat hustota fotonů v rezonátoru a naopak se stává zanedbatelná rychlost čerpání i ztráty v rezonátoru. Rychlostní rovnice pak nabývají tvaru \ref{equ_relaxacni_oscilace_n} a \ref{equ_relaxacni_oscilace_pho}.
 \begin{eqnarray}
 \label{equ_relaxacni_oscilace_n}
-\frac{\partial n}{\partial t} &=& -n c \sigma \phi \gamma \\
+\frac{\partial n}{\partial t} &=& -n c \sigma \phi \\
 \frac{\partial \phi}{\partial t} &=& c \sigma \phi n
 \label{equ_relaxacni_oscilace_pho}
 \end{eqnarray}
 Relaxační oscilace jsou tedy fundamentálním jevem, který je předpovězený rychlostními rovnicemi. Ve značném množství aplikací ale jde o jev nežádoucí a proto se pokusy o jejich aktivní tlumení datují již do roku 1962 \cite{koechner}. K tomuto účelu byly využívány elementy v podobě Kerrovy cely,  Pockelsovy cely nebo akusto-optické modulátory. Moderní diodově čerpané lasery s velmi nízkým šumem, využívají monolitické konstrukce rezonátoru s konduktivním odvodem tepla a rychlou elektronickou zpětnou vazbu ovlivňující čerpání.
 \subsection{Jiné ToF dálkoměry}
 Značné množství podobných konstrukcí využívá ke generaci laserového impulzu Q-spínaný pevnolátkový laser, nebo pulzně buzenou polovodičovou diodu.
-Například jeden z nejmenších komerčních dálkoměrů MLR100 \cite{MLR100} určený pro využití v \acrshort{UAV}  systémech generuje impulz o délce 15ns \acrshort{FWHM} pomocí polovodičového systému \gls{VCSEL} s vlnovou délkou 940nm, elektronický pulzer využívá lavinového průrazu tranzistoru a generuje špičkové proudy až 100A. Špičkový výkon laserového pulzu pak je 64W v prostorovém úhlu 14$^\circ$ \acrshort{FWHM} na výstupní apertuře má svazek navíc průměr 1cm a výrobce pak opět deklaruje třídu bezpečnosti 1M.
+Například jeden z nejmenších komerčních dálkoměrů MLR100 \cite{MLR100} určený pro využití v \acrshort{UAV}  systémech generuje impulz o délce 15ns \acrshort{FWHM} pomocí polovodičového systému \gls{VCSEL} s vlnovou délkou 940nm, elektronický pulzer využívá lavinového průrazu tranzistoru a generuje špičkové proudy až 100A. Špičkový výkon laserového pulzu pak je 64W v prostorovém úhlu 14$^\circ$ \acrshort{FWHM} na výstupní apertuře má svazek navíc průměr 1cm a výrobce pak opět deklaruje třídu bezpečnosti 1M. Jako detektor je využita PIN dioda. Měřící rozsah přístroje do 100m s rozlišením 20cm.
+Dále bylo zkonstruováno již mnoho experimentálních \gls{LRF}. Pevnolátkový diodově čerpaný laser s pasivním Q-spínáním využívá zdroj \cite{LRF_NIR} pracuje na vlnové délce 946nm a energie ve výstupním pulzu je 10 $\mu$J.
+Se zvláště nízkou energií v pulzu pracuje atmosférický detektor již dříve vyvinutý na FJFI, kdy energie pulzu je pouze 0,5uJ
 \chapter{Řešení}
 \end{equation}
 Tato hodnota sice určitě není za běžných podmínek dosažitelná nicméně dává představu o limitech pevnolátkového laseru v modulu.
 \subsection{Kolimace výstupního svazku a výstupní IR filtr}
+\label{vystup_modulu}
 Výstupní záření vycházející z optického rezonátoru je ideálně pouze 532nm, které je kolimováno do výstupního svazku s divergencí menší než 0,5mrad.
-Vzhledem 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 dutiny rezonátoru.
