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

 Po změření parametrů laserů bude možné rozhodnout o vhodnosti a konkrétním způsobu použití laserového modulu v laserovém dálkoměru.
 Následně je nutné zkonstruovat vhodný řídící obvod čerpací diody modulu, tak aby bylo možné modul využít pro zvolenou aplikaci.
 V poslední části budou změřeny dosažené parametry
+Cílem použití konstruovaného laserového vysílače je měření výšky základny oblačnosti, respektive měření
+výškového profilu hustoty kondenzující vody v atmosféře. Takto získané údaje mají být využity jako vstupní data řídícího systému automatického robotického teleskopu určeného pro astronomická pozorování. Primárním cílem využití těchto dat, je zabezpečení systému dalekohledu před poškozením sněhem/deštěm.
+Dále v některých oblastech nasazení takto atomatizovaných dalekohledů mohou hrozit i písečné bouře (Chile, Austrálie, Sahara) nebo extrémní teploty (Sibiř, Afrika).
+Vzhledem k těmto faktům, kdy se jedná převážně o pozemní jevy  odehrávající se ve výškách menších, než cca 1km nad povrchem, tak není potřebné aby laserový vysílač umožňoval měření na delší vzdálenosti.
 \newpage
 \section{Úvod}
 Možnosti jeho aplikace jsou proto velmi rozsáhlé od zaměřování a mapování topografie terénu přes vytváření přesných tvarových modelů malých předmětů až po jeho použití v meteorologii, nebo pro vojenské aplikace.
 \subsection{Principy měření vzdálenosti}
-Základním principem LASERových dálkoměrů je změření nějaké vlastnosti signálu odraženého od předmětu vůči známým parametrům signálu vyzářeného vysílačem. Existuje k tomu několik používaných metod.
+Základním principem laserových dálkoměrů je změření nějaké vlastnosti signálu odraženého od předmětu vůči známým parametrům signálu vyzářeného vysílačem. Existuje k tomu několik používaných metod.
 \begin{itemize}
 \item Měření geometrického posunu stopy laseru na předmětu
 \item Měření fázového posunu přijímaného a vysílaného signálu
 \item Měření časového zpoždění vyslaného a odraženého fotonu (ToF - Time of Flight measurement).
  d = \frac{ct}{2n}
 \end{equation}
 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.
-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}.
+Při měření se tak předpokládá homogenní prostředí ve kterém se světlo šíří, nebo alespoň prostředí o nějaké známé efektivní hodnotě indexu lomu. Pokud dále předpokládáme prostředí bez rozptylu a absorpce. S tím, že celý laserový signál zasáhne kompaktní měřený objekt, tak zpětně odražený počet fotonů může být přibližně vyjádřen rovnicí \ref{radarova_rovnice}.
 \begin{equation}
- P_r = {{P_t G_t  A_r \sigma F^4}\over{{(4\pi)}^2 R_t^2R_r^2}}
+ N \approx E \eta \frac{1}{R^2}r
 \label{radarova_rovnice}
 \end{equation}
 Kde
 \begin{description}
-\item[$P_t$] = transmitter power
+\item[$N$] - počet detekovaných fotoelektronů.
-\item !!DOPLNIT!! (upravit na tvar pro velkou plochu cile)
+\item[$E$] - energie ve vyslaném laserovém pulzu.
-%*
-%* ''G''<sub>t</sub> = [[gain]] of the transmitting antenna
-%* ''A''<sub>r</sub> = effective aperture (area) of the receiving antenna
-%* ''σ'' = [[radar cross section]], or scattering coefficient, of the target
+\item[$\eta$] - koeficient celkové optické optické účinnosti přístroje.
-%* ''F'' = pattern propagation factor
+\item[$R$] - vzdálenost cíle.
-%* ''R''<sub>t</sub> = distance from the transmitter to the target
-%* ''R''<sub>r</sub> = distance from the target to the receiver.
+\item[$r$] - označuje efektivní reflektivitu cíle.
 \end{description}
 Dále vzhledem k tomu, že pro větší vzdálenosti je pravděpodobnost zachycení zpětně odraženého fotonu malá, tak jsou využívány různé techniky pro zlepšení poměru S/N. Často jde o metody statického zpracování nebo o lock-in měření.
