Сколько импульсов посылает лазер за 1 секунду
Перейти к содержимому

Сколько импульсов посылает лазер за 1 секунду

  • автор:

Непрерывный волоконный лазер VS Импульсный волоконный лазер

Это механическая форма, такая как волны (радиоволны/внезапные волны и т. д.), излучаемые в один и тот же интервал времени.

лазерный импульс

Это относится к импульсу света, излучаемому лазером в импульсном режиме работы. Проще говоря, это похоже на работу фонарика. Удерживание кнопки во включенном состоянии — это непрерывная работа, а при включении переключателя он тут же выключается.

Если он выпадает, он посылает «световой импульс». Необходимо работать с импульсами, например посылать сигналы и уменьшать тепловыделение. Лазерные импульсы можно сделать очень короткими, например, «пикосекунды».

уровень, то есть длительность импульса порядка пикосекунд, а 1 пикосекунда равна одной триллионной секунды (10Е-12 секунд)

Непрерывный лазер

Источник лазерной накачки непрерывно подает энергию для генерации лазерного излучения в течение длительного времени, таким образом получая непрерывный лазер. Выходная мощность непрерывного лазера обычно низкая, что подходит для непрерывной работы лазера. (например, лазерная связь, лазерная хирургия и т. д.)

Преимущества гигантского импульсного лазера и лазера непрерывного действия

гигантский импульсный лазер

В резонаторе искусственно добавляют потери, чтобы сделать их больше, чем коэффициент усиления рабочего вещества, а лазерного луча в это время нет. Однако при непрерывном возбуждении источника накачки число атомов на верхнем энергетическом уровне лазера увеличивается, и получается большая инверсия населенностей. Если пиковая мощность определяется как энергия импульса, деленная на длительность импульса (длительность импульса), то в случае устранения искусственно добавленных потерь узкой ширины импульса пиковая мощность может генерироваться с чрезвычайно высокой скоростью. скорость в очень короткие сроки. Высокоимпульсные лазеры, часто называемые гигантскими импульсными лазерами.

Непрерывный лазер

Непрерывный лазер, как следует из его названия, использует выходной сигнал непрерывно во времени, импульсный лазерный выход является прерывистым, а самая короткая коммерческая энергия может достигать порядка нескольких фемтосекунд, поэтому импульсный лазер часто используется для измерения. Сверхбыстрый физический процесс. Но у непрерывного лазера есть и преимущества. После стабилизации частоты можно получить очень узкую ширину линии, которую можно использовать для лазерной локации и тонкой спектроскопии.

Сколько импульсов посылает лазер за 1 секунду

Доктор физико-математических наук О. Костко, профессор, академик Международной академии экологии и природопользования

Почти сто лет назад в нашей стране начались первые работы по измерению плотности облаков оптическим методом — с помощью луча прожектора. Сегодня оптическое зондирование стало одним из самых надежных и точных методов исследования атмосферы. Лазерный луч способен обнаружить несколько молекул посторонних примесей в триллионе молекул воздуха на высоте десятки километров.

История оптического зондирования атмосферы началась в 1905 году, когда наш соотечественник В. В. Кузнецов измерил ночью высоту облаков с помощью мощного прожектора. Луч был направлен вертикально вверх, а прибор, регистрирующий рассеянный облаком свет, установлен на определенном расстоянии от прожектора. Изменяя угол наблюдения, из простых геометрических соотношений он определил высоту облаков, наиболее интенсивно рассеивающих свет.

Прожекторное зондирование атмосферы развивалось в течение 50 лет — от простого измерения высоты облаков до определения общего содержания молекул в единице объема воздуха на различных высотах (до 70 километров). Однако возможности даже самого мощного прожектора оказались на этом практически исчерпанными, хотя с помощью различных технических ухищрений и можно было попытаться повысить потолок зондирования. Но делать этого уже не пришлось: в 1960 году был создан принципиально новый источник излучения — лазер, а спустя три года итальянский ученый Дж. Фиокко опубликовал первую работу о лазерном зондировании атмосферы. Годом позже он же провел измерения высоты и толщины серебристых облаков, образующихся на высотах 73 — 83 километров.

В нашей стране первые лазерные эксперименты по изучению атмосферы начала в 1965 году Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО) Госкомгидромета. На исследовательском самолете Ил-18 установили лазерный локатор и всего за несколько полетов получили сведения о поляризации излучения, рассеянного облаками. Эта летающая лаборатория около пятнадцати лет изучала различные типы облаков; результаты измерений, полученные с помощью лазера, контролировались другими методами.

Большая часть существующих ранее методик по измерению характеристик атмосферы была основана на контактных способах. Хотите узнать, например, каковы температура или состав атмосферы выше земной поверхности, — извольте поместить ваш прибор на самолет, шар-пилот, метеорологическую или геофизическую ракету, искусственный спутник Земли. Методы радиолокации ограничены измерениями интенсивности осадков и количества влаги в атмосфере, а состав самой атмосферы определить уже нельзя — газы поглощают радиоволны в тысячу раз слабее, чем водяной пар.

