Subversion Repositories svnkaklik

Rev

Rev 986 | Rev 988 | Go to most recent revision | Show entire file | Ignore whitespace | Details | Blame | Last modification | View Log

Rev 986 Rev 987
Line 105... Line 105...
105
\newpage
105
\newpage
106
 
106
 
107
 
107
 
108
 
108
 
109
 
109
 
110
\section{Zadání práce}
110
\section{Zadání}
111
 
111
 
-
 
112
Cílem práce je prověřit možnost použití diodově čerpaného pevnolátkového laserového modulu v aplikaci laserového vysílače vhodného pro ToF měření vzdálenosti (výšky oblačnosti).
-
 
113
 
-
 
114
Práce bude realizována v několika krocích:
-
 
115
 
-
 
116
\begin{itemize}
-
 
117
\item Změření skutečných parametrů laserových modulů
-
 
118
\item Návrh metody použití laserového modulu.
-
 
119
\item Konstrukce řídící elektroniky laserového vysílače. 
-
 
120
\item Změření dosažených parametrů.  
-
 
121
\end{itemize}
-
 
122
 
-
 
123
V prvním kroku bude rozebrána konstrukce laserového modulu a ověřen princip jeho činnosti společně s rozborem průměrných parametrů modulů.
-
 
124
 
-
 
125
Po změření parametrů laserů bude možné rozhodnout o vhodnosti a konkrétním způsobu použití laserového modulu v laserovém dálkoměru. 
-
 
126
 
-
 
127
Následně je nutné zkonstruovat vhodný řídící obvod čerpací diody modulu, tak aby bylo možné modul využít pro zvolenou aplikaci. 
-
 
128
 
-
 
129
V poslední části budou změřeny dosažené parametry   
-
 
130
 
-
 
131
\newpage
112
 
132
 
113
 
133
 
114
\section{Úvod}
134
\section{Úvod}
115
 
135
 
116
Laserový dálkoměr je zařízení, které je schopno měřit vzdálenost objektu odrážejícího záření optických vlnových délek. Tyto objekty mohou být velmi různého charakteru a dálkoměr je pak v principu schopen měřit pevné, kapalné nebo i plynné struktury, případně i jejich kombinace.   
136
Laserový dálkoměr je zařízení, které je schopno měřit vzdálenost objektu odrážejícího záření optických vlnových délek. Tyto objekty mohou být velmi různého charakteru a dálkoměr je pak v principu schopen měřit pevné, kapalné nebo i plynné struktury, případně i jejich kombinace.   
Line 129... Line 149...
129
 
149
 
130
\subsubsection{Triangulační metoda}
150
\subsubsection{Triangulační metoda}
131
 
151
 
132
Tato metoda měření je založena na geometrické vlastnosti světelného paprsku - světlo se v homogenním prostředí šíří přímočaře. Toho lze využít tak, že použijeme-li zdroj světla, který vydává málo rozbíhavý světelný paprsek (LASER) a pod určitým úhlem vůči ose pozorovatele jej budeme promítat na předmět, tak pozorovatel bude mít světelnou stopu v různých bodech zorného pole podle vzdálenosti pozorovaného předmětu. 
152
Tato metoda měření je založena na geometrické vlastnosti světelného paprsku - světlo se v homogenním prostředí šíří přímočaře. Toho lze využít tak, že použijeme-li zdroj světla, který vydává málo rozbíhavý světelný paprsek (LASER) a pod určitým úhlem vůči ose pozorovatele jej budeme promítat na předmět, tak pozorovatel bude mít světelnou stopu v různých bodech zorného pole podle vzdálenosti pozorovaného předmětu. 
133
 