 Tato metoda má vzhledem k předchozím podstatnou výhodou především v tom, že její princip umožňuje změřit vzdálenosti v obrovském rozsahu a přitom neklade (díky pokročilým možnostem zpracování) vysoké nároky na odstup signálu od šumu. Běžně se proto využívá například pro měření a následné výpočty korekcí drah družic, nebo i měření podélných parametrů optických komunikačních vláken, kde je metoda známa, jako TDR (Time domain refractometry)
 Možnosti aplikace metody měření doby šíření jsou tak rozsáhlé, že z ní vychází i další přistroje, jako radiolokátory nebo echolokátory.
+V principu existují dvě možné varianty implementace ToF metody měření vzdálenosti, které se liší způsobem zpracování signálu. První je měření časového průběhu intenzity odraženého signálu z prostředí před vysílačem. Využívá se při tom rychlý intenzitní detektor a vzorkovací obvod, který v intervalech odpovídajících časovému rozlišení přístroje periodicky vzorkuje signál z detektoru. Velkou výhodou tohoto přístupu je, že i z jediného výstřelu laseru je možné získat poměrně značné množství informací.
+Problémem ale je požadavek na velký špičkový výstupní výkon laseru (řádově stovky Wattů), který může značně snížit bezpečnost provozu zařízení. Nezanedbatelné jsou zároveň také požadavky na velkou vstupní aperturu detekčního teleskopu, která je obvykle řádově desítky cm.
+Používá se proto i méně náročná implementace, která využívá kvantovou povahu světla a detektorem jsou detekovány jednotlivé odražené fotony, což umožňuje podstatně snížit nároky na špičkový výstupní výkon i na sběrnou plochu detektoru. Nevýhodou ale je nutnost opakovat mnoho měření k získání několika tisíc až stovek tisíc hodnot, které je pak možné statisticky zpracovat. Podstatnou výhodou této metody ale je fakt, že je možné ji aplikovat i na extrémní vzdálenosti, kde i původní vícefotonová implementace již z principiálních důvodů selhává (respektive konverguje k této jednofotonové variantě).
 Tato práce je proto zaměřena právě na tento princip měření.
 \section{Požadavky na pulsní laserový vysílač}
-Laserový vysílač může mít mnoho typů konstrukčních řešení podle účelu jeho použití. Je proto vhodné představit modelovou aplikaci konstruovaného laserového vysílače.
-\subsection{Modelová aplikace}
-Cílem použití konstruovaného laserového vysílače je měření výšky základny oblačnosti, respektive měření
-výškového profilu hustoty kondenzující vody v atmosféře. Takto získané údaje mají být využity jako vstupní data řídícího systému automatického robotického teleskopu určeného pro astronomická pozorování. Primárním cílem využití těchto dat, je zabezpečení systému dalekohledu před poškozením sněhem/deštěm.
+Protože laserový vysílač může mít různé specifické parametry podle účelu jeho použití, tak se následující kapitola týká parametrů vysílače určeného k měření oblačnosti.
-Dále v některých oblastech nasazení takto atomatizovaných dalekohledů mohou hrozit i písečné bouře (Chile, Austrálie, Sahara) nebo extrémní teploty (Sibiř, Afrika).
-Vzhledem k těmto faktům, kdy se jedná převážně o pozemní jevy  odehrávající se ve výškách menších, než cca 1km nad povrchem, tak není potřebné aby laserový vysílač umožňoval měření na delší vzdálenosti.
 \subsection{Vlnová délka záření}
-Vhodná vlnová délka výstupního záření laserového vysílače záleží na mnoha faktorech, jako je například absorpce v médiu vyplňujícím prostor mezi vysílačem a detekovaným předmětem, nebo i spektrální odrazivost měřeného objektu. Pro uvažovanou modelovou aplikaci měření výšky a mohutnosti oblačnosti jsou vhodné krátké vlnové délky z optického oboru elektromagnetického záření. Je to dáno jednak vlastnostmi atmosféry, která dobře propouští vlnové délky z oblasti viditelného spektra. A potom tím, že světlo z kratších vlnových délek (modrá oblast) se dobře odráží na oblačnosti a vodních krystalech.
