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

 Možnosti aplikace metody měření doby šíření jsou tak rozsáhlé, že je využívána 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 je ale 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 kde jsou snímačem detekovány pouze jednotlivé odražené fotony, což umožňuje podstatně snížit nároky na špičkový výstupní výkon i na sběrnou plochu detektoru. Nevýhodou je ale 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 kde jsou snímačem detekovány pouze jednotlivé odražené fotony, což umožňuje podstatně snížit nároky na špičkový výstupní výkon i na sběrnou plochu detektoru. Nevýhodou je ale 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 jednofotonový 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.
-Význam jednotlivých částí v blokovém schématu je následující.
 \begin{description}
 \item[Target] - předmět jehož vzdálenost měříme. V našem případě to bude základna oblačnosti. (tzn. 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}.
 \end{figure}
 \subsection{Čerpací dioda}
-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} .
+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 však 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. To je zvláště kritické při použití aktivního přostředí \acrshort{Nd:YAG}, jehož nejúčinnější absorpční čára na 807,5 nm je široká pouze $\sim$1nm, což klade poměrně vysoké nároky na stabilizaci teploty PN přechodu. Vysoká provozní teplota čerpací laserové diody navíc vede ke zvýšení prahu laserové generace a tím pádem i ke zvýšení potřebného budícího proudu, který má za následek vyšší ztrátový výkon. Dalším problémem, který při vysokých pracovních teplotách může nastat, je mode-hopping, který se projevuje náhodným přeskakováním vyzařovaných vlnových délek \cite{LD_driving}.
+Vyzařovaná vlnová délka \gls{LD} diody je poměrně silně závislá na teplotě přechodu v polovodičové struktuře a u běžných GaAlAs diod se teplotní koeficient změny vlnové délky pohybuje okolo hodnoty 0,25nm/$^\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}. Z tohoto důvodu, byl pro měření celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z laserového systému.
-Z tohoto důvodu, byl pro měření celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z laserového systému.
 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.
 \subsection{Aktivní prostření a konverzní krystal}
 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]
+\begin{center}
-\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/autonomni_impulz.png}
+\includegraphics[height=56mm]{./img/oscilogramy/autonomni_impulz.png}
-\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/opakovaci_perioda.png}
+\includegraphics[height=56mm]{./img/oscilogramy/opakovaci_perioda.png}
 \caption{Časové průběhy výstupních impulzů laseru pro 20mW modul (typ s větší výstupní hlavou M10) s vhodně nastaveným pracovním bodem.}
 \label{relaxacni_kmity_20mW}
+\end{center}
 \end{figure}
 \begin{figure}[htbp]
-\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/1modul_5mW.png}
+\includegraphics[height=56mm]{./img/oscilogramy/1modul_5mW.png}
-\includegraphics[height=60mm]{./img/oscilogramy/2modul_5mW.png}
+\includegraphics[height=56mm]{./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, 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.

Subversion Repositories svnkaklik

(root)/dokumenty/skolni/BP/DOC/SRC/laserovy_vysilac.tex – Rev 1028 → 1029