153
 
134
Tato metoda, je velice snadná a proto existuje mnoho realizací od amatérských konstrukcí až po profesionální výrobky. Obvykle jsou tímto způsobem řešeny 3D skenery malých předmětů, jako jsou historické vázy, sochy, nebo jiná umělecká díla, která je vhodné tvarově zdokumentovat. Skener pak pro urychlení procesu nepoužívá pouze jeden světelný bod, který laser obvykle produkuje, ale použita  cylindrická čočka, která svazek rozšíří do roviny ve směru řezu předmětu (laser-sheet). V tomto uspořádání pak stačí s LASERem, nebo promítacím zrcátkem hýbat pouze v jedné ose, pro kompletní 3D obraz objektu. 
154
Tato metoda, je velice snadná a proto existuje mnoho realizací od amatérských konstrukcí až po profesionální výrobky. Obvykle jsou tímto způsobem řešeny 3D skenery malých předmětů, jako jsou historické vázy, sochy, nebo jiná umělecká díla, která je vhodné tvarově zdokumentovat. Skener pak pro urychlení procesu nepoužívá pouze jeden světelný bod, který laser obvykle produkuje, ale použita  cylindrická čočka, která svazek rozšíří do roviny ve směru řezu předmětu (laser-sheet). V tomto uspořádání pak stačí s laserem, nebo promítacím zrcátkem hýbat pouze v jedné ose, pro kompletní 3D obraz objektu. 
135
 
155
 
136
Ke snímání obrazu je v tomto případě obvykle využíván maticový snímač - CCD, nebo CMOS. A metoda funguje pouze v rozsahu vzdáleností daných úhlem ve kterém se laser na předmět promítá a také úhlovou velikostí zorného pole snímače. 
156
Ke snímání obrazu je v tomto případě obvykle využíván maticový snímač - CCD, nebo CMOS. A metoda funguje pouze v rozsahu vzdáleností daných úhlem ve kterém se laser na předmět promítá a také úhlovou velikostí zorného pole snímače. 
137
 
157
 
138
Z praktických důvodů a požadavků na přesnost měření je tato metoda využívána pouze v rozsahu několika centimetrů až několika metrů.  
158
Z praktických důvodů a požadavků na přesnost měření je tato metoda využívána pouze v rozsahu několika centimetrů až několika metrů.  
139
    
159
    
Line 150... Line 170...
150
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. 
170
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. 
151
 
171
 
152
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. 
172
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. 
153
 
173
 
154
 
174
 
155
\subsubsection{Měření doby letu (ToF)}
175
\subsubsection{Měření doby šíření (ToF)}
156
 
176
 
157
Další metodou, kterou můžeme využít pro měření vzdálenosti na základě známé a konečné rychlosti šíření světla, je změření doby letu určitého balíku fotonů, který vygenerujeme vysílačem a následně po odrazu od měřeného objektu detekujeme v detektoru. Změřená doba letu pak odpovídá dvojnásobku vzdálenosti mezi vysílačem a měřeným předmětem. 
177
Další metodou, kterou můžeme využít pro měření vzdálenosti na základě známé a konečné rychlosti šíření světla, je změření doby šíření určitého balíku fotonů, který vygenerujeme vysílačem a následně po odrazu od měřeného objektu detekujeme v detektoru. Změřená doba šíření pak odpovídá dvojnásobku vzdálenosti mezi vysílačem a měřeným předmětem. 
158
 
178
 
159
\begin{equation}
179
\begin{equation}
160
 d = \frac{ct}{2n}
180
 d = \frac{ct}{2n}
161
\end{equation}
181
\end{equation}
162
 
182
 
163
Kde $c$ je rychlost šíření elektromagnetického záření ve vakuu, $n$ je index lomu prostředí a $t$ je změřená doba letu. Veličina $d$ je pak vzdálenost předmětu, kterou potřebujeme změřit.
183
Kde $c$ je rychlost šíření elektromagnetického záření ve vakuu, $n$ je index lomu prostředí a $t$ je změřená doba šíření. Veličina $d$ je pak vzdálenost předmětu, kterou potřebujeme změřit.
164
 