+Vhodná vlnová délka výstupního záření laserového vysílače záleží na mnoha faktorech, jako je například absorpce v médiu vyplňujícím prostor mezi vysílačem a detekovaným předmětem, nebo i spektrální odrazivost měřeného objektu. Pro uvažovanou modelovou aplikaci měření výšky a mohutnosti oblačnosti jsou vhodné krátké vlnové délky z optického oboru elektromagnetického záření. Je to dáno vlastnostmi atmosféry, která dobře propouští vlnové délky z oblasti viditelného spektra. Viz. obr. \ref{atmosfera_ztraty}.
 \begin{figure}[htbp]
 \includegraphics[width=150mm]{./img/atmospheric_absorption.png}
-\caption{Závislost transmisivity suché atmosféry na vlnové délce záření}
+\caption{Závislost transmisivity čisté atmosféry na vlnové délce záření}
+\label{atmosfera_ztraty}
 \end{figure}
-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.
+Ovšem vzhledem k tomu, že na krátkých vlnových délkách směrem k UV oblasti strmě stoupá vliv nežádoucího Rayleighova rozptylu (rovnice \ref{Raylengh}), který omezuje použitelný dosah měření. Tak je vhodné použít střední vlnovou délku optického záření, ze zelené oblasti spektra. Která relativně dobře prochází čistou atmosférou.
+\begin{equation}
+\kappa _R (\lambda) =  K \frac{1}{\lambda ^4}
+\label{Raylengh}
+\end{equation}
+\begin{description}
+\item[$\kappa _R (\lambda)$] - extinkční koeficient Rayleihova rozptylu.
+\item[$K$] je parametr závisející na typech plynů v prostředí a jejich parciálních tlacích.
+Pro měření oblačnosti (částic) je však podstatný Mieův rozptyl (Mie scaterring), ke kterému dochází na částicích, které jsou srovnatelné s vlnovou délkou záření. Tento rozptyl má složitější závislost na vlnové délce, než Rayleighův. Naměřená závislost ze zdroje je však uvedena na obrázku.
 \subsection{Délka výstupního světelného impulzu}
 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.
 Pro případ měření výšky základny oblačnosti, která sama o sobě nemá příliš strmý přechod je zbytečné měřit s přesností lepší, než řádově metry. Proto stačí od laserového vysílače požadovat délky pulzů kratší, než stovky nanosekund.
 \subsection{Energie impulzu}
-Energie výstupního impulzu je ideálně co největší, aby bylo dosaženo vysoké pravděpodobnosti zachycení některého zpětně odraženého fotonu. 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.
+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.
-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.
+Vysílač tedy musí být konstruovaný tak, aby výstupní svazek (který bude v našem případě směřovat svisle do atmosféry) měl dostatečně malou hustotu energie, aby nebyla nebezpečná pro letecký provoz a ideálně ani pro případné živočichy pohybující se nad laserovým měřičem.
 \subsection{Divergence a parametry svazku ve vzdálené zóně}
+Během vygenerování balíku fotonů laserovým vysílačem,  mají na prostorové rozložení energie v pulzu vliv různé asymetrie laserové dutiny, rezonátoru a apertury. Důsledkem obvykle je, jiný než gaussovský příčný profil svazku. A také vlivem konečného rozměru výstupní apertury i nenulová rozbíhavost svazku. Vzhledem k tomu, že svazek je takto modifikován primárně difrakčními jevy, tak je smysluplné zkoumat profil svazku hlavně ve vzdálené zóně. Avšak existuje difrakční limit minimální divergence svazku na apertuře konečného průměru, který lze vyjádřit vztahem \ref{difrakcni_limit}.
+\begin{equation}
+\theta = \frac{2 \lambda}{\pi w_0}
+\label{difrakcni_limit}
+\end{equation}
+Pro laserový vysílač používaný k měření oblačnosti je však podstatné, že pokud předpokládáme velikost oblaku minimálně stejnou, jako průměr svazku v dané výšce, tak počet odražených fotonů není závislý na divergenci svazku výstupního záření (platí vztah \ref{radarova_rovnice}).
