Subversion Repositories svnkaklik

%\textbf{\Huge Laser transmitter for miniature rangefinder}

\textbf{\Huge Laser transmitter for miniature rangefinder}

Práce se zabývá prověřením možnosti použití diodově čerpaného pevnotlátkového laserového modulu generujícího výstupní záření na vlnové délce 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. 

Práce se zabývá prověřením možnosti použití diodově čerpaného pevnotlátkového laserového modulu generujícího výstupní záření na vlnové délce 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. Byl proto navržen pulzní budič pro tyto laserové moduly s parametry v hodnými pro využití v laserovém dálkoměru. 

\selectlanguage{czech}%

\selectlanguage{czech}

\newpage

\pagebreak

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, generace laserových pulzů. Princip spočívá v pulzně modulovaném čerpání aktivního prostředí. Laser se pak chová tak, že v době kdy je čerpání pod prahovou úrovní, 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 relaxačních 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 dochází k postupnému exponenciálnímu snižování výstupní intenzity vlivem nenulové doby života fotonů v rezonátoru. Toto chování je vysvětleno rychlostními rovnicemi popsanými 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, 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 impulzu 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 laserem generovat krátký světelný impulz je spínání ziskem. Jeho princip spočívá v nastavení pracovního bodu laseru tak, aby úroveň čerpání byla 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 úroveň a v okamžiku vzniku impulzu naopak opět sníženo hluboko pod prahovou úroveň. Výsledkem je vygenerování jednoho laserového impulsu, který je sice delší než v případě Q spínání, ale přesto má lepší parametry než impulz vygenerovaný volně běžícím režimem.   

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.   

K zachycení dějů v aktivním prostředí je zajímavé pokusit se o numerické namodelování laseru. Vzhledem k tomu, že jde převážně o materiálové a těžko měřitelné jevy, je přesné modelování obtížné. Přesto zde bude nastíněn postup, který může tento problém  částečně řešit.   

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}.    

Rychlostní rovnice jsou základním matematickým popisem dějů v laserovém systému.  Jde o soustavu diferenciálních rovnic prvního řádu, 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}.    

\item[$n_2$] - počet excitovaných kvantových stavů v aktivním prostředí.

\item[$n_2$] - počet excitovaných kvantových stavů v aktivním prostředí

\item[$n_0$] - počet kvantových stavů v základní laserové hladině.

\item[$n_0$] - počet kvantových stavů v základní laserové hladině

\item[$W_p$] - rychlost čerpání do vyšších kvantových stavů [$s^{-1}$].

\item[$W_p$] - rychlost čerpání do vyšších kvantových stavů [$s^{-1}$]

\item[$c$] - grupová rychlost světla v aktivním prostředí ($c=c_0/n$).

\item[$c$] - grupová rychlost světla v aktivním prostředí ($c=c_0/n$)

\item[$\sigma$] - účinný průřez pro stimulovanou emisi. 

\item[$\sigma$] - účinný průřez pro stimulovanou emisi [cm$^2$]

\item[$\phi$] - hustota generovaných fotonů v prostředí. 

\item[$\phi$] - hustota generovaných fotonů v prostředí [cm$^{-3}$]

\item[$\tau _c$] - Doba života fotonu v rezonátoru.

\item[$\tau _c$] - doba života fotonu v rezonátoru 

\item[$\tau _f$] - Doba života na horní laserové hladině $\tau _{12}$.

\item[$\tau _f$] - doba života na horní laserové hladině $\frac{1}{\tau _f} = \frac{1}{\tau _{21}} +\frac{1}{\tau _{20}}$

\item[$S$] - odpovídá počáteční úrovni šumu vlivem spontánní emise fotonů $\phi$. 

\item[$S$] - odpovídá počáteční úrovni šumu vlivem spontánní emise fotonů $\phi$ [cm$^{-3}$]

\item[$t$] - čas. 

\item[$t$] - čas

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. 

V okamžiku, kdy je do termodynamicky ustáleného aktivního prostředí 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. 