184
 
165
Při měření se tak předpokládá homogenní prostředí ve kterém se světlo šíří, nebo alespoň prostředí o nějaké známé efektivní hodnotě indexu lomu. Zpětně zachycený výkon vyjadřuje rovnice \ref{radarova_rovnice}. 
185
Při měření se tak předpokládá homogenní prostředí ve kterém se světlo šíří, nebo alespoň prostředí o nějaké známé efektivní hodnotě indexu lomu. Zpětně zachycený výkon vyjadřuje rovnice \ref{radarova_rovnice}. 
166
 
186
 
167
\begin{equation}
187
\begin{equation}
168
 P_r = {{P_t G_t  A_r \sigma F^4}\over{{(4\pi)}^2 R_t^2R_r^2}}
188
 P_r = {{P_t G_t  A_r \sigma F^4}\over{{(4\pi)}^2 R_t^2R_r^2}}
Line 184... Line 204...
184
\end{description}
204
\end{description}
185
 
205
 
186
Dále vzhledem k tomu, že pro větší vzdálenosti je pravděpodobnost zachycení zpětně odraženého fotonu malá, tak jsou využívány různé techniky pro zlepšení poměru S/N. Často jde o metody statického zpracování nebo o lock-in měření.   
206
Dále vzhledem k tomu, že pro větší vzdálenosti je pravděpodobnost zachycení zpětně odraženého fotonu malá, tak jsou využívány různé techniky pro zlepšení poměru S/N. Často jde o metody statického zpracování nebo o lock-in měření.   
187
 
207
 
188
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 TDR (Time domain refractometry) 
208
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 TDR (Time domain refractometry) 
189
Možnosti použití navíc nejsou omezeny pouze na klasické světelné vlnové délky, ale stejný princip lze uplatnit například i při použití rádiových vlnových délek, což by u předchozích metod nebylo možné vzhledem k problematické konstrukci elementů, jako jsou čočky, zrcadla, nebo maticové detektory pro rádiové vlny.
-
 
190
Možnosti aplikace metody měření doby letu jsou tak rozsáhlé, že z ní vychází i další přistroje, jako radiolokátory nebo echolokátory. 
209
Možnosti aplikace metody měření doby šíření jsou tak rozsáhlé, že z ní vychází i další přistroje, jako radiolokátory nebo echolokátory. 
191
 
210
 
192
Tato práce je proto zaměřena právě na tento princip měření.
211
Tato práce je proto zaměřena právě na tento princip měření.
193
 
212
 
194
\section{Požadavky na pulsní laserový vysílač}
213
\section{Požadavky na pulsní laserový vysílač}
195
 
214
 
Line 214... Line 233...
214
 
233
 
215
Ovšem vzhledem k tomu, že na krátkých vlnových délkách směrem k UV oblasti poměrně strmě stoupá vliv nežádoucího Rayleighova rozptylu, který omezuje použitelný dosah měření. Tak je vhodné použít střední vlnovou délku optického záření, ze zelené oblasti spektra. Která relativně dobře prochází čistou atmosférou. 
234
Ovšem vzhledem k tomu, že na krátkých vlnových délkách směrem k UV oblasti poměrně strmě stoupá vliv nežádoucího Rayleighova rozptylu, který omezuje použitelný dosah měření. Tak je vhodné použít střední vlnovou délku optického záření, ze zelené oblasti spektra. Která relativně dobře prochází čistou atmosférou. 
216
 
235
 
217
\subsection{Délka výstupního světelného impulzu}
236
\subsection{Délka výstupního světelného impulzu}
218
 