-\subsection{ (Trigger jitter)}
+\subsection{ Nejistota spouštění (Trigger jitter)}
+Nejistota spuštění 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, pokud laser generuje impulsy se známým zpožděním, nebot pak není nutné měřit  přesnou dobu, kdy vygenerovaný balík fotonů ve skutečnosti opustil vysílač. Vzhledem k plánovanému použití vysílače, je asi rozumné požadovat aby jitter spuštění byl maximálně srovnatelný s generovanou délkou pulsu.
+Tento požadavek by byl nejlépe splnitelný pro polovodičový diodový laser. Ale vzhledem ke konstrukci DPSS modulu není úplně zřejmé, zda tohoto stavu je možné dosáhnout.
 \section{Druhy modulovatelných laserů}
-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.
+V dnešní době existuje mnoho typů laserů. Avšak pouze malá část z nich je vhodná pro použití v laserových dálkoměrech. Omezením často bývají rozměry aparatury, hmotnost, pořizovací cena, provozní podmínky a odolnost při manipulaci.
 \subsection{Polovodičový diodový LASER}
 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.
 \subsection{Zdroje ztrátového výkonu v DPSSFD}
 \subsubsection{Účinnost čerpací diody}
-Pro správnou funkci čerpání aktivního prostředí je nutné, aby čerpací dioda emitovala záření co nejpřesněji kopírující absorpční pík, aktivního materiálu  Nd:YVO$_4$ , který se za běžných podmínek nachází na 808nm.
+Pro správnou funkci čerpání aktivního prostředí je nutné, aby čerpací dioda emitovala záření co nejpřesněji kopírující špičku absorpce, aktivního materiálu  Nd:YVO$_4$ , který se za běžných podmínek nachází na 808nm.
-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.
+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 speciálně 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. Z tohoto důvodu je nutné, aby seriózní řídící obvod regulující výstupní výkon laseru měl možnost detekovat tento stav a vhodně reagovat, případně vyřadit zařízení z provozu s chybovým hlášením.
 \subsubsection{Konverzní účinnost aktivního prostředí}
 \subsubsection{Konverzní účinnost na druhou harmonickou}
+\subsubsection{Celková účinnost modulu}
 \section{Dosavadní řešení problému}
 Existuje několik typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti
+Speciálně pak pro aplikaci zabezpečení automatických teleskopů před poškozením možnými srážkami bylo v minulosti 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 má FOV 40° což způsobuje koplikace při některých metodologických 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 pulzní dálkoměry}
 \subsection{Moderní laserové vysílače}
 Polovodičové diody, pevnolátkové lasery
 \caption{Zjednodušené blokové schéma laserového vysílače.}
 \label{laser_module}
 \end{figure}
 \begin{description}
-\item[LASER] - LASERový modul
+\item[DPSSFD] - diodově čerpaný laserový modul modul s generací druhé harmonické (532nm)
 \end{description}
 \subsection{Konstrukce DPSSFD modulu}
 \end{figure}
 \subsubsection{Čerpací dioda}
-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).
+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) viz. obr. \ref{LD_diody}.
 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.
 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.
 absorpční charakteristika.
 \subsubsection{Kolimace výstupního svazku a výstupní IR filtr}
-Výstupní záření vycházející z optického rezonátoru je ideálně pouze 532nm, které je kolimováno do výstupního svazku s divergencí okolo XXmRad.
+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 rezonátoru.
+\begin{figure}[htbp]
+\includegraphics[width=80mm]{./img/svazky/laser_5mW_calibrated_B_rainbow.png}
+\includegraphics[width=80mm]{./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}
+\end{figure}
+Pro oba typy testovaných modulů byl změřen profil svazku ve vzdálené zóně. Měření bylo provedeno zaměřením modulu na 20m vzdálenou stěnu  a vyfotografováním vzniklé stopy společně se stupnicí dělenou po mm, bylo možné zkalibrovat úhlové rozlišení snímku.  Jas snímků kalibrován není a obrázek tak proto dává přibližnou představu pouze o rozbíhavosti svazků.