První spontánní emise fotonu však způsobí hromadnou stimulovanou emisi záření a vzhledem k tomu, že inverze populace dosáhla podstatně vyšší hodnoty, než která existuje v ustáleném stavu, tak i hustota fotonů v rezonátoru dosáhne vyšších hodnot. Protože ale vysoká hustota generovaných fotonů v rezonátoru znamená rychlou depopulaci excitovaných hladin (podstatně rychlejší, než je rychlost čerpání), 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. 

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. 

K exaktnímu popisu tohoto jevu je 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. 

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.     

Relaxační oscilace jsou tedy fundamentálním jevem, který je vysvětlený 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.     

Gain switchinq, neboli spínání ziskem je principiálně přesným opakem regulace laseru s aktivním potlačením relaxačních oscilací. Neboť relaxační oscilace lze i využít ke generaci krátkých impulzů s vyšším výkonem, než by bylo možné ve volně běžícím režimu. 

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. 

Protože v případě, že je laser čerpán z jiného pulzního laseru, tak 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, tak dojde k propadu inverze populace hladin hluboko po kritickou úroveň a další impulz už generován není. 

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. 

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. 

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. 

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 v tomto případě k tak silnému nárůstu výstupního výkonu oproti výkonu čerpání. A v případě gain switchingu je délka a výkon výstupního impulzu srovnatelná s čerpacím impulzem.

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.

Samotná generace druhé harmonické je nelineárnímn optickým jevem, v materiálu konverzního krystalu. Nejčastěji se využívají materiály \acrshort{KDP} nebo \acrshort{KTP}. Pro akceptovatelnou konverzní učinnost je však třeba dosáhnout velkých intenzít budícího záření (řádově desítky MW/cm$^2$) \cite{koechner}. Splnění takové podmínky mimo laserový resonátor není jednoduché, proto se u \acrshort{DPSSFD} modulů umisťuje konverzní krystal přímo do laserového oscilátoru společně s aktivnm prostředím.  Zrcadla rezonátoru jsou pak vyrobena tak, aby budící záření 1064nm unikalo z rezonátoru jenom v minimální míře. A výstupní zrcadlo pak naopak má ideální propustnost pro zkonvertované záření 532nm. 

Samotná generace druhé harmonické je nelineárním optickým jevem v materiálu konverzního krystalu. Nejčastěji se využívají materiály \acrshort{KDP} nebo \acrshort{KTP}. Pro akceptovatelnou konverzní učinnost je však třeba dosáhnout velkých intenzit budícího záření (řádově desítky MW/cm$^2$) \cite{koechner}. Splnění takové podmínky mimo laserový rezonátor není jednoduché, proto se u \acrshort{DPSSFD} modulů umisťuje konverzní krystal přímo do laserového oscilátoru společně s aktivním prostředím.  Zrcadla rezonátoru jsou pak vyrobena tak, aby budící záření 1064nm unikalo z rezonátoru jenom v minimální míře, výstupní zrcadlo má pak naopak ideální propustnost pro zkonvertované záření 532nm. 

Kde $K = 2 Z^3 \omega_1 d_{eff}$

Kde $K$ je materiálovou konstantou vyjádřenou vztahem $K = 2 Z^3 \omega_1 d_{eff}$

\item[$P_{2\omega}$] - Výkon vygenerované druhé harmonické vlny

\item[$P_{2\omega}$] - výkon vygenerované druhé harmonické vlny

\item[$P_\omega$] - Výkon budící vlny

\item[$P_\omega$] - výkon budící vlny

\item[$\omega_1$] - Úhlová frekvence budící vlny

\item[$\omega_1$] - úhlová frekvence budící vlny

\item[$Z$] - Impedance $\sqrt{ \mu _0 / \varepsilon _0 \varepsilon}$

\item[$Z$] - impedance $\sqrt{ \mu _0 / \varepsilon _0 \varepsilon}$

V sestaveném laserovém systému je většina parametrů fixních kromě rozdílu vlnových čísel (rozfázování svazků) $\Delta k$ který je značně závislý na teplotě. \cite{koechner}