237
 
219
V případě, že nás zajímá metoda založená na měření doby letu, tak od laserového vysílače budeme také požadovat, aby umožňoval generovat krátké časové impulzy. Což je důležité proto, protože krátký časový impulz umožňuje dosáhnout lepšího časového rozlišení při měření a tím pádem i lepší prostorové rozlišení při měření vzdálenosti. Je to dáno tím, že v impulzu je obvykle vysláno velké množství fotonů ale zpátky do detektoru se jich vrátí pouze několik. A v případě dlouhého impulzu pak nejsme schopni určit z které části impulzu nám foton přišel. 
238
V případě, že nás zajímá metoda založená na měření doby šíření, tak od laserového vysílače budeme také požadovat, aby umožňoval generovat krátké časové impulzy. Což je důležité proto, protože krátký časový impulz umožňuje dosáhnout lepšího časového rozlišení při měření a tím pádem i lepší prostorové rozlišení při měření vzdálenosti. Je to dáno tím, že v impulzu je obvykle vysláno velké množství fotonů ale zpátky do detektoru se jich vrátí pouze několik. A v případě dlouhého impulzu pak nejsme schopni určit z které části impulzu nám foton přišel. 
220
 
239
 
221
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.
240
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.
222
 
241
 
223
\subsection{Energie impulzu}
242
\subsection{Energie impulzu}
224
 
243
 
225
Energie výstupního impulzu je ideálně co největší, aby bylo dosaženo vysoké pravděpodobnosti zachycení některého zpětně odraženého fotonu. 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. Dalším limitem pak mohou být fyzikální vlastnosti prostředí a materiálů ve kterém se svazek má šířit neboť zvláště v případě použití Q-spínaného laseru existuje riziko, že by mohlo dojít k průrazu v materiálu. 
244
Energie výstupního impulzu je ideálně co největší, aby bylo dosaženo vysoké pravděpodobnosti zachycení některého zpětně odraženého fotonu. 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. Dalším limitem pak mohou být fyzikální vlastnosti prostředí a materiálů ve kterém se svazek má šířit neboť zvláště v případě použití Q-spínaného laseru existuje riziko, že by mohlo dojít k průrazu v materiálu. 
226
 
245
 
227
Vysílač tedy musí být konstruovaný tak, aby výstupní svazek (který bude v našem případě směřovat svisle do atmosféry) měl dostatečně malou energie, aby nebyla nebezpečná pro leteckou dopravu a ideálně ani pro případné živočichy pohybující se nad laserovým měřičem.   
246
Vysílač tedy musí být konstruovaný tak, aby výstupní svazek (který bude v našem případě směřovat svisle do atmosféry) měl dostatečně malou energie, aby nebyla nebezpečná pro leteckou dopravu a ideálně ani pro případné živočichy pohybující se nad laserovým měřičem.   
228
 
247
 
-
 
248
\subsection{Divergence a parametry svazku ve vzdálené zóně}
-
 
249
 
-
 
250
 
229
\subsection{Nejistota okamžiku sepnutí (jitter)}
251
\subsection{ (Trigger jitter)}
230
 
252
 
231
 
253
 
232
 
254
 
233
\section{Druhy modulovatelných laserů}
255
\section{Druhy modulovatelných laserů}
234
 
256
 
235
V dnešní době existuje mnoho typů LASERů. Avšak pouze malá část z nich je v hodná pro použití v LASERových dálkoměrech. Omezením často bývají rozměry aparatury, hmotnost, pořizovací cena, provozní podmínky a odolnost při manipulaci.
257
V dnešní době existuje mnoho typů laserů. Avšak pouze malá část z nich je v hodná pro použití v laserových dálkoměrech. Omezením často bývají rozměry aparatury, hmotnost, pořizovací cena, provozní podmínky a odolnost při manipulaci.
236
 
258
 
237
\subsection{Polovodičový diodový LASER}
259
\subsection{Polovodičový diodový LASER}
238
 