+Naměřené hodnoty 0,2x0,3mrad a  0,15x0,2 lze považovat spíše za horní hranice rozbíhavosti pro tovární nastavení, neboť modul byl před měřením několikrát rozebrán z důvodu průzkumu jeho obsahu, což mělo negativní vliv na přesnost jeho kolimace. Nejlepší naměřená hodnota 0,15mrad je však v podstatě shodná s teoretickým difrakčním limitem odvozeným z rozměrů laseru viz. kapitola \ref{parametry_modulu}.
+Tyto hodnoty divergence lze tak pro uvažovanou aplikaci považovat za více než dostatečné, neboť i největší stopa svazku o divergenci 0,5 mrad  bude mít ve výšce 1km nad detektorem rozměr pouze 0,5m což je zaručeně méně, než velikost základny kumulu, či kumulonimbu, který by mohl potenciálně poškodit vybavení observatoře.
 \subsubsection{Původní "Regulační" obvod}
 Původní regulační obvod laseru se skládal z operačního zesilovače zapojeného, jako velmi jednoduchý lineární zdroj proudu.
 Protože takto konstruovaný zdroj proudu má poměrně velký ztrátový výkon a použité součástky jsou vesměs poddimenzovány, tak není možné v zapnutém stavu provozovat ukazovátko delší dobu.
 \label{laser_module}
 \end{figure}
 \subsection{Parametry laserových modulů}
+\label{parametry_modulu}
+Všechny tyto běžně dostupné moduly jsou válcové o průměru (11,9 $\pm$ 0,1)mm délky 40mm (5mW) nebo 35mm (5mW). Na výstupní části je 10mm dlouhé osazení  s jemným závitem M8 respektive M10. Výstupní apertura modulů je 3,9mm. Průměr svazku na výstupní apertuře je ale pouze 2,3mm (změřeno posuvným měřítkem).
-Všechny tyto moduly jsou válcové o průměru (11,9 $\pm$ 0,1)mm délky 40mm (5mW) nebo 35mm (5mW). Na výstupní části je 10mm dlouhé osazení  s jemným závitem M8 respektive M10. Výstupní apertura modulů je 3,9mm. Průměr svazku na výstupní apertuře je ale pouze 2,3mm (změřeno posuvným měřítkem).
+Z těchto parametrů lze tak podle výrazu \ref{difrakcni_limit} určit difrakčně limitovanou minimální divergenci svazku, která je \sim 0,15mrad.
-divergence
 \begin{figure}[htbp]
 \includegraphics[width=80mm]{./img/DPSSFD_5mW.jpg}
 \includegraphics[width=80mm]{./img/DPSSFD_20mW.jpg}
 \caption{Použité testovací DPSSFD moduly 5mW (vlavo) a 20mW (vpravo).}
 \label{realizace_detektoru}
 \end{figure}
 \section{Relaxační kmity LASERu}
-Během měření charakteristik modulů na zkonstruovaném zdroji proudu bylo zjištěno, že existuje pracovní oblast laseru, kde dochází k samovolné pulzní modulaci výstupního záření. Tato oblast se nachází těsně nad prahem laserové generace. A lze jí nalézt postupným zvyšováním čerpacího výkonu a sledováním časové charakteristiky výstupního záření.
+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. A lze jí nalézt postupným zvyšováním čerpacího výkonu a sledováním časové charakteristiky výstupního záření.
 Při určité úrovni tato pulzní modulace dosahuje maximálního kontrastu a při dalším zvyšování úrovně 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 podmínkách ve kterých je laserový modul provozován. Podle pozorování má na tento jev vliv hlavně teplota.
 Práh generace použitých modulů.
 \hline
 Parametr & hodnota &  \\ \hline
 Střední výkon [mW] &     &    \\
 Průměrná energie v impulzu [uJ] &   1,24  &    \\
 Opakovací frekvence [kHz] &  56  &    \\
+Divergence výstupního svazku [mrad] &  0,3x0,2  &    \\
 \hline
 \end{tabular}
 \end{center}
 \label{parametry_puvodni_regulator}
 \end{table}
 \subsection{Pulsní budič laserové diody}
 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.
-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 to 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.
+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}.
+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.
+\begin{description}
+\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[ADN2830] - je regulátor pro laserové diody pracující v CW režimu. Umožňuje poměrně vysoký provozní proud laserových diod (do 200mA). Regulace průměrného výstupního optického výkonu je založena na měření proudu monitorovací diodou. Neumoňuje  však modulaci budícího proudu laserové diody.