V sestaveném laserovém systému je většina parametrů fixních, kromě rozdílu vlnových čísel (rozfázování svazků) $\Delta k$, který je značně závislý na teplotě. \cite{koechner}

Existuje již mnoho typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti. Například jsou to laserové ceilometry \footnote{První optické ceilometry využívaly trianguační metodu měření vzdálenosti, kde byla oblačnost nasvětlována výkonným reflertorem.} Vaisala CL51 a CL31 oba využívají jako vysílač polovodičovou InGaAs diodu pracující na vlnové délce 910 nm. Detektor a vysílač mají koaxiální optiku s jednou společnou vnější čočkou. Roslišení přístroje je 5m.   Energii ve výstupním impulzu výrobce neudává, ale zařízení je deklarováno jako Class 1M IEC/EN 60825-1. Což znamená, že bezpečnosti je v tomto případě dosahováno zvětšením průřezu svazku tak, že hodnota \gls{MPE} nepřekročí limit 1uJ/cm$^2$ při délce impulzu 10ns.  

Existuje již mnoho typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti. Například jsou to laserové ceilometry \footnote{První optické ceilometry využívaly trianguační metodu měření vzdálenosti, kde byla oblačnost nasvětlována výkonným reflertorem.} Vaisala CL51 a CL31 oba využívající jako vysílač polovodičovou InGaAs diodu pracující na vlnové délce 910 nm. Detektor a vysílač mají koaxiální optiku s jednou společnou vnější čočkou. Rozlišení přístroje je 5m.   Energii ve výstupním impulzu výrobce neudává, ale zařízení je deklarováno jako Class 1M IEC/EN 60825-1, což znamená, že bezpečnosti je v tomto případě dosahováno zvětšením průřezu svazku tak, že hodnota \gls{MPE} nepřekročí limit 1uJ/cm$^2$ při délce impulzu 10ns.  

Proto bylo v minulosti speciálně pro aplikaci zabezpečení automatických teleskopů před poškozením možnými srážkami vyvinuto již několik přístrojů většinou pracujících na principu pasivní detekce termálního IR záření generovaného povrchem Země a odraženého od případné oblačnosti v atmosféře. Tato metoda, je velmi spolehlivá a používá se na mnoha automatických observatořích po celém světě. Má však ale díky svému pasivnímu principu nedostatky způsobené jednak roční variabilitou teplot a také geografickou polohou, proto vyžaduje poměrně dlouhotrvající kalibraci zařízení na lokální podmínky. Další nevýhodou, je pak také malé prostorové rozlišení. Například senzor MRAKOMĚR 4 \cite{mlab_mrakomer} má \acrshort{FOV} 40$^\circ$ což způsobuje koplikace při některých meteorologických situacích, kdy se například nad observatoří vyskytuje hustá kumulovitá oblačnost avšak místy obsahující trhliny, kterými by bylo možné potenciálně některé astronomické jevy ještě pozorovat.    

Tato metoda je velmi spolehlivá a používá se na mnoha automatických observatořích po celém světě. Má však ale díky svému pasivnímu principu nedostatky způsobené jednak roční variabilitou teplot a také geografickou polohou, proto vyžaduje poměrně dlouhotrvající kalibraci zařízení na lokální podmínky. Další nevýhodou, je pak také malé prostorové rozlišení. Například senzor MRAKOMĚR 4 \cite{mlab_mrakomer} má \acrshort{FOV} 40$^\circ$ což způsobuje komplikace při některých meteorologických situacích, kdy se například nad observatoří vyskytuje hustá kumulovitá oblačnost avšak místy obsahující trhliny, kterými by bylo možné potenciálně některé astronomické jevy ještě pozorovat.    

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 je do 100m s rozlišením 20cm. 

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 je 64W v prostorovém úhlu 14$^\circ$ \acrshort{FWHM}.

