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



\subsection{ Nejistota spouštění (Trigger jitter)}
 
Nejistota spouštění je časový parametr, který určuje velikost intervalu, během kterého může po náhodném čase od sepnutí laseru dojít k vygenerování světelného impulzu. Skutečnost, že tato doba není striktně konstantní, je dána mimo jiné například tím, že v laserovém oscilátoru vzniká stimulovaný světelný impulz na základě prvního uvolněného spontánního fotonu, k jehož uvolnění dochází v náhodném čase. 
 
Pro jednoduchost konstrukce laserového vysílače je výhodné, když laser generuje impulsy se známým zpožděním, neboť pak není nutné měřit  přesnou dobu, kdy vygenerovaný balík fotonů ve skutečnosti opustil vysílač. 
Vzhledem k plánovanému využití vysílače je asi rozumné požadovat, aby jitter spouštění byl maximálně srovnatelný s generovanou délkou pulsu.
Tento požadavek by byl nejlépe splnitelný pro polovodičový diodový laser. Ale vzhledem ke komplikovanější konstrukci \gls{DPSS} modulu není úplně zřejmé, zda je tohoto stavu možné dosáhnout. 
 
\chapter{Rozbor problému}
 
 
\section{Druhy modulovatelných laserů}
 
V dnešní době existuje mnoho typů laserů, avšak pouze některé z nich jsou vhodné pro použití v laserových dálkoměrech. Omezením často bývají optické parametry,  rozměry aparatury, hmotnost, pořizovací cena, provozní podmínky a odolnost při manipulaci.
 
\subsection{Polovodičový diodový LASER}
 
Polovodičové laserové diody, jsou aktuálně nejrozšířenějšími typy laserů, které dosahují dobrých parametrů avšak zatím pouze na vlnových délkách větších než cca 600nm, což pro použití v modelovém laserovém atmosférickém dálkoměru není ideální.  Generování kratších vlnových délek pomocí laserových diod je ale v současné době v intenzivním vývoji vzhledem k potenciální možnosti použití modrých, zelených a červených laserů v barevných skenovacích projektorech s vysokým kontrastem a rozlišením.\cite{LD_zelene} Zatím ale nedosahují potřebných výstupních energií a navíc je jejich pořizovací cena stále poměrně vysoká. 
 
 
\subsection{Pevnolátkové lasery}
 
Pevnolátkový laser byl vůbec prvním spuštěným laserem. \footnote{Rubínový laser, Maiman, 1960} Jejich čerpání bylo klasicky prováděno zábleskem výbojky. Už  od počátku vzniku prvního laseru byla snaha o jejich využití k laserovému měření vzdálenosti, což bylo zajímavé hlavně pro vojenské aplikace. Vhodný impulz byl většinou generován pasivním Q-spínáním.  Tento koncept má ale řadu nepříjemných vlastností, mezi které patří hlavně nízká účinnost (vyzařované spektrum čerpací výbojky se překrývá s absorpčními pásy jenom minimálně), malá životnost (řádově tisíce výstřelů), neboť dochází k opotřebení elektrod výbojky a následné kontaminaci plynové náplně a také postupná degradace Q-spínače například rozkladem \acrshort{UV} zářením.
Moderní pevnolátkové lasery jsou proto nejčastěji čerpány polovodičovými diodami. Zvláště je to patrné v případech, kdy je jako aktivní prostředí využit \acrshort{Nd:YAG}, nebo \acrshort{Nd:YVO}. V laserových dálkoměrech mají nadále vedle polovodičových laserů silné  zastoupení díky svým kompaktním rozměrům, odolnosti a vysokému špičkovému výkonu. 
 
\subsection{Pevnolátkový diodově čerpaný LASER s generací druhé harmonické}
 
Jde o konstrukci laseru, který jako aktivního prostředí využívá pevnolátkový krystal čerpaný polovodičovou diodou. V rezonátoru laseru je zároveň umístěn konverzní krystal, který díky nelineárním optickým jevům umožňuje generovat druhou harmonickou frekvenci základní vlnové délky generované aktivním prostředím. Toto konstrukční uspořádání je známo jako \gls{DPSSFD}.
 
\section{Metody generace krátkých impulzů}
Pro měření vzdálenosti metodou \gls{TOF} je klíčové, aby vysílač mohl generovat krátké světelné impulzy. Obvykle se toho dosahuje několika různými metodami. 
 
\subsection{Volně běžící pulzní režim (PCW)}
 
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 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}. 
 
\subsection{Q spínání}
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.   
 
\subsection{Synchronizace módů (Mode-locking)}
 
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. 
 

 
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.  
 
Tato profesionální řešení mají pro použití v kombinaci s robotickým dalekohledem společnou nevýhodu, že jejich cena je srovnatelná, nebo vyšší než hodnota dalšího vybavení robotizované observatoře. Tím pádem se pro tuto aplikaci stávají nedostupné.
 
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 zpět 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 teploty atmosféry 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} 120$^\circ$ 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.    
 
\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 je 64W v prostorovém úhlu 14$^\circ$ \acrshort{FWHM}.
Na výstupní apertuře má svazek průměr 1cm a výrobce díky tomu  opět deklaruje třídu bezpečnosti 1M. Jako detektor je využita PIN dioda. Měřící rozsah přístroje je do 100m s rozlišením 20cm. 
 