+\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[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[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-HG] je šestikanálový budič laserovvých diod, umožňující modulaci celkovým proudem až 3A (po paralelním spojení všech kanálů). Modulační frekvence je až 200MHz. Má LVDS i TTL spouštěcí vstupy a možnost provozu na napětí až do 12V pro buzení modrých laserových diod.
+\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-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.
+\end{description}
+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 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 umožnil 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 jej využít i k jiným účelům než pouze laserový dálkoměr.
+Stavebnice ale nicméně již obsahuje TDC modul  GP201A, který je určení k přesnému měření časových intervalů s vysokým rozlišením. A laserový vysílačový modul je proto k němu logickým komplementem.
 Schéma zkonstruovaného pulzního budiče je uvedeno v příloze.
+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}.
 \begin{figure}[htbp]
 \includegraphics[width=150mm]{./img/LDD_PCB.png}
 \caption{Návrh plošného spoje pulsního budiče čerpací diody}
 \label{LDD_PCB}
 \end{figure}
+Modul má s ohledem na možný další vývoj  laserových diod možnost zapojit diody s různými typy konfigurace vývodů z pouzdra. Nejběžnější   konfigurace vývodů laserové a monitorovací diody jsou znázorněny na obrázku
+\begin{figure}[htbp]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=80mm]{./img/typy_zapouzdreni.png}
+\caption{Běžné typy konfigurace vnitřního zapojení polovodičových laserů}
+\label{LD_diody}
+\end{center}
+\end{figure}
 \section{Diskuse dosažených výsledků}
 \subsection{Dosažené parametry vysílače}
 Tento výsledek může být například užitečný, k laboratornímu testování některých experimentálních senzorů.  Je ale ovšem třeba vybrat vhodný modul pro daný experiment.
 \subsection{Možnosti dalšího vylepšení}
+Způsob modifikace laserového ukazovátka do podoby vhodné pro laserový dálkoměr byl v průběhu práce prozkoumán již dostatečně. Avšak pro další vývoj zařízení jsou možnosti stále rozsáhlé. Některé předpokládané koncepční problémy jsou diskutovány v následujících odstavcích.
 \subsubsection{Zapouzdření vysílače}
+Konstrukce vhodného obalu pro celé zařízení bude problametickou úlohou pro skutečnou realizaci, nebot je vzhledem k aplikaci potřebné a by konstrukce nemohla být poškozena, nebo vyřazena z funkce povětrnostními vlivy. Zvláště problematické mohou být sníh, nebo námraza na optických komponentech. Кterou bude třeba řešit buď aktivním vyhříváním výstupních čoček a nebo mechanickou závěrkou, případě pohyblivou hlavicí podobnou přístroji MRAKOMĚR 2 ze zdroje.
 \subsubsection{Aktivní stabilizace teploty}
 Vzhledem k tomu, že pro správnou funkci polovodičové diody je kritická její provozní teplota. Tak by bylo vhodné zařízení vybavit systémem s aktivní regulací provozní teploty laseru, stávající stav konstantního odvodu tepla chladičem, je účinný pouze v prostředí s vhodným rozsahem teplot, které umožní ustálení tepelné rovnováhy. A tím i stabilizaci pracovního bodu laseru. Zároveň je známá závislost mezi provozní teplotou a životností diody, která odpovídá zhruba zdvojnásobení životnosti při redukci provozní teploty o 10$^\circ C$.
 \subsubsection{Kombinace s jinými přístroji}
+Vzhledem ke koncepčnímu řešení prototypu, který je konstruován modulárně z dílů OpenSource stavebnice MLAB a navržený řídící modul laserové diody tuto koncepci doplňuje. Tak je možnost připojení, nebo modifikace zařízení pro jiné účely velice přímočará. A ve většině případů by mělo stačit vyměnit některý z modulů za modul vhodnější pro konkrétní aplikaci.
+Lze tak například snadno implementovat elektroniku laserového dálkoměru, která může s řídícím systémem dalekohledu komunikovat po různých typech sběrnic, například: RS232, RS485, CAN, USB, Ethernet.