260
 
239
Polovodičové laserové diody, jsou nejrozšířenějšími typy LASERů, které dosahují dobrých parametrů avšak zatím pouze na vlnových délkách větších než cca 600nm, což je pro použití v modelovém laserovém atmosférickém dálkoměru nevhodné.  Generování kratších vlnových délek pomocí laserových diod je ale v současné době v intenzivním vývoji vzhledem k potenciální možnosti použití modrých, zelených a červených LASERových diod v barevných skenovacích projektorech s vysokým kontrastem a rozlišením. Zatím ale nedosahují potřebných energií a navíc jejich pořizovací cena je stále dosti vysoká. 
261
Polovodičové laserové diody, jsou nejrozšířenějšími typy laserů, které dosahují dobrých parametrů avšak zatím pouze na vlnových délkách větších než cca 600nm, což pro použití v modelovém laserovém atmosférickém dálkoměru není ideální.  Generování kratších vlnových délek pomocí laserových diod je ale v současné době v intenzivním vývoji vzhledem k potenciální možnosti použití modrých, zelených a červených laserových diod v barevných skenovacích projektorech s vysokým kontrastem a rozlišením. Zatím ale nedosahují potřebných výstupních energií a navíc jejich pořizovací cena je stále dosti vysoká. 
240
 
262
 
241
\subsection{Pevnolátkový diodově čerpaný LASER s generací druhé harmonické}
263
\subsection{Pevnolátkový diodově čerpaný LASER s generací druhé harmonické}
242
 
264
 
243
Jde o konstrukční 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 DPSSFD (Diode Pumped Solid State  Frequency Doubled) LASER.
265
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 DPSSFD (Diode Pumped Solid State  Frequency Doubled) LASER.
244
 
266
 
245
\section{Teoretické limity konstrukce}
267
\section{Teoretické limity konstrukce}
246
 
268
 
247
\subsection{Metody generace krátkých impulzů}
269
\subsection{Metody generace krátkých impulzů}
248
Pro měření vzdálenosti metodou ToF je klíčové aby vysílač mohl generovat krátké světelné impulzy. Obvykle se toho dosahuje několika různými metodami. 
270
Pro měření vzdálenosti metodou ToF je klíčové aby vysílač mohl generovat krátké světelné impulzy. Obvykle se toho dosahuje několika různými metodami. 
Line 292... Line 314...
292
 
314
 
293
V případě, že čerpací vlnová délka se posune mimo tento pík (například teplotním driftem laserové diody), tak dojde k rapidnímu snížení účinnosti. Toto je zvláště nepříjemné, když k takové situaci dojde vlivem zvýšené teploty čerpací diody. řídící elektronika laseru se totiž v takovém případě může snažit kompenzovat snižující se výstupní výkon  zvýšením  čerpacího výkonu, což má za následek další tepelné ztráty v laserové diodě a další zvyšování teploty, což může vést až k přehřátí a následnému zničení diody.       
315
V případě, že čerpací vlnová délka se posune mimo tento pík (například teplotním driftem laserové diody), tak dojde k rapidnímu snížení účinnosti. Toto je zvláště nepříjemné, když k takové situaci dojde vlivem zvýšené teploty čerpací diody. řídící elektronika laseru se totiž v takovém případě může snažit kompenzovat snižující se výstupní výkon  zvýšením  čerpacího výkonu, což má za následek další tepelné ztráty v laserové diodě a další zvyšování teploty, což může vést až k přehřátí a následnému zničení diody.       
294
 
316
 
295
\subsubsection{Konverzní účinnost aktivního prostředí}
317
\subsubsection{Konverzní účinnost aktivního prostředí}
296
 
318
 
-
 
319
\subsubsection{Konverzní účinnost na druhou harmonickou}
-
 
320
 
-
 
321
 
297
\section{Dosavadní řešení problému}
322
\section{Dosavadní řešení problému}
298
 
323
 
299
Existuje několik typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti   
324
Existuje několik typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti   
300
 
325
 
301
 
326
 
Line 310... Line 335...
310
 
335
 
311
Pro konstrukci laserového vysílače vhodného pro ToF LRF, je potřeba několik dílčích součástí.  Znázorněných v blokovém schématu.
336
Pro konstrukci laserového vysílače vhodného pro ToF LRF, je potřeba několik dílčích součástí.  Znázorněných v blokovém schématu.
312
 