Именно дистанционность лазерных измерений, возможность определить выбранную характеристику воздушной среды на любом направлении лазерного луча и получить самые разнообразные сведения о свойствах атмосферы на различных высотах, хорошее пространственно-временное разрешение (детальное исследование облака, слоя атмосферы и т. д. за короткое время), связанное с малой длительностью импульса и высокой частотой повторения импульсов лазера, и стимулировали столь интенсивное развитие этих методов.

Но прежде чем рассказать о некоторых полученных результатах, остановимся на физических процессах взаимодействия лазерного излучения с воздушной средой.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

В большинстве первых экспериментов по лазерному зондированию атмосферы использовались импульсные лазеры с достаточно скромными характеристиками, например лазер на рубине (длина волны излучения 694,3 нм, 1 нм = 10 -9 м) с энергией излучения в импульсе 0,1-1 Дж, при длительности импульса 30 наносекунд (1 нс = 10 -9 с). Это означает, что в атмосферу из лазера со скоростью света («3.10 8 м/с) выбрасывается «пачка» фотонов, причем, грубо говоря, последний фотон вырывается из лазера позже первого на 30 наносекунд. Такая пачка фотонов — световой зонд — за тысячную долю секунды пролетает сквозь трехсоткилометровую толщу атмосферы. Пространственная протяженность зонда в данном случае составляет L = 9 м ( L = ct , где с — скорость света, t — длительность импульса). Обычно эту величину делят пополам и называют локационной протяженностью импульса. Не будем уточнять, зачем это делают, главное, что импульс такой длительности занимает в пространстве несколько метров. Отсюда и высокое пространственное разрешение: зондируя облака, например, можно определять интенсивность рассеянного света через каждые несколько метров, или, другими словами, изучать тонкую структуру облака.

При энергии излучения лазера на рубине 1 Дж световой зонд содержит 3,5.10 18 фотонов. Для сравнения: солнечное излучение, приходящее на границу верхней атмосферы каждые 30 наносекунд, на длине волны излучения рубинового лазера «поставляет» всего лишь 10 8 фотонов. Излучение лазера когерентно и монохроматично: число фотонов, имеющих чуть большую или меньшую длину волны излучения по сравнению с основной, обычно не превышает сотые доли процента. Эти свойства определяют возможности лазерного зондирования, их огромные преимущества по сравнению, например, с прожекторным лучом.

Налетая на молекулу или частицу аэрозоля, фотон может участвовать в нескольких процессах. Первый: фотон полностью передает свою энергию, например молекуле. Вещество нагревается, а сам фотон исчезает — это процесс поглощения. Второй: фотон при столкновении изменяет направление движения — происходит рассеяние.

Столкнувшись с молекулой, фотон может поглотиться с последующим испусканием других фотонов. Это третий процесс — спонтанное комбинационное рассеяние (СКР).

Если частота энергетического перехода в спектре атома совпадает с частотой излученного лазером фотона, наблюдается процесс резонансного рассеяния (РР).

Молекулы и атомы воздуха находятся в хаотическом, тепловом движении, а аэрозоли, более тяжелые частички, переносит ветер. Вспомним еще одно физическое явление — эффект Доплера. В акустике этот эффект проявляется как изменение частоты звуковых колебаний, которые регистрирует наблюдатель при приближении или удалении источника звука. Явление Доплера характерно и для электромагнитных волн.

Фотоны, которые упали на молекулы и рассеялись, изменяют частоту. Так как хаотическое движение молекул происходит с разными скоростями и во всех направлениях, в рассеянном излучении наблюдается целый спектр частот — происходит доплеровское уширение линии излучения лазера. Такое явление использовалось ранее, например, для определения температуры верхних слоев атмосферы по линиям излучения полярных сияний (скорость молекул зависит от температуры). А аэрозоли испытывают направленное движение — возникает доплеровский сдвиг частоты. Этот эффект используется, в частности, астрофизиками для определения скорости разлетающихся галактик.

Интенсивность процесса поглощения находят по величине поперечного сечения поглощения одной молекулой, а произведение этой величины на число молекул в единице объема есть показатель поглощения данной среды. Аналогично эффективность рассеяния определяется величиной показателя рассеяния. Сумма показателей поглощения и рассеяния есть показатель ослабления средой данного излучения; ослабление происходит по закону Бугера (см. словарик к статье).

И последнее. Процессы рассеяния характеризуются индикатрисой рассеяния — безразмерной величиной, показывающей, какая часть фотонов отклоняется от первоначального направления движения на тот или иной угол после взаимодействия с молекулами или аэрозолями. Очень важно, что небольшая часть фотонов (при молекулярном рассеянии 12%, при аэрозольном — около 3%) все-таки, испытав рассеяние, направляется обратно к лазеру. А это позволяет поставить рядом с ним приемник фотонов, то есть осуществить локационный принцип измерений, создать лазерный локатор — лидар.

Этот прибор по принципиальному устройству аналогичен радиолокатору (радару), а назван по аббревиатуре английских слов Light Detection and Ranging — «свет детектирует и измеряет расстояние».