Dále bylo zkonstruováno již mnoho experimentálních \gls{LRF}. Pevnolátkový diodově čerpaný laser s pasivním Q-spínáním využívá konstrukce ze zdroje \cite{LRF_NIR} pracuje na vlnové délce 946nm a energie ve výstupním pulzu je 10 $\mu$J. Opakovací frekvence při kontinuálním čerpání je 16kHz.    

Dále bylo zkonstruováno již mnoho experimentálních \gls{LRF}. Pevnolátkový diodově čerpaný laser s pasivním Q-spínáním využívá  konstrukce ze zdroje \cite{LRF_NIR}, pracuje na vlnové délce 946nm a energie ve výstupním pulzu je 10 $\mu$J. Opakovací frekvence při kontinuálním čerpání je 16kHz.    

Se zvláště nízkou energii v pulzu používá jednofotonový atmosférický LIDAR již dříve vyvinutý na FJFI, kdy energie pulzu je pouze 0,5uJ a divergence svazku 0,5x0,1mrad a pracovní vlnová délka 800--904nm. Pracuje s délkou pulzu 100ns což odpovídá špičkovému výkonu 5W. Průměr výstupní apertury vysílače je 25mm optika přijímače měla průměr 10mm a umožňoval i denní měření \cite{CTU_reports}. 

Zvláště nízkou energii v pulzu používá jednofotonový atmosférický LIDAR již dříve vyvinutý na FJFI, kde energie pulzu je pouze 0,5uJ a divergence svazku 0,5x0,1mrad, pracovní vlnová délka 800--904nm. Délkou pulzu 100ns, což odpovídá špičkovému výkonu 5W. Průměr výstupní apertury vysílače je 25mm optika přijímače má průměr 10mm a umožňuje i denní měření \cite{CTU_reports}. 

Z těchto parametrů existujících dálkoměrů lze vyvodit, že dostatečná energie v pulzu by se měla ideálně být stovky desetiny až jednotky $\mu$J.   

Z těchto parametrů existujících dálkoměrů lze vyvodit, že určitě  postačující energie v pulzu vysílače by měla být desetiny až jednotky $\mu$J.   

\caption{Typická konstrukce diodově čerpaného pevnolátkového laseru používaného, jako zelené laserové ukazovátko. \cite{laser_pointer} }

\caption{Typická konstrukce diodově čerpaného pevnolátkového laseru používaného jako zelené laserové ukazovátko. \cite{laser_pointer} }

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}) vlevo 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, 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 jako \gls{LD} .

Referenční zpětnovazebná fotodioda se ale nedá použít ke kalibračním účelům, protože takto indikovaný výkon má mezi jednotlivými várkami laserů rozptyl až jeden řád \cite{LD_driving}.  

Referenční zpětnovazebná fotodioda se však nedá použít ke kalibračním účelům, protože takto indikovaný výkon má mezi jednotlivými várkami laserů rozptyl až jeden řád \cite{LD_driving}.  

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}. 

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. To 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 i 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}. 

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. 

Bezprostředně za diodou je u některých konstrukcí modulů 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 byla ale čočka vynechána a vazba čerpací diody s rezonátorem  je tvořena pouze přímým kontaktem aktivního krystalu a čela diody. 

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 držák krystalu  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 držák krystalu  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.

Použití aktivního  prostředí \acrshort{Nd:YVO} je však výhodné díky většímu účinnému průřezu stimulované emise, který je 5x větší, než u \acrshort{Nd:YAG} zároveň má také širší absorpční čářu, takže modul může pracovat při větším rozsahu teplot. I přes tyto parametry a fakt, že materiál \acrshort{Nd:YVO} byl objeven už v roce 1966, byly velkou překážkou jeho širokého použití problémy s růstem krystalů dostatečné velikosti vhodné pro výbojkové čerpání. Tento problém se však již z velké části podařilo překonat koherentním čerpáním polovodičovými laserovými diodami, kde se navíc využívá silné absorpce čerpacího záření v materiálu, takže stačí krystaly o rozměrech pouze několik milimetrů \cite{koechner}.   