337
 
313
\begin{figure}[htbp]
338
\begin{figure}[htbp]
314
\includegraphics[width=150mm]{./img/LASER_transmitter.png}
339
\includegraphics[width=150mm]{./img/LASER_transmitter.png}
315
\caption{Blokové schéma LASERového vysílače.}
340
\caption{Zjednodušené blokové schéma laserového vysílače.}
316
\label{laser_module}
341
\label{laser_module}
317
\end{figure} 
342
\end{figure} 
318
 
343
 
319
\begin{description}
344
\begin{description}
320
\item[LASER] - LASERový modul  
345
\item[LASER] - LASERový modul  
Line 332... Line 357...
332
\end{figure} 
357
\end{figure} 
333
 
358
 
334
 
359
 
335
\subsubsection{Čerpací dioda}
360
\subsubsection{Čerpací dioda}
336
 
361
 
337
Polovodičová čerpací dioda, která je na začátku DPSSFD modulu 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. Tyto dvě diody mají běžně společný jeden terminál. Protože každá z diod má dva vývody, tak je možných několik způsobů zapojení v pouzdře. Označují se písmeny P, N, M. Referenční dioda pak dále bývá rozlišována jako MD (monitor Diode) a laserová dioda LD (LASER Diode).
362
Polovodičová čerpací dioda, která je na začátku DPSSFD modulu 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. Tyto dvě diody mají běžně společný jeden terminál. Protože každá z diod má dva vývody, tak je možných několik způsobů zapojení v pouzdře. Označují se písmeny P, N, M. Referenční dioda pak dále bývá rozlišována jako MD (Monitor Diode) a laserová dioda LD (LASER Diode).
338
 
363
 
339
Referenční zpětnovazebná fotodioda, se ale nedá použít ke kalibračním účelům, protože takto indikovaný výkon se může měnit mezi jednotlivými várkami LASERů až o jeden řád.  
364
Referenční zpětnovazebná fotodioda, se ale nedá použít ke kalibračním účelům, protože takto indikovaný výkon se může měnit mezi jednotlivými várkami laserů až o jeden řád.  
340
 
365
 
341
Její vyzařovaná vlnová délka je  ovšem 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/C. Absorpční čára aktivního prostředí laseru NdYag je však široká pouze XX nm. Což klade poměrně vysoké nároky i na stabilizaci vlnové délky. Vysoká provozní teplota LASERové diody navíc vede ke zvýšení prahu LASERové generace a tím pádem, ke zvýšení potřebného budícího proudu, který má za následek vyšší ztrátový výkon. Další problémem, který při vysokých pracovních teplotách může nastat, je mode-hopping, který se projevuje náhodným přeskakováním vyzařovaných vlnových délek. 
366
Její vyzařovaná vlnová délka je  ovšem 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/$\hcirc$C. Absorpční čára aktivního prostředí laseru Nd:YVO$_4$ je však široká pouze XX nm. Což klade poměrně vysoké nároky i na stabilizaci vlnové délky. 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. Další problémem, který při vysokých pracovních teplotách může nastat, je mode-hopping, který se projevuje náhodným přeskakováním vyzařovaných vlnových délek. 
342
  
367
  
343
Z tohoto důvodu, byl pro měření celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z LASERového systému.  
368
Z tohoto důvodu, byl pro měření celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z laserového systému.  
344
 
369
 
345
\subsubsection{Optika}
370
\subsubsection{Optika}
346
 
371
 
347
Bezprostředně za diodou je fukusační čočka, která upravuje záření vycházejí z laserové diody, tak aby bylo možné jej navázat do rezonátoru a čerpat jím aktivní prostředí. 
372
Bezprostředně za diodou je čočka, která upravuje záření vycházejí z laserové diody, tak aby bylo možné jej navázat do rezonátoru a čerpat jím aktivní prostředí. 
348
 
373
 
349
 
374
 
350
\subsubsection{Aktivní prostření a konverzní krystal}
375
\subsubsection{Aktivní prostření a konverzní krystal}
351
 