В приемной системе лидара используется приемная оптическая антенна (объектив, телескоп и т. п.), в фокусе которой расположен фотоприемник (обычно фотоэлектронный умножитель — ФЭУ). Приходящие «назад» фотоны собираются оптической антенной, на фотокатоде ФЭУ преобразуются в фотоэлектроны, возникающий электрический ток усиливается и поступает на регистрирующее устройство. Самое простое из них, которое, правда, уже давно не применяется, — осциллограф, но для объяснения работы лидара воспользуемся этим наглядным прибором. Луч осциллографа начинает движение по экрану в момент излучения в атмосферу лазерного импульса. Развертка осциллографа калибруется в единицах времени, а так как скорость движения лазерного зонда известна (скорость света), то каждая точка на луче осциллографа определяет расстояние от лидара.

Но вот луч лазера встретил на своем пути облако или слой аэрозолей. Рассеяние фотонов резко увеличилось, большее их количество возвращается назад к приемной оптической антенне, возрастает фототок, и на экране осциллографа появляется импульс, обусловленный сигналом обратного рассеяния. На участках трассы bc и de облаков нет, аэрозолей мало и величина сигнала уменьшается.

Конечно, прибор, поясняющий работу лидара, и, скажем, лидар для измерений стратосферного озона похожи не более, чем грозоотметчик Попова на современный радиоприемник. Оптические передающие антенны, сужающие лазерный луч, различные спектральные приборы, позволяющие анализировать принятое излучение, специальные системы приема (при слабых сигналах — в режиме счета отдельных фотонов) и отображения уже геофизической информации — далеко не полный перечень всех блоков современных лидаров.

Заметим, что лазерный зонд в отличие от метеорологических ракет или шаров-пилотов «поднимается» практически мгновенно и дает сведения по всей трассе измерений во много раз быстрее, чем изменяется состояние атмосферы.

Самым неприятным обстоятельством при лазерном зондировании оказывается плотная облачность. Ослабление лазерного излучения в ней огромно, и с поверхности Земли уже нельзя получить сведения о состоянии атмосферы выше облаков. Выход один — зондировать атмосферу с космических аппаратов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Лидар аналогичен радару не только по принципиальному устройству. На экране радара оператор видит отражение радиоимпульса от цели, определяет дальность до нее, скорость ее полета. По характеристикам отраженного сигнала можно судить о размерах цели, отличить легкий спортивный самолет от большого лайнера, но определить, скажем, химический состав крыла самолета невозможно. На экране лидара сигнал от самолета или ракеты аналогичен сигналу, наблюдаемому на радаре. При зондировании атмосферы принципиальное различие, кроме диапазона используемых длин волн, состоит в том, что наблюдается сигнал обратного рассеяния, а не отражения. Лазерный зонд, стремительно движущийся по трассе, непрерывно посылает часть рассеянных фотонов из разных слоев атмосферы на своем пути. Конечно, по интенсивности сигнала можно судить, например, о мощности аэрозольных слоев или оптической плотности облака, измерять их высоту, а для неплотных облаков — и толщину.

Специалиста-геофизика интересует — из капелек или кристалликов состоит облако, сколько их в единице объема, какова концентрация аэрозолей в наблюдаемом слое, температура, плотность, химический состав атмосферы и многое другое. Иными словами, от величины сигнала обратного рассеяния необходимо перейти к физическим характеристикам атмосферы. Это весьма сложная проблема сразу же привлекла внимание физиков-теоретиков. Поэтому неудивительно, что в первые же десятилетия лазерного изучения атмосферы создавались и совершенствовались сложные теории, позволяющие по величине принятого сигнала определять различные характеристики атмосферы.

Одновременно появились лидарные методы дистанционного измерения прозрачности приземного слоя воздуха (ранее для этого использовались источники света и приемники, стоящие в противоположных концах оптического пути). Лидары позволяют проводить измерения на любых трассах, причем с высоким пространственным разрешением, что особенно важно для аэродромных служб.

Лидарные измерения концентраций аэрозолей и малых газовых примесей, загрязняющих воздушный бассейн промышленных центров, — еще одно быстро развивающееся направление контроля нижней тропосферы. Они позволяли обойтись без использования контактных датчиков, работавших в основном только в пределах десятков метров от земной поверхности (если прибор, скажем, установлен на крыше высокого здания), и дистанционно определять стратификацию, пространственную протяженность, динамику развития, распространение и распределение аэрозольных слоев техногенного происхождения, оценивать концентрацию аэрозолей.

В 1967 году была опубликована первая работа о попытке лазерных измерений концентрации газов в тропосфере с помощью спонтанного комбинационного рассеяния (СКР). Поперечное сечение СКР одной молекулы известно (вычислено; измерено в лабораториях), а сигнал обратного рассеяния определяется его произведением на содержание молекул в единице объема воздуха. Каждый газ из-за различной частоты внутримолекулярных колебаний характеризуется своими частотами комбинационного рассеяния, сдвинутыми от основной частоты падающего лазерного излучения. Поэтому в спектре рассеянного излучения наблюдаются две системы линий, лежащих симметрично по обе стороны частоты возбуждения. Длинноволновая линия значительно интенсивнее коротковолновой, которую для измерений обычно не используют. Так, если в атмосферу излучен импульс лазером на рубине (длина волны излучения 694,3 нм), то сигнал от молекул N 2 поступит на длине волны 828,3 нм, от О 2 — 778,4 нм, от N 2 О — 758,8 нм.