Použití aktivního  prostředí \acrshort{Nd:YVO} je však výhodné díky většímu účinnému průřezu stimulované emise, který je 5x větší, než u \acrshort{Nd:YAG} a zároveň má také širší absorpční pás, takže modul může pracovat při větším rozsahu teplot. I přes tyto parametry a fakt, že materiál \acrshort{Nd:YVO} byl objeven už v roce 1966, byly velkou překážkou jeho širokého použití problémy s růstem krystalů dostatečné velikosti vhodné pro výbojkové čerpání. Tento problém se však již z velké části podařilo překonat koherentním čerpáním polovodičovými laserovými diodami, kde se navíc využívá silné absorpce čerpacího záření v materiálu, takže stačí krystaly o rozměrech pouze několik milimetrů \cite{koechner}.   

Ze zmámých rozměrů krystalu je také možné se pokusit o odhad bilance extrahovatelné energie z ideálně načerpaného krystalu. Samotné aktivní prostředí z bloku 1x1x3mm v \gls{DPSSFD} modulu tvoří přibližně 1/3 tedy 1mm$^3$. Pokud předpokládáme 1\%  dopaci. Tak 1mm$^3$ obsahuje přibližně $N =1,38 \times 10^{17}$ aktivních atomů Nd. Z energie fotonu vlnové délky $\lambda = 1064$nm  pak podle vztahu \ref{energie_krystal} odhadneme, že maximální energie $E_k$ extrahovatelná z krystalu \acrshort{Nd:YAG} nebo \acrshort{Nd:YVO} je $\sim$ 26 [mJ].

Ze zmámých rozměrů krystalu je také možné se pokusit o odhad bilance extrahovatelné energie z ideálně načerpaného krystalu. Samotné aktivní prostředí z bloku 1x1x3mm v \gls{DPSSFD} modulu tvoří přibližně 1/3 tedy 1mm$^3$. Pokud předpokládáme 1\%  dopaci, tak 1mm$^3$ obsahuje přibližně $N =1,38 \times 10^{17}$ aktivních atomů Nd. Z energie fotonu vlnové délky $\lambda = 1064$nm  pak podle vztahu \ref{energie_krystal} odhadneme, že maximální energie $E_k$ extrahovatelná z krystalu \acrshort{Nd:YAG} nebo \acrshort{Nd:YVO} v ukazovátku je $\sim$ 26 [mJ].

Tato hodnota sice určitě není za běžných podmínek dosažitelná nicméně dává představu o limitech pevnolátkového laseru v modulu. 

Tato hodnota sice určitě není za běžných podmínek dosažitelná, nicméně dává představu o limitech pevnolátkového laseru v 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}.    

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, 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.    

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.    

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. 

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}.

Protože takto konstruovaný zdroj proudu má poměrně velký ztrátový výkon a použité součástky jsou vesměs poddimenzovány, 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}).

Za běžných provozních hodnot je laserový modul provozován v pracovním bodě uvedeném v tabulce \ref{parametry_puvodni_regulator}. A záření vystupující z modulu nemá výraznou časovou strukturu. 

Za běžných provozních hodnot je laserový modul provozován v pracovním bodě uvedeném v tabulce\ref{parametry_puvodni_regulator} a záření vystupující z modulu nemá výraznou časovou strukturu. 

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.      

PIN dioda je v tomto případě kvůli jednoduchosti konstrukce a odstranění možnosti rušení ze zdroje napájena baterií 9V. Na výstupní konektor \acrshort{SMA}-zásuvka se připojuje koaxiálním kabelem RG174, osciloskop impedančně přizpůsobený na 50 Ohm. Snížená impedance je zde důležitá, kvůli možnosti rychlého odvedení náboje z přechodu diody.   

PIN dioda je v tomto případě kvůli jednoduchosti konstrukce a odstranění možnosti rušení ze zdroje napájena baterií 9V. Na výstupní konektor \acrshort{SMA}-zásuvka se připojuje koaxiálním kabelem RG174 osciloskop impedančně přizpůsobený na 50 Ohm. Snížená impedance je zde důležitá, kvůli možnosti rychlého odvedení náboje z přechodu diody.   

