ˇ Cesk´ e vysok´ e uˇ cen´ı technick´ e v Praze Fakulta jadern´ a a fyzik´ alnˇ e inˇ zen´ yrsk´ a Katedra fyzik´ aln´ı elektroniky
Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace
Jakub K´ akona
Praha – 2012 Vzor tituln´ı strany na pevn´ ych desk´ach Jm´eno autora a rok ukonˇcen´ı pr´ace taky na hˇrbetn´ı stranˇe
ˇ Cesk´ e vysok´ e uˇ cen´ı technick´ e v Praze Fakulta jadern´ a a fyzik´ alnˇ e inˇ zen´ yrsk´ a Katedra fyzik´ aln´ı elektroniky
Vys´ılaˇ c pro laserov´ y d´ alkomˇ er Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace
Autor pr´ace: ˇ Skolitel: (Konzultant(i): ˇ Skoln´ ı rok:
Jakub K´ akona Jm´ eno ˇ skolitele Jm´ ena konzultant˚ u) 2011/2012
Prohlaˇsuji, ˇze jsem pˇredloˇzenou pr´aci vypracoval samostatnˇe a ˇze jsem uvedl veˇskerou pouˇzitou literaturu.
Podpis studenta
Praha, xx.xx.2012
Jakub K´akona
2
Obsah 1 Zad´ an´ı pr´ ace
3
2 Laserov´ y d´ alkomˇ er 2.1 Princip mˇeˇren´ı vzd´alenosti . . . . 2.1.1 Geometrick´a metoda . . . 2.1.2 F´azov´a metoda . . . . . . 2.1.3 Mˇeˇren´ı doby letu (TOF) . 2.2 Poˇzadavky na laserov´ y vys´ılaˇc . . 2.2.1 Vlnov´a d´elka . . . . . . . 2.2.2 D´elka v´ ystupn´ıho impulzu 2.2.3 Energie impulzu . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
3 LASERy 3.1 Pevnol´atkov´ y diodovˇe ˇcerpan´ y LASER 3.2 Koherentn´ı ˇcerp´an´ı . . . . . . . . . . . 3.3 Relaxaˇcn´ı kmity LASERu . . . . . . . 3.4 Mˇeˇren´ı kr´atk´ ych svˇeteln´ ych impuzl˚ u. .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
3 3 4 4 5 5 5 6 6
. . . .
6 7 7 7 7
4 Konstrukce vys´ılaˇ ce
7
ˇ ıd´ıc´ı elektronika 5 R´ ˇ 5.1 Cerpac´ ı dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Buzen´ı ˇcerpac´ı diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 8 8
1
Zad´ an´ı pr´ ace
2
Laserov´ y d´ alkomˇ er
Laserov´ y d´alkomˇer je zaˇr´ızen´ı, kter´e je schopno mˇeˇrit vzd´alenost objektu odr´aˇzej´ıc´ıho z´aˇren´ı optick´ ych vlnov´ ych d´elek. Tyto objekty mohou b´ yt velmi r˚ uznorod´eho charakteru a d´alkomˇer je pak v principu schopen mˇeˇrit pevn´e, kapaln´e nebo i plynn´e struktury, pˇr´ıpadnˇe i jejich kombinace. Moˇznosti jeho aplikace jsou proto velmi rozs´ahl´e od zamˇeˇrov´an´ı a mapov´an´ı topografie ter´enu pˇres vytv´aˇren´ı pˇresn´ ych tvarov´ ych model˚ u mal´ ych pˇredmˇet˚ u aˇz po jeho pouˇzit´ı v meteorologii, nebo pro vojensk´e aplikace.