Поставив в приемную систему лидара перед ФЭУ узкополосные оптические фильтры, монохроматор или другие оптические приборы, можно измерить величину сигнала на выбранной длине волны и определить концентрацию того или иного газа. Причем определить в любом объеме по трассе зондирования: в шлейфе заводской трубы, на автостраде, над кратером вулкана. Поперечные сечения СКР невелики, но возрастают с переходом в коротковол новую часть спектра. Дальнейшие исследования позволили измерить концентрацию многих газовых примесей, составить «карты» загрязняющих воздух газов в промышленных центрах. Метод СКР позволяет измерить единицы — десятки молекул загрязняющего атмосферу газа на миллион молекул воздуха.

Значительно большей чувствительностью обладает метод дифференциального поглощения (ДП), основанный на сравнении сигналов обратного рассеяния в области сильного и слабого поглощения газом.

Представим, что в атмосферу посылаются импульсы от лазера, генерирующего ультрафио летовое излучение на длинах волн 308 и 353 нанометра. Излучение на первой длине волны будет поглощаться молекулами озона более чем в тысячу раз сильнее по сравнению со второй. Поэтому сигналы их обратного рассеяния окажутся различными. Теоретические методы позволяют, сравнивая величины этих сигналов, найти концентрацию озона на выбранной высоте атмосферы. А анализируя изменение величин сигналов обратного рассеяния с высотой, можно определить и распределение концентрации молекул озона по трассе лазерного луча. И что очень важно, метод дифференциального поглощения позволяет определить уже единицы — десятки молекул газа на триллион молекул воздуха. А так как каждый газ в силу «оригинальности» собственной молекулы имеет различные участки поглощения по шкале длин волн, сейчас проводятся измерения концентрации практически всех малых газовых примесей, присутствующих в воздушном бассейне, в том числе и газов антропогенного происхождения.

Одна из основных задач лидарных наблюдений в стратосфере — контроль стратосферного аэрозоля, находящегося в основном на высоте 15-25 километров. В стратосферу из тропосферы непрерывно попадают различные сернистые соединения, образующие постоянный слой аэрозоля в виде капелек 75%-ного раствора серной кислоты радиусом около 0,03 микрона. Но во время сильных вулканических извержений в стратосферу выбрасывается до 100 миллиардов кубометров твердых частичек и сернистого газа, который при растворении в атмосферной влаге также превращается в капельки серной кислоты. Мощный слой аэрозоля заметно ослабляет солнечное излучение, изменяя температуру тропосферы и стратосферы. Климатологами показано, что в приземном слое воздуха в течение нескольких лет после крупных вулканических извержений температура понижается на 1-2 о С, и это способствует изменению климата и увеличению частоты экстремальных метеорологических явлений.

Не менее интересные результаты получены при лидарных исследованиях слоя атомарного натрия, который попадает в атмосферу в результате распада метеоритов (а затем лития и калия) в верхней атмосфере с использованием эффекта резонансного рассеяния (РР).

Как и любая квантовая система, атом натрия имеет несколько энергетических уровней. Переход с основного на более высокий уровень сопровождается поглощением излучения на длине волны 589 нанометров. Лазерное излучение, имеющее такую длину волны, достигает слоя паров натрия, который постоянно находится на высоте от 80 до 110 километров, и начинает взаимодействовать с атомами. Лазерный фотон поглощается, возбуждая атом; за время около 10 -8 секунды происходит переизлучение на той же длине волны, и атом натрия возвращается в основное состояние. Сигнал обратного рассеяния вызывается практически только наличием атомов натрия.

Результаты этих измерений позволили узнать много нового о так называемых гравитационных волнах в атмосфере (см. словарик к статье), сезонном и широтном распределении слоя паров натрия, суточных изменениях интенсивности метеорных потоков.

Для прогноза погоды необходимы постоянные измерения характеристик атмосферы и в первую очередь — распределения с высотой температуры, влажности, давления, скорости и направления ветра. Для этого примерно в трехстах точках Советского Союза с кораблей погоды, в Арктике и Антарктиде несколько раз в сутки запускались радиозонды — шары-пилоты с приборами, определяющими первые три параметра. Радиолокатор следил за полетом радиозонда (его потолок достигал 25-30 километров), измеряя скорость и направление ветра и принимая сигналы с борта радиозонда о распределении температуры, давления и влажности. Радиозонд — прибор одноразовый, и развитие лазерного зондирования стимулировало разработку методов и лазерной аппаратуры для определения указанных характеристик (их часто называют стандартными).

Используя эффект Доплера, лидарная аппаратура позволяет с поверхности Земли до высоты 15 километров измерять скорость и направление ветра, распределение влажности в тропосфере и нижней атмосфере, температуры до высоты около 100 километров.

Последнее десятилетие ХХ века стало временем регулярных геофизических наблюдений на десятках лидарных станций в разных точках Земли за состоянием стратосферного аэрозоля и озона.

Лазеры ставят на исследовательские самолеты и космические аппараты для нахождения верхней границы облаков, измерения характеристик стратосферного аэрозоля, глобальной циркуляции атмосферы, изучения свойств перистой облачности, которая играет большую роль в поглощении и отражении излучения земной поверхности и, следовательно, во многом определяет погоду и климат.

В последние десятилетия создаются новые лидары на базе современных лазеров. Они не только позволяют повысить точность измерений, но и дают возможность измерять сразу несколько характеристик атмосферы.