Během měření charakteristik modulů na zkonstruovaném zdroji proudu bylo zjištěno, že existuje pracovní oblast, kde dochází k samovolné pulzní modulaci výstupního záření. Tato oblast se nachází těsně nad prahem laserové generace v oblasti proudů 150--160mA. A lze jí nalézt postupným zvyšováním čerpacího výkonu a sledováním časové charakteristiky výstupního záření. Ukázky takto získaných výstupů jsou na oscilogramech \ref{relaxacni_kmity_20mW} a  \ref{relaxacni_kmity_5mW}. 

Během měření charakteristik modulů na zkonstruovaném zdroji proudu bylo zjištěno, že existuje pracovní oblast, kde dochází k samovolné pulzní modulaci výstupního záření. Tato oblast se nachází těsně nad prahem laserové generace v oblasti proudů 150--160mA a lze jí nalézt postupným zvyšováním čerpacího výkonu a sledováním časové charakteristiky výstupního záření. Ukázky takto získaných výstupů jsou na oscilogramech \ref{relaxacni_kmity_20mW} a  \ref{relaxacni_kmity_5mW}. 

Při určitém proudu pulzní modulace dosahuje maximálního kontrastu (u měřených modulů 156mA při 20$^\circ$C) a při dalším zvyšování intenzity čerpání se pulzy rozlévají i do oblastí s původně nulovou intenzitou záření. Až při dosažení běžného pracovního bodu je výstupní záření téměř konstantní v čase. 

Při určitém proudu dosahuje pulzní modulace maximálního kontrastu (u měřených modulů 156mA při 20$^\circ$C) a při dalším zvyšování intenzity čerpání se pulzy rozlévají i do oblastí s původně nulovou intenzitou záření. Až při dosažení běžného pracovního bodu je výstupní záření téměř konstantní v čase. 

Konkrétní pracovní bod ve kterém k takovýmto kmitům dojde je ale závislý na podmín\-kách ve kterých je laserový modul provozován. Podle pozorování má na tento jev vliv hlavně teplota modulu. Na grafu \ref{proudovy_zdroj} je vynesen naměřený průběh střední intenzity záření jednoho z modulů (měřeno PIN detektorem a vypočítáno z plochy signálu). Při vyšších proudech je partný pokles výstupní intenzity způsobený pravděpodobně zahřátím modulu a poklesem účinnosti.    

Konkrétní pracovní bod ve kterém k takovýmto kmitům dojde je ale závislý na podmín\-kách ve kterých je laserový modul provozován. Podle pozorování má na tento jev vliv hlavně teplota modulu. Na grafu \ref{proudovy_zdroj} je znázorněn naměřený průběh střední intenzity záření jednoho z modulů (měřeno PIN detektorem a vypočítáno z plochy signálu). Při vyšších proudech je patrný pokles výstupní intenzity způsobený pravděpodobně zahřátím modulu a poklesem účinnosti.    

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.

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 pravděpodobně možné dosáhnout Fourierovým rozkladem výstupního signálu a analýzou frekvenčních komponent. Ale vzhledem k faktu, že průběhy generované jednotlivými typy laserů nejsou naprosto identické,  byla by 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. 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. A proto energii nelze považovat za dostatečný výsledek i přes to, že laserový vysílač má pracovat hlavně v noci a tudíž by bylo možné 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. 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. A proto energii nelze považovat za dostatečný výsledek i přes to, že laserový vysílač má pracovat hlavně v noci, a tudíž by bylo možné zvyšování optické účinnosti z rovnice (\ref{radarova_rovnice}) zvětšováním vstupní apertury teleskopu přijímače.  Velká vstupní apertura detektoru je ale z konstrukčních důvodů nepraktická.        

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.  

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, nebylo možné 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 regulace laserového systému.  

Aby bylo možné uvažovat o použití těchto laserových modulů, jako laserového dálkoměru, je z výše popsaných důvodů nutné změnit způsob regulace laserového systému.  

\item[UNIPOWER02A] - napájecí modul s proudovou pojistkou a ochranou proti přepólování.  