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.    
 
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, délka 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 určitě  postačující energie v pulzu vysílače by měla být desetiny až jednotky $\mu$J.   
 
\chapter{Řešení}
 

\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. Umístění filtru je různé, a může být nalepen za expanzní čočku, nebo na díl s kolimační čočkou, není ale ani vyloučeno, že u některých modulů může být tento filtr úplně  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}
\caption{Promítané stopy svazků ve vzdálenosti 20m od modulu. Vlevo modul 5mW, napravo varianta 20mW. Měřítko vpravo dole má rozměr 0,5mrad.}
\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 0,2x0,3 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 ale srovnatelné, nebo lepší, než předpokládaná hodnota  divergence 0,27 mrad spočítaná z rozměrů modulů, (viz. sekce \ref{parametry_modulu}).    
 
Tyto hodnoty divergence jsou pro uvažovanou aplikaci 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, 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}).

  
\begin{figure}[htbp]
\begin{center}
\includegraphics[height=80mm]{./img/detektor.JPG}
\includegraphics[height=80mm]{./img/detektor_opened.JPG}
\caption{Realizovaný detektor časového průběhu záření.}
\label{realizace_detektoru}
\end{center}
\end{figure} 
 
\section{Relaxační kmity DPSSFD modulu}
 
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 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 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.    
 
\begin{figure}[htbp]
\includegraphics[width=150mm]{../../mereni/zdroj_proudu/PI_chart.png}
\caption{Závislost intenzity výstupního záření na proudu čerpací diodou.}
\label{proudovy_zdroj}
\end{figure} 
 
Jednou z uvažovaných konstrukčních variant vysílače pro laserový dálkoměr bylo využití těchto autonomních kmitů laseru jako zdroje vhodných laserových impulzů. Ovšem vzhledem k nestabilitě tohoto režimu by tato možnost vyžadovala stabilizaci tohoto stavu regulačním obvodem, čehož by bylo 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.        
 
Proto bylo zvoleno méně komplikované řešení - generování impulzů pulzním čerpáním a využití techniky spínání ziskem. 
 
\begin{figure}[htbp]
\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/autonomni_impulz.png}

\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 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 \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}

\item[iC-NZ] je univerzální budič pro spínání laserových diod o šířce pásma 155MHz obsahuje zpětnou vazbu z monitorovací diody. A navíc má i vstup pro externí kontrolní monitorovací diodu sloužící k zajištění detekce poškození laseru, nebo naopak k jeho ochraně před přetížením. Pracovní bod laserové diody se nastavuje na základě předefinovaného proudu monitorovací diodou. Obsahuje tři nezávisle spínatelné kanály každý s kontinuálním proudem 100mA a 700mA špičkový proud \cite{ic_NZ}.
\end{description}    
 
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 listu 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 jako laserový dálkoměr. Modul je navíc koncipován tak, aby jej bylo možné  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.  
 
Stavebnice MLAB \cite{mlab_project} již obsahuje TDC modul  GP201A, který je určený k přesnému měření časových intervalů s vysokým rozlišením. A laserový vysílačový LDD01A modul je proto k němu logickým komplementem. 
 
Schéma zkonstruovaného pulzního budiče je uvedeno v příloze \ref{schema_LDD01A}. Jednotlivé vrstvy plošného spoje jsou pak součástí přílohy \ref{PCB_LDD01A}. 
 

 
\subsection{Dosažené parametry vysílače}
 
Bylo zjištěno a ověřeno, že DPSSFD moduly používané v laserových ukazovátkách lze opakovaně a definovaným postupem uvést do stavu, kdy dochází k autonomnímu generování krátkých šumových impulzů s délkou v oblasti stovek nanosekund. Samotný tvar impulzu ale záleží na konkrétním typu konstrukce laserového modulu. Mezi identickými typy modulů ale průběh nevykazuje znatelnou kusovou variabilitu. 
 
Tento výsledek může být užitečný například  k laboratornímu testování některých experimentálních senzorů.  Je ale třeba pro daný experiment vybrat vhodný modul.   
 
\subsection{Možnosti dalšího vývoje}
 
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.  
 

\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. Jednodušším prototypem je varianta s regulovatelným proudovým zdrojem, která vytváří impulzy samovolným kmitáním laseru. A dále sofistikovanější univerzální modul pro řízení laserových diod, který umožňuje generovat pulzy řízeným způsobem, nebo případně provozovat laser v pracovním bodě samovolného kmitání. 
 
 
Přínosem druhého prototypu je, že poskytuje možnost realizovat zařízení pro laserové měření vzdálenosti založené i na jiných principech, než je měření doby šíření. 
Výstupní energie druhého z prototypů by podle předpokladů měla být dostatečná pro noční detekci srážkově potenciální oblačnosti ve výškách menších než 1km nad přístrojem.
Pro reálnou aplikaci vysílače a realizaci kompletního dálkoměru bude třeba druhý prototyp doplnit o vhodný detektor, kolimační optiku a patřičně zakrytovat.
 
\bibliographystyle{ieeetr}
\bibliography{laserovy_vysilac}
\addcontentsline{toc}{chapter}{Literatura}	
 
Subversion Repositories svnkaklik

(root)/dokumenty/skolni/BP/DOC/SRC/laserovy_vysilac.tex – Rev 1026 → 1027