2.1
Princip mˇ eˇ ren´ı vzd´ alenosti
Z´akladn´ım principem LASERov´ ych d´alkomˇer˚ u je zmˇeˇren´ı nˇejak´e modifikace sign´alu odraˇzen´eho od pˇredmˇetu a zn´am´eho sign´alu vyz´aˇren´eho vys´ılaˇcem. Existuje nˇekolik pouˇz´ıvan´ ych metod, kter´e umoˇzn ˇuj´ı tento obecnˇe slab´ y jev zmˇeˇrit. • Mˇeˇren´ı geometrick´eho posunu stopy laseru na pˇredmˇetu 3
• Mˇeˇren´ı f´azov´eho posunu pˇrij´ıman´eho a vys´ılan´eho sign´alu • Mˇeˇren´ı ˇcasov´eho zpoˇzdˇen´ı vyslan´eho a odraˇzen´eho fotonu (TIME-OF-FLIGHT measurement). 2.1.1
Geometrick´ a metoda
Tato metoda mˇeˇren´ı je zaloˇzena na geometrick´e vlastnosti svˇeteln´eho paprsku, ˇze svˇetlo se v homogenn´ım prostˇred´ı ˇs´ıˇr´ı pˇr´ımoˇcaˇre. Toho lze vyuˇz´ıt tak, ˇze pouˇzijeme li zdroj svˇetla, kter´ y vyd´av´a m´alo rozb´ıhav´ y svˇeteln´ y paprsek (LASER) a pod urˇcit´ ym u ´hlem v˚ uˇci ose pozorovatele jej budeme prom´ıtat na pˇredmˇet, tak pozorovatel bude m´ıt svˇetelnou stopu v r˚ uzn´ ych bodech zorn´eho pole podle vzd´alenosti pˇredmˇetu. Tato metoda, je velice snadn´a a proto existuje mnoho realizac´ı od amat´ersk´ ych konstrukc´ı aˇz po profesion´aln´ı v´ yrobky. Obvykle jsou t´ımto zp˚ usobem ˇreˇseny 3D skenery mal´ ych pˇredmˇet˚ u, jako jsou v´azy, nebo jin´a umˇeleck´a d´ıla, kter´a je vhodn´e zdokumentovat. Skener pak pro urychlen´ı procesu nepouˇz´ıv´a pouze svˇeteln´ y bod, kter´ y laser obvykle produkuje ale vyuˇz´ıv´a se cylindrick´e ˇcoˇcky, kter´a svazek rozˇs´ıˇr´ı do roviny ve smˇeru ˇrezu pˇredmˇetu. V tomto uspoˇra´d´an´ı totiˇz pak staˇc´ı s LASERem, nebo prom´ıtac´ım zrc´atkem h´ ybat pouze v jedn´e ose, pro kompletn´ı 3D scan. Ke sn´ım´an´ı obrazu je v tomto pˇr´ıpadˇe obvykle vyuˇz´ıv´an maticov´ y sn´ımaˇc, CCD, nebo CMOS. A metoda funguje pouze v rozsahu vzd´alenost´ı dan´ ych u ´hlem ve kter´ ym je laser na pˇredmˇet prom´ıt´an a tak´e velikost´ı zorn´eho pole sn´ımaˇce. Z praktick´ ych d˚ uvodu je proto tato metoda vyuˇz´ıv´ana v rozsahu nˇekolika centimetr˚ u aˇz nˇekolika metr˚ u. 2.1.2
F´ azov´ a metoda