\item[UNIPOWER02A] - Napájecí modul s proudovou pojistkou a ochranou proti přepólování.  

Pulsní budič čerpací diody je vylepšením původního experimentu se zdrojem proudu. Je konstruován tak, aby umožnil kontinuální provoz i v dříve ověřeném režimu autonomních oscilací, čehož je dosaženo možností stabilizace budícího proudu v kontinuálním režimu.  

Pulzní budič čerpací diody je vylepšením původního experimentu se zdrojem proudu. Je konstruován tak, aby umožnil kontinuální provoz i v dříve ověřeném režimu autonomních oscilací, čehož je dosaženo možností stabilizace budícího proudu v kontinuálním režimu.  

Vzhledem k tomu, že od pulzního budiče jsou vyžadovány vysoké nároky na strmost proudových impulzů při proudech v rozsahu stovek mA, tak není vhodným řešením konstrukce budiče z diskrétních součástek. Neboť neumožňuje snížení parazitních indukčností a kapacit na nejnižší možnou úroveň. Tento fakt, kromě samotné možnosti generace krátkých impulzů komplikuje i nároky na stínění z důvodu zajištění elektromagnetické kompatibility. Integrované řešení navíc umožňuje dosáhnout vyšší spolehlivosti, protože snižuje počet pájených spojů. Moderní integrované obvody určené pro napájení laserových diod mají také další bezpečnostní funkce, jako je ochrana proti přepólování, nebo přepětí \cite{diskretni_integrovane}. 

Vzhledem k tomu, že od pulzního budiče jsou vyžadovány vysoké nároky na strmost proudových impulzů při proudech v rozsahu stovek mA, není vhodným řešením konstrukce budiče z diskrétních součástek, neboť neumožňuje snížení parazitních indukčností a kapacit na nejnižší možnou úroveň. Tento fakt, kromě samotné možnosti generace krátkých impulzů komplikuje i nároky na stínění z důvodu zajištění elektromagnetické kompatibility. Integrované řešení navíc umožňuje dosáhnout vyšší spolehlivosti, protože snižuje počet pájených spojů. Moderní integrované obvody určené pro napájení laserových diod mají také další bezpečnostní funkce, jako je ochrana proti přepólování nebo přepětí \cite{diskretni_integrovane}. 

Při návrhu tohoto typu budiče pro laserovou diodu bylo uvažováno o použití několika různých integrovaných obvodů. Jako velice perspektivní se zdály být obvody určené pro vysokorychlostní optické spoje. Od jejich použití bylo ale nakonec ustoupeno z důvodu jejich obecně malého budícího výkonu. A také kvůli vlastnostem specifickým pro optické přenosy, což znamená například předpoklad 50\% střídy signálu a také často implementované automatické regulační a měřící funkce, které nelze jednoduše ovlivnit.  V následujícím seznamu je uveden souhrn uvažovaných obvodů.

Při návrhu tohoto typu budiče pro laserovou diodu bylo uvažováno o použití několika různých integrovaných obvodů. Jako velice perspektivní se zdály být obvody určené pro vysokorychlostní optické spoje. Od jejich použití bylo ale nakonec ustoupeno z důvodu jejich obecně malého budícího výkonu, a také kvůli vlastnostem specifickým pro optické přenosy, což znamená například předpoklad 50\% střídy signálu a také často implementované automatické regulační a měřící funkce, které nelze jednoduše ovlivnit.  V následujícím seznamu je uveden souhrn uvažovaných obvodů.

\item[CX02068] - obvod pro buzení laserových diod pro ptické spoje. Náběžná a sestupná hrana má délku menčí než 180ps. Nedostatekem je však nízký bias proud, který je maximálně 100mA a modulační proud pouze 85mA.

\item[CX02068] - obvod pro buzení laserových diod pro optické spoje. Náběžná a sestupná hrana má délku menší než 180ps. Nedostatekem je však nízký bias proud, který je maximálně 100mA a modulační proud pouze 85mA.