+Vzhledem 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 dutiny rezonátoru. Není ale vyloučeno, že u některých modulů může být tento filtr vynechán.
 \begin{figure}[htbp]
 \begin{center}
 \includegraphics[height=60mm]{./img/svazky/laser_5mW_calibrated_B_rainbow.png}
 \includegraphics[height=60mm]{./img/svazky/laser_20mW_calibrated_G_rainbow.png}
 \label{laser_module_divergence}
 \end{center}
 \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.
-Naměřené hodnoty 0,2x0,3mrad a  0,15x0,2 lze považovat spíše za horní hranice rozbíhavosti pro tovární nastavení modulů, neboť modul byl před měřením několikrát rozebrán z důvodu průzkumu jeho obsahu, což mělo negativní vliv na přesnost jeho kolimace. Nejlepší naměřená hodnota 0,15mrad je však v podstatě shodná s teoretickým difrakčním limitem odvozeným z rozměrů laseru viz. kapitola \ref{parametry_modulu}.
+Naměřené hodnoty 0,2x0,3 mrad a  0,15x0,2 mrad lze považovat spíše za horní hranice rozbíhavosti svazku pro tovární nastavení modulů, neboť modul byl před měřením několikrát rozebrán z důvodu průzkumu jeho obsahu, což mělo negativní vliv na přesnost kolimace. Naměřené hodnoty jsou srovnatelné, nebo lepší, než předpokládaná hodnota  divergence 0,27 mrad spočítaná z rozměrů modulů. viz. sekce \ref{parametry_modulu}.
-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, nebo kumulonimbu. S ohledem na bezpečnost je tato divergence dokonce zbytečně nízká a bylo by vhodné zvážit rekolimaci svazku, tak aby zařízení spadalo do bezpečnostní třídy 1M.
 \subsection{Původní regulační obvod}
 Původní regulační obvod laseru se skládal z operačního 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, ani na něm provádět měření. Tento problém lze ale vyřešit náhradou regulačního obvodu a přidáním chladiče viz. odstavec \ref{proudovy_zdroj}.
 \end{figure}
 \section{Parametry laserových modulů}
 \label{parametry_modulu}
-Všechny tyto běžně dostupné moduly jsou válcové o průměru (11,9 $\pm$ 0,1)mm délky 40mm (20mW) nebo 35mm (5mW). Na výstupní části je 10mm dlouhé osazení  s jemným závitem M8 respektive M10. Výstupní apertura modulů je 3,9mm. Průměr svazku na výstupní apertuře je ale pouze 2,3mm (změřeno posuvným měřítkem).
+Všechny tyto běžně dostupné moduly jsou válcové o průměru (11,9 $\pm$ 0,1)mm délky 40mm (20mW) nebo 35mm (5mW). Na výstupní části je 10mm dlouhé osazení  s jemným závitem M8 respektive M10. Výstupní apertura modulů je 3,9mm. Průměr svazku na výstupní apertuře je přibližně 2,5mm (změřeno posuvným měřítkem).
-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 0,27mrad.
 \begin{figure}[htbp]
 \includegraphics[height=80mm]{./img/DPSSFD_5mW.jpg}
 \includegraphics[height=80mm]{./img/DPSSFD_20mW.jpg}
 \caption{Použité testovací DPSSFD moduly 5mW (vlavo) a 20mW (vpravo).}
 \begin{tabular}{ccc}
 \hline
 Parametr & hodnota &  \\ \hline
 Výstupní výkon CW  [mW] &  20  &   \\
 Napěťový úbytek na LD [V] &   2,24  &  \\
-Proud čerpací diodou [mA] &   167-230 &  Záleží na teplotě a typu modulu  \\
+Proud čerpací diodou [mA] &   167-230 &  Závisí na teplotě a typu modulu  \\
 \hline
 \end{tabular}
 \end{center}
 \label{parametry_puvodni_regulator}
 \end{table}
 \includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/2modul_5mW.png}
 \caption{Průběh výstupních impulzů v případě použití 5mW verze modulu (typ s menší výstupní hlavou M8).}
 \label{relaxacni_kmity_5mW}
 \end{figure}
-Autonomně generovaných relaxačních kmitů bylo možné dosáhnout již s původním regulačním obvodem. Avšak vzhledem k tomu, že ten je výkonově poddimenzován, tak nebylo možné modul takovým způsobem používat delší dobu.