Работы по лазерному зондированию атмосферы начали вести в 60-70-е годы XX века молодые отечественные исследователи, чаще всего пришедшие со студенческой скамьи. Техника создавалась буквально на пустом месте: молодые ученые сами разрабатывали лазеры, оптические и радиотехнические устройства, конструировали наземную и самолетную аппаратуру. Это было время ученых-романтиков, мечта которых — удачные новые измерения, интересный доклад или статья о своей работе.

Те, кто видел, как лазерный луч уходит в ночное небо, как тонкая зеленая игла лазера на гранате или темно-красная на рубине пронзает воздушный океан, теряясь в космических далях, навсегда запомнили это фантастическое зрелище. Образ стремительного лазерного луча создается в стихах испанского поэта Федерико Гарсиа Лорки, хотя написаны они не о лазере:

Острая звезда — алмаз,
Глубину небес пронзая,
Вылетела птицей света
Из неволи мирозданья.

СЛОВАРИК К СТАТЬЕ

Аэрозоли — в геофизике — твердые или жидкие частички, присутствующие в атмосфере: капельки и кристаллики облаков, частички пыли, вулканических извержений и т. д.

Аэрозольное рассеяние — рассеяние света на аэрозолях; величина показателя рассеяния меняется в широких пределах, так как зависит от концентрации аэрозолей в атмосфере. Как правило, в нижней тропосфере показатель аэрозольного рассеяния в сотни — тысячи раз превышает показатель молекулярного рассеяния.

Гравитационные волны — колебания атмосферы с длиной волны 100 метров — 1000 километров и периодом колебаний от 10 минут до 24 часов, природа которых в значительной мере определяется действием силы тяжести.

Закон Бугера — физический закон, согласно которому интенсивность света убывает в поглощающем веществе экспоненциально: I = I 0 e -kl , где I — интенсивность света, прошедшего слой вещества толщиной l с показателем преломления k; I 0 — интенсивность падающего света.

Когерентность — согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, при котором разность фаз двух колебаний остается постоянной во времени.

Молекулярное рассеяние — рассеяние света на атмосферных неоднородностях, размер которых сравним с длиной падающего излучения. Такие неоднородности в основном обусловлены флуктуациями плотности воздуха. Показатель молекулярного рассеяния возрастает с частотой света v , как v 4 , что, например, объясняет голубой цвет неба: коротковолновое излучение рассеивается наиболее интенсивно. В честь английского физика Дж. Рэлея, исследовавшего это явление, молекулярное рассеяние часто называют рэлеевским.

Монохроматическое излучение — излучение одной определенной и строго постоянной частоты.

Поляризация света (излучения) — совокупность физических явлений, в которых проявляются свойства поперечности световых волн. Свет называется поляризованным, если в световой волне существует выделенное направление колебаний векторов напряженности электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распределения волны.

Резонансное рассеяние — физическое явление, заключающееся в том, что в спектре рассеянного света наблюдается интенсивная линия с частотой падающего света. Этот процесс происходит, когда частота падающего света равна частоте переходов между уровнями энергии квантовой системы или близка к ней.

Серебристые облака — самые высокие из облаков планеты. Образуются в области мезопаузы (~80 км), где существует минимум температуры атмосферы (до -130 о С); наблюдаются преимущественно в летние месяцы в высоких широтах обоих полушарий; состоят из кристалликов льда.

Смог — повышенная концентрация аэрозолей и некоторых газовых примесей в приземном слое воздуха. Возникает в воздушном бассейне больших городов, промышленных центров при неблагоприятных метеорологических условиях и фотохимических реакциях.

Спонтанное комбинационное рассеяние (СКР) — физическое явление, заключающееся в том, что в спектре рассеянного света кроме линий с частотой падающего света наблюдаются добавочные линии, частота которых равна сумме (или разности) частот падающего фотона и внутримолекулярных колебаний среды, рассеивающей свет. Процесс СКР открыт индийским физиком У. Раманом и советскими физиками Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсебергом и сравнительно давно используется для изучения свойств многих веществ.

Стратосферный слой озона — слой повышенной концентрации озона (до 5×10 18 молекул озона в кубическом метре воздуха), постоянно присутствующий на высотах примерно 15-25 километров. Общее число молекул воздуха на этих высотах атмосферы в миллионы раз превышает число молекул озона, но именно озон сильно поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца (максимум полосы поглощения О 3 расположен на длине волны 255 нанометров). Более коротковолновое излучение интенсивно поглощается молекулярным кислородом.

Стратосферные потепления — аномальные потепления воздуха в стратосфере, составляющие десятки градусов. Потепления обусловлены волновыми возмущениями в атмосфере — планетарными, гравитационными и приливными волнами, возникающими из-за термической неоднородности поверхности Земли.

Тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера — слои атмосферы Земли, выделенные по признаку вертикального распределения температуры атмосферы. Тропосфера простирается от поверхности Земли примерно до 10 километров, стратосфера — 10-50, мезосфера — 50-85, термосфера — выше примерно 85 километров. Возможно и другое деление атмосферы на слои, например по вертикальному распределению заряженных частиц ионов и электронов, — различные слои ионосферы.