376
 
352
Aktivním prostředím v laserovém modulu je krystal Nd:YVO$_4$ o rozměrech 1x1x3mm, který je přímo nalepený na mosazném držáku zajišťujícím odvod tepla z krystalu. Přes tento krystal 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.
377
Aktivním prostředím v laserovém modulu je krystal Nd:YVO$_4$ o rozměrech 1x1x3mm, který je přímo nalepený na mosazném držáku zajišťujícím odvod tepla z krystalu. Přes tento krystal 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.
Line 355... Line 380...
355
absorpční charakteristika. 
380
absorpční charakteristika. 
356
 
381
 
357
 
382
 
358
\subsubsection{Kolimace výstupního svazku a výstupní IR filtr}
383
\subsubsection{Kolimace výstupního svazku a výstupní IR filtr}
359
 
384
 
360
Výstupní záření vycházející z optického rezonátoru je ideálně pouze 532nm, které je fokusováno do výstupního svazku s divergencí okolo XXmRad.
385
Výstupní záření vycházející z optického rezonátoru je ideálně pouze 532nm, které je kolimováno do výstupního svazku s divergencí okolo XXmRad.
361
 
386
 
362
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 rezonátoru.  
387
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 rezonátoru.  
363
 
388
 
364
\subsubsection{Původní "Regulační" obvod}
389
\subsubsection{Původní "Regulační" obvod}
365
 
390
 
Line 386... Line 411...
386
\label{laser_module}
411
\label{laser_module}
387
\end{figure} 
412
\end{figure} 
388
 
413
 
389
 
414
 
390
 
415
 
391
\subsubsection{Běžné provozní hodnoty}
416
\subsubsection{Běžné provozní hodnoty} 
392
 
417
 
393
Za běžných provozních hodnot je laserový modul provozován v pracovním bodě. 
418
Za běžných provozních hodnot je laserový modul provozován v pracovním bodě. 
394
 
419
 
395
 
420
 
396
\begin{table}[htbp]
421
\begin{table}[htbp]
Line 408... Line 433...
408
\end{table}
433
\end{table}
409
 
434
 
410
 
435
 
411
\subsubsection{Rozdíly mezi laserovými moduly}
436
\subsubsection{Rozdíly mezi laserovými moduly}
412
 
437
 
413
Hlavní rozdíl mezi moduly je výrobcem udávaný kontinuální výstupní výkon modulu a pracovní napětí, které je u 20mW modulu udávváno jako 3V a u 5mW modulu 5V. U testovaných levných laserových modulů nebyl zjištěn žádný výrazný konstrukční rozdíl. Pouze výkonnější z modulů (20mW) má masivnější materiál okolo výstupní optiky, patrně kvůli zlepšení přestupu odpadního tepla do pláště ukazovátka.   
438
Hlavní rozdíl mezi moduly je výrobcem udávaný kontinuální výstupní výkon modulu a pracovní napětí, které je u 20mW modulu udáváno jako 3V a u 5mW modulu 5V. U testovaných levných laserových modulů nebyl zjištěn žádný výrazný konstrukční rozdíl. Pouze výkonnější z modulů (20mW) má masivnější materiál okolo výstupní optiky, patrně kvůli zlepšení přestupu odpadního tepla do pláště ukazovátka.   
414
Ostatní části jsou identické u obou výkonových verzí včetně samotného aktivního krystalu. Nelze však jednoduše potvrdit, že je identická i samotná čerpací dioda, nebot 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.      
439
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.      
415
 
440
 
416
Původní řídící elektronika je taktéž stejná u obou modulů a neliší se ani hodnotami součástek.  
441
Původní řídící elektronika je taktéž stejná u obou modulů a neliší se ani hodnotami součástek.  
417
 
442
 
418
\subsection{Měření krátkých světelných impulzů}
443
\subsection{Měření krátkých světelných impulzů}
419
 