+\subsubsection{Bezpečnost vysílače}
+Bezpečnost provozu vysílače je komplexním parametrem, který je ovlivněn všemi výše zmíněnými vlastnostmi. Nejpřímější vliv má však energie a divergence svazku, tedy hustota energie v průřezu svazku, která není konstantní v celém měřícím rozsahu a s rostoucí vzdáleností rapidně klesá.
+Pokud budeme vycházet z dříve realizovaných kostrukcí laserových dálkoměrů pro atmosférická měření, tak potřebná energie v jednom impulzu se pohybuje okolo 0,5uJ/100ns. Což odpovídá špičkovému výkonu 5W.
+Z toho vyplývá, že pro lidský zrak je problematická zona do vzdálenosti Xm od vysílače. Existují sice speciální vlnové délky označované, jako Eye Safe okolo 1500nm, které neprochází rohovkou a tudíž, jsou v podstatě bezpečné pro oční sítnici. Ovšem tato vlnová délka není příliš vhodná pro detekci oblačnosti a navíc právní norma žádné skutečné Eye Safe vlnové délky nezná. Resením tohoto problému může být rekolimace svazku do většího průměru hned na výstupu vysílače.
+Casteně lze ale předpokládat, že bezpečnosti provozu vysílače napomůže i fakt, že generovaná vlnová délka je ve viditelné oblasti světla. A tudíž se nejedná o skryté nebezpeční.
 \section{Závěr}
-Výsledkem práce je prototyp laserového vysílače vhodného pro další experimentální využití.
+Byla prozkoumána konstrukce běžně dostupných diodově čerpaných modulů používaných v laserových ukazovátkách a zjištěny jejich parametry, které byly vzhledem k jejich dostupnosti uznány jako zajímavé pro konstrukci vysílače pro laserový dálkoměr.
+Následně proto byla řešena úloha konstrukce vhodného řídícího obvodu pro čerpací laserovou diodu modulu.
-.
-.
+Výsledkem práce jsou dva prototypy laserového vysílače vhodného pro další experimentální využití. Jednoduší varianta regulovatelného proudového zdroje, která vytváří impulzy samovolným kmitáním laseru. A sofistikovanější univerzální modul pro řízení laserových diod, který umonuje generovat pulsy řízením způsobem, nebo případně provozovat laser v pracovním bodě samovolného kmitání.
-.
+Přínosem druhého prototypu také je, že poskytuje možnost realizovat zařízení pro laserové měření vzdálenosti, založené i na jiných principech, než je měření doby šíření.
+Výstupní energie obou prototypů by podle laboratorních měla být dostatečná pro detekci srážkově potenciální oblačnosti ve výškách menších, než 1km nad přístrojem.
+Pro reálnou aplikaci vysílače, a realizaci kompletního dálkoměru je třeba jej pouze doplnit o vhodný detektor a patřičně zakrytovat.
+Zadání práce bylo proto splněno v celém rozsahu.
 \pagebreak
 \bibitem{}{Zdroj obrázku reflektivity oblačnosti}
 \href{http://www.nohrsc.nws.gov/technology/avhrr3a/avhrr3a.htm}{http://www.nohrsc.nws.gov/technology/avhrr3a/avhrr3a.htm}
 \bibitem{}{Driving Diode Lasers is Staraightforward}
 \href{}{}
 \bibitem{}{Osram set for green diode ramp in 2012}
+\bibitem{diskretni_integrovane}{Discrete vs. Integrated, IC }
 \href{http://optics.org/news/1/7/17}{http://optics.org/news/1/7/17}
 \bibitem{laser_pointer}{Laser pointer. (2012, May 28). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 21:33, June 4,
 , from }
 \hyperlink{http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Laser_pointer\& oldid=494827196}{http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Laser_pointer\& oldid=494827196}
 \end{thebibliography}
+Konstrukce obou prototypů laserového vysílače byla realizovaná z prostředků firmy Universal Scientific Technologies s.r.o.
 !!zkontrolovat pridani vsech referenci a doformatovat podle normy!!
 \end{document}

Subversion Repositories svnkaklik

(root)/dokumenty/skolni/BP/DOC/SRC/laserovy_vysilac.tex – Rev 987 → 988