Фотоэлектронный умножитель — прибор для преобразования светового излучения в электрический ток и его последующего усиления. Работа прибора основана на явлении внешнего фотоэффекта — испускании электронов с поверхности вещества под действием падающих квантов света.

Академик РАН В. Е. Зуев открывает 6-й Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (г. Томск, 1980). В президиуме также автор статьи профессор О. К. Костко (в центре) и профессор Г. В. Розенберг (Институт физики атмосферы АН СС

Сколько импульсов посылает лазер за 1 секунду

Лазеры обеспечивают процессы, которые невозможно выполнить экономичнее, качественнее и точнее любым другим способом — например, прецизионную резку и сверление отверстий, селективное удаление материала или текстурирование поверхности, микросварку оптических материалов, в т. ч. стекла и комбинированных соединений. Постоянно возрастают требования к точности обработки в промышленных и других применениях. И для этого требуются различные усовершенствования лазера, включая более короткую ширину импульса, более высокую частоту повторения, изменяющиеся длины волн, большую мощность, лучшее качество излучения и увеличенную продолжительность непрерывной работы. Эти потребности должны быть удовлетворены при одновременном снижении первоначальных и текущих расходов [1].

Особенности лазеров с ультракороткими импульсами для обработки стекла

Источники лазерных ультракоротких импульсов (УКИ/USP), имеющие длительность менее 100 фемтосекунд, являются важнейшим инструментом, используемым для решения самых разнообразных научных и прикладных задач. Короткая длительность таких импульсов при относительно высокой пиковой мощности позволяет применять их для прецизионной субмикронной обработки материалов и поверхностей в режиме многофотонного поглощения. Высокая пиковая интенсивность лазеров УКИ/USP обеспечивает возможность эффективного преобразования частоты с помощью самых разнообразных нелинейно-­оптических процессов, что, в частности, открывает возможности для генерации частотных гребенок, простирающихся от ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона. [1, 2]. Ультракороткоимпульсные лазеры в пикосекундном (ps) или даже фемтосекундном (fs) диапазоне доступны для широкомасштабного применения, например, скрайбирования стекла мобильных устройств, уже более десяти лет [3].

Лазерная обработка стекла и кристаллов всегда была довольно сложной из-за низкого поглощения в видимом и ближнем инфракрасном (NIR) спектре и низкой термоударостойкости [4]. Наиболее простой подход основан на использовании однофотонного поглощения в диапазонах длин волн, где стекло не очень прозрачно, — либо в инфракрасном (ИК), либо в ультрафиолетовом (УФ). Однако прямое поглощение приводит к проблемам, включая нежелательные тепловые эффекты и образование зон, подверженных тепловому воздействию, которые могут серьезно нарушить механическую стабильность из-за распространения микротрещин. Кроме того, обработка существенно ниже поверхности, направленная на создание 3D-структур, требует использования длин волн с высокой прозрачностью. В то время как импульсные наносекундные лазеры можно использовать для создания подповерхностных структур в стекле, задействованные физические механизмы также накладывают ограничения на тонкость микрообработки и могут вызывать микротрещины [5]. Как показано на рис. 1, обработка фемтосекундным лазером способна обеспечить более высокое качество.

Рис. 1. Примеры лазерной обработки стекла наносекундным ультрафиолетовым лазером (левая сторона) и фемтосекундным лазером NIR (правая сторона) [5]

Рис. 1. Примеры лазерной обработки стекла наносекундным ультрафиолетовым лазером (левая сторона) и фемтосекундным лазером NIR (правая сторона) [5]

Использование все более коротких импульсов лазерного излучения открывает новые практические возможности для промышленности, а именно — использование сверхбыстрых лазеров, генерирующих субпикосекундные импульсы в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR) длин волн.

При таком подходе ультракороткие импульсы плотно фокусируются в объеме стекла или его поверхности с плотностью мощности, превышающей тераватты на квадратный сантиметр, что запускает экзотические процессы, такие как одновременное поглощение нескольких фотонов и лавинообразная и ударная ионизация, приводящая к сильно локализованному разрушению стеклянной матрицы с очень небольшим количеством осажденной энергии (несколько микроджоулей или меньше). Из-за очень малого количества энергии, затрачиваемой на импульс, тепловое воздействие на область — даже непосредственно окружающую фокальный объем — может быть незначительным. Этот подход часто, называемый «холодной абляцией», позволяет создавать чрезвычайно точные 3D-структуры [5].

Фемтосекундная лазерная микрообработка прозрачных материалов имеет отличительные преимущества перед другими методами микрообработки. Во-первых, лазерно-­индуцированные модификации ограничены фокальным объемом из-за нелинейности механизма поглощения. При использовании методов сканирования или микрообработки становится возможным создание геометрически сложных трехмерных структур. Во-вторых, независимый от материала нелинейный процесс поглощения позволяет формировать тонкие структуры, подобные оптическим устройствам, в прозрачных материалах. Фемтосекундная лазерная микрообработка сопровождается явлением, называемым «лазерно-­индуцированным оптическим пробоем». В этом процессе оптическая энергия фемтосекундного лазера передается обрабатываемому материалу, возбуждая множество электронов и заставляя их ионизироваться и передавать энергию на решетку. Впоследствии происходит структурное или фазовое изменение в материале, которое вызывает изменение показателя преломления [5].