+Autonomně generovaných relaxačních kmitů bylo možné dosáhnout již s původním regulačním obvodem. Kdy byl původní regulátor napájen nastavitelným zdrojem napětí LM108601A \cite{mlab_LM108601A} čímž bylo možné omezit provozní proud laserové diody.  Avšak vzhledem k tomu, že původní regulátor je výkonově poddimenzován, tak nebylo možné modul takovým způsobem používat delší dobu.
 \section{Vlastní Řídící elektronika}
 Aby bylo možné uvažovat o použití těchto laserových modulů, jako laserového dálkoměru je z výše popsaných důvodů nutné změnit způsob regulace laserového systému.
 \includegraphics[width=150mm]{./img/Current_source.JPG}
 \caption{Aparatura použitá pro měření intenzity optického výstupu v závislosti na budícím proudu.}
 \label{proudovy_zdroj}
 \end{figure}
-Stabilizovaný zdroj proudu byl jedním z prvních pokusů o zlepšení parametrů stávající regulace. Je zkonstruován opět jako lineární zdroj, ale jako výstupní budič je použit výkonový operační zesilovač L165. Proud je stabilizován udržováním napěťového úbytku na měřícím odporu. Tato hodnota je nastavována odporovým děličem ze zdroje referenčního napětí LM431.
+Stabilizovaný zdroj proudu byl jedním z prvních pokusů o zlepšení parametrů stávající regulace. Je zkonstruován opět jako lineární zdroj, ale jako výstupní budič je použit výkonový operační zesilovač L165. Proud je stabilizován udržováním napěťového úbytku na měřícím odporu. Tato hodnota je nastavována odporovým děličem realizovaným mnohootáčkovým potenciometrem 2k$\Omega$ ze zdroje referenčního napětí LM431.
 Na měřícím odporu je pak výstupem operačního zesilovače udržováno nastavené referenční napětí.
-Celý proudový zdroj je zkonstruovaný z následujících modulů stavebnice MLAB: OZPOWER01A, OZdual01B,
+Celý proudový zdroj je zkonstruovaný z následujících modulů stavebnice MLAB \cite{mlab_project}.
+\begin{description}
+\item[OZPOWER01A] - Modul výkonového operačního zesilovače použitelného do 18V/3A. Je použit jako výkonový regulační stupeň pro regulaci proudu laserovou diodou \cite{mlab_OZPOWER01A}.
+\item[OZdual02B] - Modul určený pro obecný dvojitý operační zesilovač společně s obvodem pro napěťovou referenci.  V tomto případě je použit pouze jako zdroj referenčního napětí. \cite{mlab_OZdual02B}
+\item[UNIPOWER02A] - napájecí modul s proudovou pojistkou a ochranou proti přepólování.
+\end{description}
 Použití tohoto konstrukčního systému umožnilo zkonstruování variabilního laboratorního prototypu vysílače generujícího zesílené šumové impulzy. Ale vzhledem k principiálním problémům stabilizace pracovního bodu v režimu autonomních oscilací je nastavení vhodného budícího proudu ponecháno na uživateli prototypu.
 \begin{table}[htbp]
 \caption{Parametry laserového modulu napájeného zkonstruovaným zdrojem proudu.}
 Způsob modifikace laserového ukazovátka do podoby vhodné pro laserový dálkoměr byl v průběhu práce prozkoumán již dostatečně. Avšak pro další vývoj zařízení jsou možnosti stále rozsáhlé. Některé předpokládané koncepční problémy jsou diskutovány v následujících odstavcích.
 \subsubsection{Zapouzdření vysílače}
-Konstrukce vhodného obalu pro celé zařízení bude problametickou úlohou pro skutečnou realizaci, neboť je vzhledem k aplikaci potřebné a by konstrukce nemohla být poškozena, nebo vyřazena z funkce povětrnostními vlivy.
+Konstrukce vhodného obalu pro celé zařízení bude problametickou úlohou pro skutečnou realizaci, neboť je vzhledem k aplikaci potřebné aby konstrukce nemohla být poškozena, nebo vyřazena z funkce povětrnostními vlivy.