U t´eto metody je jiˇz vyˇz´ıv´ana samotn´a vlastnost svˇetla, ˇze se prostorem ˇs´ıˇr´ı pouze omezenou rychlost´ı. A mˇeˇren´ı je prov´adˇeno tak, ˇze vys´ılaˇc vys´ıl´a urˇcit´ ym zp˚ usobem periodicky modulovan´ y sign´al, kter´ y se odr´aˇz´ı od pˇredmˇetu a dopad´a na intenzitn´ı detektor, kter´ y umoˇzn ˇuje jeho ˇcasovou korelaci s modulovan´ ym odchoz´ım sign´alem. V´ ysledkem mˇeˇren´ı tedy je f´azov´e spoˇzdˇen´ı odpov´ıdaj´ıc´ı urˇcit´e vzd´alenosti. Pˇredpokl´adateln´ ym probl´emem t´eto metody ale je fakt, ˇze zp˚ usob modulace pˇr´ımo ovlivˇ nuje mˇeˇren´ y rozsah tj. mˇeˇren´ı vzd´alenosti je moˇzn´e pouze na rozsahu jedn´e periody modulace. A vzhledemk tomu, ˇze mˇeˇren´a vzd´alenost nen´ı dopˇredu zn´ama, tak je potˇreba aby vys´ılaˇc umoˇzn ˇoval mnoho zp˚ usob˚ u modulace vys´ılan´eho svazku. Dalˇs´ı komplikac´ı pak je poˇzadavek na dobrou reflexivitu mˇeˇren´eho pˇredmˇetu, protoˇze f´azov´ y detektor potˇrebuje ke sv´e spr´avn´e funkci dostateˇcn´ y odstup s´ıgn´alu od ˇsumu. Metoda se proto obvykle vyuˇz´ıv´a pro mˇeˇren´ı vzd´alenost´ı v mal´em rozsahu ˇra´dovˇe des´ıtky metr˚ u a m´enˇe. Typyck´ ym pˇr´ıkladem vyuˇzit´ı t´eto mˇeˇr´ıc´ı metody jsou kapesn´ı stavebn´ı d´alkomˇery urˇcen´e, jako n´ahrada svinovac´ıch metr˚ u. Tato f´azov´a metoda m´a jeˇstˇe dalˇs´ı variaci a to tu, ˇze jako modulaci sign´alu je moˇzn´e v urˇcit´ ych podm´ınk´ach vyuˇz´ıt samotnou vlnovou strukturu svˇetla, a vys´ılan´ y i od pˇredmˇetu odraˇzen´ y svazek nechat interferovat na maticov´em sn´ımaˇci. V´ ysledn´a interference je velmi citliv´a na vz´ajemn´ y f´azov´ y posun obou svazk˚ u ve zlomc´ıh vlnov´e d´elky. 4
T´ım lze dos´ahnout velmi velk´eho prostorov´eho rozliˇsen´ı ve smyslu mˇeˇren´ı zmˇen vzd´alenosti aˇz na atom´arn´ı u ´roveˇ n tedy des´ıtky aˇz jednotky nanometr˚ u. Tento princip je pak vyuˇz´ıv´an ve specializovan´ ych aplikac´ıch, jako jsou velmi pˇresn´e obr´abˇec´ı automaty, AFM mikroskopy, detektory gravitaˇcn´ıch vln, nebo ˇspion´aˇzn´ı zaˇr´ızen´ı mˇeˇr´ıc´ı zvukem vybuzen´e vibrace okenn´ıch v´ ypln´ı. 2.1.3
Mˇ eˇ ren´ı doby letu (TOF)
Dalˇs´ı metodou, kterou m´ uˇzeme vyuˇz´ıt pro mˇeˇren´ı vzd´alenosti na z´akladˇe zn´am´e a koneˇcn´e rychlosti ˇs´ıˇren´ı svˇetla, je zmˇeˇren´ı doby letu urˇcit´eho bal´ıku foton˚ u, kter´ y vygenerujeme vys´ılaˇcem a n´aslednˇe po odrazu od mˇeˇren´eho objektu detekujeme v detektoru. Zmˇeˇren´a doba letu pak odpov´ıd´a dvojn´asobku vzd´alenosti mezi vys´ılaˇcem a mˇeˇren´ ym pˇredmˇetem. ct (1) 2n Kde c je rychlost ˇs´ıˇren´ı elektromagnetick´eho z´aˇren´ı ve