Маркировка

Наиболее заметным применением еще 20–30 лет назад была лазерная маркировка стекла с использованием CO2‑лазеров, рис. 2а [6, 7]. Применялась также лазерная резка изделий из плавленного кварца и высококремнеземного стекла [8–10].
За последние несколько лет стал доступен более сложный способ поверхностной и внутренней маркировки стекла с использованием фемтосекундных лазеров (рис. 2б). Однако из-за более высокой цены на эти лазеры их применение в основном касалось медицинских устройств и упаковки для высококачественной косметики, и парфюмерии [4].

Рис. 2. Стеклянная бутылка с лазерной маркировкой логотипа и надписи по стеклу и этикетке СО2-лазером в Лазерном центре (СПб) — а [6, 7] и пример лазерной маркировки по стеклу фемтосекундным волоконным лазером — б [5]Рис. 2. Стеклянная бутылка с лазерной маркировкой логотипа и надписи по стеклу и этикетке СО2-лазером в Лазерном центре (СПб) — а [6, 7] и пример лазерной маркировки по стеклу фемтосекундным волоконным лазером — б [5]

Рис. 2. Стеклянная бутылка с лазерной маркировкой логотипа и надписи по стеклу и этикетке СО2-лазером в Лазерном центре (СПб) — а [6, 7] и пример лазерной маркировки по стеклу фемтосекундным волоконным лазером — б [5]

Резка

В прошлом применялись различные подходы для резки стекла и других прозрачных, и хрупких материалов. Эти процессы делят на виды [4]: скрайбирование и разрыв; термическое разделение стекла путем введения специфического профиля напряжений; чистая лазерная абляция; обработка снизу вверх; внутреннее скрайбирование стекла с помощью оптического пробоя при высокой плотности мощности; классическая «термоядерная» резка; генерация нитей (например, длинных и узких модификаций) в пределах объема. Большинство из этих стратегий (рис. 3) имеют одно или два преимущества, но в то же время имеют длинный список ограничений [4].

Рис. 3. Различные варианты лазерной обработки прозрачных материалов включают маркировку плавленого кремнезема поверхностной гравировкой (a), гравировку поверхности разбивания стекла (b), внутреннюю гравировку сапфира (c), обработку стекла снизу ­вверх (d), лазерную нить стекла (e, h), тепловую лазерную сепарацию стекла (f) и «термоядерную резку» сапфира (g) [4]

Рис. 3. Различные варианты лазерной обработки прозрачных материалов включают маркировку плавленого кремнезема поверхностной гравировкой (a), гравировку поверхности разбивания стекла (b), внутреннюю гравировку сапфира (c), обработку стекла снизу ­вверх (d), лазерную нить стекла (e, h), тепловую лазерную сепарацию стекла (f) и «термоядерную резку» сапфира (g) [4]

Например, «скрайбирование и разрыв» является интересным вариантом для механического разделения тонких поперечных сечений хрупких материалов (толщиной менее 0,5 мм) после поверхностного скрайбирования сверхбыстрыми лазерами. С другой стороны, этот способ может применяться только к прямым линиям и работает с низкой и умеренной скоростью скрайбирования от 10 до 100 мм/с, в зависимости от толщины, довольно часто оставляет непрямые края после расщепления со значительной разницей в прочности на изгиб. Тем не менее способ хорошо зарекомендовал себя в производстве светодиодов (LED) для нарезки сапфира [4].

Тепловая лазерная сепарация с использованием твердотельного лазера NIR вместо стандартного CO2‑лазера, более известного как поглощение лазерного луча (MLBA), направляет трещину снаружи через материал с помощью лазерно-­индуцированного профиля напряжения. Разделенные стенки демонстрируют качество без микротрещин, что приводит к показателям прочности на изгиб и на разрушение, близким к теоретическому уровню стекла. Но опять же есть и минусы: очень сложно направить эту трещину вокруг контура с небольшим отклонением от запрограммированной кривой и закрыть контур, потому что распространение трещины сильно зависит от существующего профиля напряжения в стекле [4].

Недавние разработки в этом направлении включают сверхбыстрые лазеры для создания аналогичного эффекта и обеспечения качества кромок, но контурная резка по-прежнему является проблемой. Поэтому тепловое разделение иногда приходится сочетать с чистой абляцией, например, для получения дисплея сотового телефона. В этом случае тепловая лазерная сепарация применяется для прямых разрезов, а закругленные углы выполняются с помощью мощного сверхбыстрого лазера (рис. 4). Чистая лазерная абляция — это возможность точно удалить материал на поверхности или даже вниз через все поперечное сечение, что в конечном итоге приводит к резке. Недостатки включают относительно низкую скорость абляции (особенно на более толстых поперечных сечениях), что приводит к типичной скорости резания 1–10 мм/с для материала толщиной до 0,5 мм; неизбежный угол конуса 10–12°; зоны значительного теплового облучения при превышении глубины абляции в 200 мкм. Подход чистой абляции также может быть использован для сверления стекла и других прозрачных материалов, предпочтительно с использованием сверхбыстрого лазера в сочетании с пятиосевой головкой для обеспечения прямых сверлильных стенок. Тем не менее, скорость обработки в более толстом (0,3–0,7 мм) материале довольно низкая — порядка 10 секунд на отверстие. В случае чистой абляции процесс инициируется на верхней стороне образца, тогда как лазер в соответствии с так называемым методом обработки «снизу ­вверх» начинает разрушать прозрачный материал на нижней стороне заготовки, и этот измельченный материал выпадает из зоны абляции под действием силы тяжести. Отверстия различной формы могут быть созданы путем непрерывного перемещения фокуса вверх. Наносекундные или пикосекундные импульсы используются при λ = 515–532 нм, поскольку этот процесс зависит от высокой прозрачности длины волны лазера. За время обработки 1 с в известковом стекле толщиной 3 мм можно просверлить отверстие диаметром 1 мм со скоростью резания для свободного контура в диапазоне 3 мм/с. Помимо относительно медленной скорости обработки недостатком является то, что усиленное стекло не может быть обработано этим методом, а края обычно имеют значительные сколы в диапазоне 50–10 мкм от обрабатываемого края [4].