\item[ADN2870] - je obvod určený pro modulaci vláknových laserů optických komunikací umožňuje modulační frekvence v rozsahu od 50 Mbps do 3,3 Gbps. Modulační proud je ale pouze 90mA a bias proud maximálně 100mA. 

\item[ADN2870] - je obvod určený pro modulaci vláknových laserů optických komunikací, umožňuje modulační frekvence v rozsahu od 50 Mbps do 3,3 Gbps. Modulační proud je ale pouze 90mA a bias proud maximálně 100mA. 

\item[ADN2871] -  je obvod s podobnými parametry, jako předchozí typ. S tím rozdílem, že má zjednodušenou regulační smyčku budícího proudu. To umožňuje modulační frekvence až do 4,25 Gbps 

\item[ADN2871] -  je obvod s podobnými parametry jako předchozí typ, s tím rozdílem, že má zjednodušenou regulační smyčku budícího proudu. To umožňuje modulační frekvence až do 4,25 Gbps 

\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[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  \gls{EML} a i proto je udáván maximální modulační rozsah v napěťovém měřítku 2,0 Vpp 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-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-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-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. 

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.

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.

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. 

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.  

Schéma zkonstruovaného pulzního budiče je uvedeno v příloze \ref{schema_LDD01A}. Jednotlivé vrstvy plošného spoje jsou pak součástí přílohy. 

Schéma zkonstruovaného pulzního budiče je uvedeno v příloze \ref{schema_LDD01A}. Jednotlivé vrstvy plošného spoje jsou pak součástí přílohy \ref{PCB_LDD01A}. 

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}.

Plošný spoj 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}.

Tento výsledek může být například užitečný, k laboratornímu testování některých experimentálních senzorů.  Je ale ovšem třeba vybrat vhodný modul pro daný experiment.   

Tento výsledek může být například užitečný k laboratornímu testování některých experimentálních senzorů.  Je ale ovšem třeba vybrat vhodný modul pro daný experiment.   

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. 

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 \cite{mlab_mrakomer2}. Současné komerční ceilometry mají před optikou šikmé vyhřívané sklo a případně jsou vybaveny aktivním ofukováním.     

Zvláště problematické mohou být sníh, nebo námraza na optických komponentech, které bude třeba řešit buď aktivním vyhříváním výstupních čoček a nebo mechanickou závěrkou, případně pohyblivou hlavicí podobnou přístroji MRAKOMĚR 2 \cite{mlab_mrakomer2}. Současné komerční ceilometry mají před optikou šikmé vyhřívané sklo a případně jsou vybaveny aktivním ofukováním.     

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}

Vzhledem k tomu, že pro správnou funkci polovodičové diody je kritická její provozní teplota, bylo by vhodné zařízení vybavit systémem s aktivní regulací provozní teploty laseru. Stávající způsob 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}

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. 

Vzhledem ke koncepčnímu řešení prototypu, který je konstruován modulárně z dílů OpenSource stavebnice MLAB a navržený řídící modul laserové diody tuto koncepci doplňuje, je možnost připojení nebo modifikace zařízení pro jiné účely velice přímočará. Ve většině případů bude stačit vyměnit některý z modulů za modul vhodnější pro konkrétní aplikaci. 

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.

Norma povoluje \gls{MPE} 0,75uJ/cm$^2$. Z toho vyplývá, že pro lidské oko je při tomto výkonu a  původním uspořádání (kapitola \ref{vystup_modulu}) nebezpečná zóna do vzdálenosti <61,5m od vysílače.  

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.

Řešením tohoto problému může být rekolimace svazku do většího průřezu hned na výstupu vysílače. 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 nebezpečí, avšak uvažovaná aplikace vysílače patří z hlediska legislativních bezpečnostních podmínek k nejproblematičtějším.  Svazek je totiž vyzařovaný svisle vzhůru a 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.

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. 

Výsledkem práce jsou dva prototypy laserového vysílače vhodného pro další experimentální využití. Jednodušším prototypem je varianta s regulovatelným proudovým zdrojem, která vytváří impulzy samovolným kmitáním laseru.