vakuu, n je index lomu prostˇred´ı a t je zmˇeˇren´a doba letu. Veliˇcina d je pak vzd´alenost pˇredmˇetu, kterou potˇrebujeme zmˇeˇrit. Pˇri mˇeˇren´ı se tak pˇredpokl´ad´a homogenn´ı prostˇred´ı ve kter´em se svˇetlo ˇs´ıˇr´ı, nebo alespon prostˇred´ı o nˇejak´e zn´am´e efektivn´ı hodnotˇe indexu lomu. Tato metoda m´a vzhledem k pˇredchoz´ım podstatnou v´ yhodou pˇredevˇs´ım v tom, ˇze jej´ı princip umoˇznuje zmˇeˇrit vzd´alenosti v obrovsk´em rozsahu a pˇritom neklade vysok´e n´aroky na odstup sign´alu od ˇsumu. Bˇeˇznˇe se proto vyuˇz´ıv´a napˇr´ıklad pro mˇeˇren´ı a n´asledn´e v´ ypoˇcty korekc´ı drah druˇzic, nebo i mˇeˇren´ı pod´eln´ ych paramer˚ u optick´ ych komunikaˇcn´ıch vl´aken, kde je metoda zn´ama, jako TDR (Time domain refractometry) Moˇznosti pouˇzit´ı nav´ıc nejsou omezeny pouze na klasick´e svˇeteln´e vlnov´e d´elky, ale stejn´ y princip lze uplatnit napˇr´ıklad i pˇri pouˇzit´ı r´adiov´ ych vlnov´ ych d´elek, coˇz by u pˇredchoz´ıch metod nebylo moˇzn´e vzhledem k problematick´e konstrukci element˚ u, jako jsou ˇcoˇcky, zrcadla, nebo maticov´e detektory pro r´adiov´e vlny. Moˇznosti aplikace metody mˇeˇren´ı doby letu jsou tak roz´ahl´e, ˇze z n´ı vych´az´ı i dalˇs´ı pˇristroje, jako radiolok´atory nebo echolok´atory. Tato pr´ace je proto zamˇeˇrena pr´avˇe na tento princip mˇeˇren´ı, protoˇze jeho dosah a pˇresnost je zaj´ımav´a napˇr´ıklad i pro meteorologick´e aplikace a tedy vyuˇziteln´a i pro zat´ım nedoˇreˇsen´e oblasti jako je mˇeˇren´ı parametr˚ u oblaˇcnosti napˇr´ıklad nad modern´ımi robotick´ ymi astronomick´ ymi teleskopy. d=
2.2 2.2.1
Poˇ zadavky na laserov´ y vys´ılaˇ c Vlnov´ a d´ elka
Vhodn´a vlnov´a d´elka v´ ystupn´ıho z´aˇren´ı laserov´eho vys´ılaˇce z´aleˇz´ı na mnoha faktorech, jako je napˇr´ıklad absorpce v m´ediu vyplnuj´ıc´ım prostor mezi vys´ılaˇcem a detekovan´ ym pˇredmˇetem, nebo i spektr´aln´ı odrazivost mˇeˇren´eho objektu. Pro modelovou aplikaci mˇeˇren´ı v´ yˇsky a mohutnosti oblaˇcnosti jsou vhodn´e kr´atk´e vlnov´e d´elky z optick´eho oboru elektromagnetick´eho z´aˇren´ı. Je to d´ano jednak vlastnosmi atmosf´ery, kter´a dobˇre 5
propouˇst´ı vlnov´e d´elky z oblasti viditeln´eho spektra. A potom t´ım, ˇze svˇetlo z kraˇc´ıch vlnov´ ych d´elek (modr´a oblast) se dobˇre odr´aˇz´ı na oblaˇcnosti a vodn´ıch krystalech.