444
 
420
K tomu aby bylo možné kvantifikovat dosažené parametry LASERového vysílače, je potřeba umět změřit výstupní časový průběh intenzity záření v impulzu. K tomuto účelu se obvykle využívá zapojení předepjaté PIN fotodiody, která pak  díky svojí nízké parazitní kapacitě pracuje jako vhodný snímač  pro velmi rychlé děje. Pro účely měření byl proto jeden takový snímač zkonstruován. Jeho zapojení je znázorněno na obrázku \ref{schema_detektoru}.
445
K tomu aby bylo možné kvantifikovat dosažené parametry laserového vysílače, je potřeba umět změřit výstupní časový průběh intenzity záření v impulzu. K tomuto účelu se obvykle využívá zapojení předepjaté PIN fotodiody, která pak  díky svojí nízké parazitní kapacitě pracuje jako vhodný snímač  pro velmi rychlé děje. Pro účely měření byl proto jeden takový snímač zkonstruován. Jeho zapojení je znázorněno na obrázku \ref{schema_detektoru}.
421
 
446
 
422
\begin{figure}[htbp]
447
\begin{figure}[htbp]
423
\includegraphics[width=150mm]{./img/SCH_detector.png}
448
\includegraphics[width=150mm]{./img/SCH_detector.png}
424
\caption{Schéma detektoru s PIN diodou.}
449
\caption{Schéma detektoru s PIN diodou.}
425
\label{schema_detektoru}
450
\label{schema_detektoru}
Line 497... Line 522...
497
\begin{center}
522
\begin{center}
498
\begin{tabular}{ccc}
523
\begin{tabular}{ccc}
499
\hline
524
\hline
500
Parametr & hodnota &  \\ \hline
525
Parametr & hodnota &  \\ \hline
501
Střední výkon [mW] &     &    \\
526
Střední výkon [mW] &     &    \\
502
Průměrná energie v impulzu [uJ] &   2,24  &    \\
527
Průměrná energie v impulzu [uJ] &   1,24  &    \\
503
Opakovací frekvence [kHz] &  56  &    \\
528
Opakovací frekvence [kHz] &  56  &    \\
504
\hline
529
\hline
505
\end{tabular}
530
\end{tabular}
506
\end{center}
531
\end{center}
507
\label{parametry_puvodni_regulator}
532
\label{parametry_puvodni_regulator}
Line 532... Line 557...
532
 
557
 
533
\section{Diskuse dosažených výsledků}
558
\section{Diskuse dosažených výsledků}
534
 
559
 
535
\subsection{Dosažené parametry vysílače}
560
\subsection{Dosažené parametry vysílače}
536
 
561
 
537
Bylo zjištěno a ověřeno, že DPSSFD moduly používané v laserových ukazovátkách lze opakovaně a definovaným postupem uvéct 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. 
562
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. 
538
 
563
 
539
Tento výsledek může být například užitečný, k laboratornímu testování některých experimentálních senzorů.  Je ale ovšem třeba vybrat vhodný modul pro daný experiment.   
564
Tento výsledek může být například užitečný, k laboratornímu testování některých experimentálních senzorů.  Je ale ovšem třeba vybrat vhodný modul pro daný experiment.   
540
 
565
 
541
\subsection{Možnosti dalšího vylepšení}
566
\subsection{Možnosti dalšího vylepšení}
542
 
567
 
543
\subsubsection{Zapouzdření vysílače}
568
\subsubsection{Zapouzdření vysílače}
544
 
569
 
545
\subsubsection{Aktivní stabilizace teploty}
570
\subsubsection{Aktivní stabilizace teploty}
546
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. Zároven je známá závislost mezi provozní teplotou a životností diody, která odpovídá zhruba zdvojnásobení životnosti při redukci provozní teploty o 10$^\circ C$.
571
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$^\circ C$.
547
 
572
 
548
\subsubsection{Kombinace s jinými přístroji}
573
\subsubsection{Kombinace s jinými přístroji}
549
 
574
 
550
 
575
 
551
\section{Závěr}
576
\section{Závěr}