-Zvláště problematické mohou být sníh, nebo námraza na optických komponentech. Kterou bude třeba řešit buď aktivním vyhříváním výstupních čoček a nebo mechanickou závěrkou, případě pohyblivou hlavicí podobnou přístroji MRAKOMĚR 2 ze zdroje.
+Zvláště problematické mohou být sníh, nebo námraza na optických komponentech. Kterou bude třeba řešit buď aktivním vyhříváním výstupních čoček a nebo mechanickou závěrkou, případě pohyblivou hlavicí podobnou přístroji MRAKOMĚR 2 \cite{mlab_mrakomer2}. Současné komerční ceilometry mají před optikou šikmé vyhřívané sklo a případně jsou vybaveny aktivním ofukováním.
 \subsubsection{Aktivní stabilizace teploty}
 Vzhledem k tomu, že pro správnou funkci polovodičové diody je kritická její provozní teplota. Tak by bylo vhodné zařízení vybavit systémem s aktivní regulací provozní teploty laseru, stávající stav konstantního odvodu tepla chladičem, je účinný pouze v prostředí s vhodným rozsahem teplot, které umožní ustálení tepelné rovnováhy. A tím i stabilizaci pracovního bodu laseru. Zároveň je známá závislost mezi provozní teplotou a životností diody, která odpovídá zhruba zdvojnásobení životnosti při redukci provozní teploty o 10$^\circ C$. \cite{LD_driving}
 \subsubsection{Kombinace s jinými přístroji}
-Vzhledem ke koncepčnímu řešení prototypu, který je konstruován modulárně z dílů OpenSource stavebnice MLAB a navržený řídící modul laserové diody tuto koncepci doplňuje. Tak je možnost připojení, nebo modifikace zařízení pro jiné účely velice přímočará. A ve většině případů by mělo stačit vyměnit některý z modulů za modul vhodnější pro konkrétní aplikaci.
+Vzhledem ke koncepčnímu řešení prototypu, který je konstruován modulárně z dílů OpenSource stavebnice MLAB a navržený řídící modul laserové diody tuto koncepci doplňuje. Tak je možnost připojení, nebo modifikace zařízení pro jiné účely velice přímočará. A ve většině případů bude stačit vyměnit některý z modulů za modul vhodnější pro konkrétní aplikaci.
-Lze tak například snadno implementovat elektroniku laserového dálkoměru, která může s řídícím systémem dalekohledu komunikovat po různých typech sběrnic, například: RS232, RS485, CAN, USB, Ethernet.
+Lze tak například snadno realizovat elektroniku laserového dálkoměru, která může s řídícím systémem dalekohledu komunikovat po různých typech komunikačních rozhraní, například: RS232, RS485, CAN, USB, Ethernet.
 \subsubsection{Bezpečnost vysílače}
-Bezpečnost provozu vysílače je komplexním parametrem, který je ovlivněn všemi výše zmíněnými vlastnostmi. Nejpřímější vliv má však energie a divergence svazku, tedy hustota energie v průřezu svazku, která není konstantní v celém měřícím rozsahu a s rostoucí vzdáleností značně klesá.
+Bezpečnost provozu vysílače je komplexním parametrem, který je ovlivněn mnoha dříve zmíněnými vlastnostmi. Nejpřímější vliv má však průřez, energie a divergence svazku, tedy hustota energie v průřezu svazku, která není konstantní v celém měřícím rozsahu a s rostoucí vzdáleností značně klesá.
-Pokud budeme vycházet z dříve realizovaných konstrukcí laserových dálkoměrů pro atmosférická měření, tak potřebná energie v jednom impulzu se pohybuje okolo 0,5uJ/100ns. Což odpovídá špičkovému výkonu 5W.
+Pokud budeme vycházet z dříve realizovaných konstrukcí laserových dálkoměrů pro atmosférická měření, tak nejmenší ověřená potřebná energie v jednom impulzu se pohybuje okolo 0,5uJ/100ns.