Obr´azek 1: Z´avislost transmisivity such´e atmosf´ery na vlnov´e d´elce z´aˇren´ı Ovˇsem vzhledem k tomu, ˇze na kr´atk´ ych vlnov´ ych d´elk´ach smˇerem k UV oblasti pomˇernˇe strmˇe stoup´a vliv neˇza´douc´ıho Rayleighova rozptylu, kter´ y omezuje pouˇziteln´ y dosah mˇeˇren´ı. Tak je vhodn´e pouˇz´ıt stˇredn´ı vlnovou d´elku optick´eho z´aˇren´ı, ze zelen´e oblasti spektra. 2.2.2
D´ elka v´ ystupn´ıho impulzu
V pˇr´ıpadˇe, ˇze n´as zaj´ım´a metoda zaloˇzen´a na mˇeˇren´ı doby letu, tak od laserov´eho vys´ılaˇce budeme tak´e poˇzadovat, aby umoˇzn ˇoval generovat kr´atk´e ˇcasov´e impulzy. Coˇz je d˚ uleˇzit´e proto, protoˇze kr´atk´ y ˇcasov´ y impulz umoˇzn ˇuje dos´ahnout lepˇs´ıho ˇcasov´eho rozliˇsen´ı pˇri mˇeˇren´ı a t´ım p´adem i lepˇs´ı prostorov´e rozliˇsen´ı pˇri mˇeˇren´ı vzd´alenosti. Je to d´ano t´ım, ˇze v impulzu je obvykle vysl´ano velk´e mnoˇzstv´ı foton˚ u ale zp´atky do detektoru se jich vr´at´ı pouze nˇekolik. A v pˇr´ıpadˇe dlouh´eho impulzu pak nejsme schopni urˇcit z kter´e ˇc´asti impulzu n´am foton pˇriˇsel. Pro pˇr´ıpad mˇeˇren´ı v´ yˇsky z´akladny oblaˇcnosti, kter´a sama o sobˇe nem´a pˇr´ıliˇs strm´ y pˇrechod je zbyteˇcn´e mˇeˇrit s pˇresnost´ı lepˇs´ı, neˇz ˇra´dovˇe metry. Proto staˇc´ı od laserov´eho vys´ılaˇce poˇzadovat d´elky pulz˚ u kratˇs´ı, neˇz stovky nanosekund. 2.2.3
Energie impulzu
Energie v´ ystupn´ıho impulzu je ide´alnˇe co nejvˇetˇs´ı, aby bylo dosaˇzeno vysok´e pravdˇepodobnosti zachycen´ı nˇekter´eho zpˇetnˇe odraˇzen´eho fotonu. Ale vzhledem k tomu, ˇze je tˇreba br´at ohled i na bezpeˇcnostn´ı rizika takov´eho syst´emu, tak je potˇreba se drˇzet povolen´ ych norem pro intenzity elektromagnetick´eho z´aˇren´ı. 6
3
LASERy
V dneˇsn´ı dobˇe existuje mnoho typ˚ u LASER˚ u. Avˇsak pouze mal´a ˇc´ast z nich je v hodn´a pro pouˇzit´ı v LASERov´ ych d´alkomˇerech. Omezen´ım ˇcasto b´ yvaj´ı rozmˇery aparatury, hmotnost, poˇrizovac´ı cena, provozn´ı podm´ınky a odolnost pˇri manipulaci.
3.1
Pevnol´ atkov´ y diodovˇ eˇ cerpan´ y LASER
Jde o typ LASERu, kter´ y jako aktivn´ıho prostˇred´ı vyuˇz´ıv´a pevnol´atkov´ y krystal
3.2
Koherentn´ı ˇ cerp´ an´ı
3.3
Relaxaˇ cn´ı kmity LASERu
3.4
Mˇ eˇ ren´ı kr´ atk´ ych svˇ eteln´ ych impuzl˚ u
4
Konstrukce vys´ılaˇ ce
Obr´azek 2: Z´avislost transmisivity such´e atmosf´ery na vlnov´e d´elce z´aˇren´ı
7
5
ˇ ıd´ıc´ı elektronika R´
5.1
ˇ Cerpac´ ı dioda
5.2
Buzen´ı ˇ cerpac´ı diody
8
Seznam obr´ azk˚ u 1 2
Z´avislost transmisivity such´e atmosf´ery na vlnov´e d´elce z´aˇren´ı . . . . . Z´avislost transmisivity such´e atmosf´ery na vlnov´e d´elce z´aˇren´ı . . . . .
9
6 7
Reference [1] Zdroj obr´azku reflektivity oblaˇcnosti
10