-Z toho vyplývá, že pro lidský zrak je problematická zóna do vzdálenosti Xm od vysílače. Existují sice speciální vlnové délky označované, jako Eye Safe okolo 1500nm, které neprochází rohovkou a tudíž, jsou částečně bezpečné pro oční sítnici. Ovšem tato vlnová délka není příliš vhodná pro detekci oblačnosti a navíc právní norma žádné skutečné Eye Safe vlnové délky nezná. Rešením tohoto problému může být rekolimace svazku do většího průměru hned na výstupu vysílače.
+Norma povoluje \gls{MPE} 0,75uJ/cm$^2$ z toho vyplývá, že pro lidský zrak je při tomto výkonu a  původním uspořádání (kapitola \ref{vystup_modulu}) nebezpečná zóna do vzdálenosti <61,5m od vysílače.  Řešením tohoto problému může být rekolimace svazku do většího průměru hned na výstupu vysílače.
-Casteně lze ale předpokládat, že bezpečnosti provozu vysílače napomůže i fakt, že generovaná vlnová délka je ve viditelné oblasti světla a stopa svazku ve vzduchu je navíc dobře viditelná. A tudíž se nejedná o skryté nebezpeční avšak uvažovaná aplikace vysílače patří z hlediska bezpečnostních podmínek k nejproblematičtějším - svazek je vyzařovaný svisle vzhůru, měření bude prováděno hlavně v noci což znamená za největšího průměru očních zornic a od obsluhy nelze reálně očekávat využití ochranných brýlí.
+Částečně lze ale předpokládat, že bezpečnosti provozu vysílače napomůže i fakt, že generovaná vlnová délka je ve viditelné oblasti světla a stopa svazku ve vzduchu je navíc dobře viditelná. A tudíž se nejedná o skryté nebezpeční avšak uvažovaná aplikace vysílače patří z hlediska legislativních bezpečnostních podmínek k nejproblematičtějším - svazek je vyzařovaný svisle vzhůru, měření bude prováděno hlavně v noci což znamená za největšího průměru očních zornic a od obsluhy nelze reálně očekávat využití ochranných brýlí. Navíc je pravděpodobná interakce s letovým provozem nad měřičem.
 \chapter{Závěr}
 Byla prozkoumána konstrukce běžně dostupných diodově čerpaných modulů používaných v laserových ukazovátkách a zjištěny jejich parametry, které byly vzhledem k jejich dostupnosti uznány jako zajímavé pro konstrukci vysílače pro laserový dálkoměr.
 Následně proto byla řešena úloha konstrukce vhodného řídícího obvodu pro čerpací laserovou diodu modulu.
-Výsledkem práce jsou dva prototypy laserového vysílače vhodného pro další experimentální využití. Jednoduší varianta regulovatelného proudového zdroje, která vytváří impulzy samovolným kmitáním laseru. A sofistikovanější univerzální modul pro řízení laserových diod, který umonuje generovat pulsy řízením způsobem, nebo případně provozovat laser v pracovním bodě samovolného kmitání.
+Výsledkem práce jsou dva prototypy laserového vysílače vhodného pro další experimentální využití. Jednoduší varianta regulovatelného proudového zdroje, která vytváří impulzy samovolným kmitáním laseru. A sofistikovanější univerzální modul pro řízení laserových diod, který umožňuje generovat pulsy řízením způsobem, nebo případně provozovat laser v pracovním bodě samovolného kmitání.
 Přínosem druhého prototypu také je, že poskytuje možnost realizovat zařízení pro laserové měření vzdálenosti, založené i na jiných principech, než je měření doby šíření.
 Výstupní energie obou prototypů by podle laboratorních měla být dostatečná pro detekci srážkově potenciální oblačnosti ve výškách menších, než 1km nad přístrojem.
 Pro reálnou aplikaci vysílače, a realizaci kompletního dálkoměru je třeba jej pouze doplnit o vhodný detektor a patřičně zakrytovat.
 Zadání práce bylo proto splněno v celém rozsahu.

Subversion Repositories svnkaklik

(root)/dokumenty/skolni/BP/DOC/SRC/laserovy_vysilac.tex – Rev 1017 → 1018