Рис. 4. Резка стекла различной геометрии «лазерной нитью» [4]

Рис. 4. Резка стекла различной геометрии «лазерной нитью» [4]

Используя высокую плотность мощности, часто создаваемую сверхбыстрыми импульсами в сочетании с точной фокусировкой до нескольких микрон, можно достигнуть оптического пробоя практически в любой прозрачной среде. Благодаря относительно быстрому движению детали и активному управлению положением фокуса в объеме может быть изготовлена линия реза со скоростью до 1000 мм/с, например, для кубиков сапфировых светодиодных пластин толщиной от 100 до 200 мкм. Для разделения нарезанных кубиками частей необходим механический процесс расщепления. Недостатки включают высокую шероховатость разрезанной поверхности и проблему контроля разрушения от центральной линии к краям [4].

Сапфир является одним из самых твердых из существующих прозрачных материалов. Его механические и оптические свой­ства идеальны для различных компонентов, таких как, очки, крышки часов, дисплеи мобильных устройств, защитные окна для камер или светодиодные носители.

Резка сапфира твердотельными лазерами (например, с ламповой накачкой) известна уже много лет и стала современным промышленным процессом. Однако достижимая скорость процесса и качество резки ограничены, а эксплуатационные расходы относительно высоки. Последние достижения в области волоконных лазеров вывели процесс термосапфировой резки на новый уровень производительности. Скорость и качество резки могут быть значительно улучшены при гораздо более низких эксплуатационных расходах [4].

В процессе термической резки лазерный луч обычно фокусируется на заготовке. Температура заготовки локально повышается выше температуры плавления. При комнатной температуре примерно 85% лазерного излучения проходит через полированную сапфировую подложку, примерно 14% отражается и менее 1% поглощается для начала процесса плавления. Как только сапфир расплавляется, его поглощающая способность резко возрастает, и ванну расплава можно легко поддерживать. Таким образом, начало процесса является наиболее важной частью термической резки сапфира. Поскольку теплопроводность сапфира высока по сравнению с другими стеклоподобными материалами, интенсивность лазера должна быть очень высокой — обычно для начала процесса плавления требуются интенсивности в сотни мегаватт на квадратный сантиметр. Из-за высокой теплопроводности тепло быстро рассеивается, и существует меньший риск локального накопления тепла или термического повреждения по сравнению с другими стеклянными материалами. Струя технологического газа (азот, сжатый воздух или, в некоторых случаях, гелий) используется для выдувания расплава из зоны реза. Сам тип газа сильно влияет на качество кромки реза (может происходить химическая реакция) [4].

Волоконные лазеры, такие как Rofin-­Lasag LFS 150, стали очень мощной альтернативой твердотельным лазерам с ламповой или диодной накачкой, поскольку они могут обеспечивать высокую среднюю и пиковую мощность в сочетании с отличным качеством луча. Поскольку сапфир и другие хрупкие материалы особенно термочувствительны, параметры лазера должны быть тщательно подобраны и контролируемы. Положение фокуса относительно сапфировой поверхности очень важно, чтобы избежать микротрещин и сколов. Соответствующая фокусировка приводит к резке без трещин с хорошим качеством. Могут быть достигнуты значения шероховатости поверхности Ra < 1,5 мкм. Максимальная скорость резания в основном зависит от требований к качеству и сложности деталей. Скорость резки составляет от 3 до 25 мм/с для толщины сапфира от 6 до 0,2 мм при величине грата менее 20 мкм.

Волоконная лазерная «термоядерная» резка сапфира и керамики стала распространенной в высокоавтоматизированных процессах производства компонентов для портативных устройств (например, кнопок, защитных окон и т. п.). Если параметры лазерной резки подобраны правильно, то соотношение цены и качества является непревзойденным по сравнению с другими процессами резки [4].

Другой подход — резка «лазерной нитью» (рис. 3 e, h; 4) [4] — вызвал огромный интерес на рынке, поскольку обеспечивает выдающееся сочетание достижимой скорости обработки, качества кромок (шероховатость, прямолинейность, повреждение поверхности), диапазона толщины и универсальности материала. В этом случае, сверхбыстрые лазеры обеспечивают очень большое соотношением сторон в прозрачных средах — профиль лазерного импульса действует как фокусирующая линза за счет нелинейного оптического эффекта Керра, вызывая самофокусировку луча и дальнейшее увеличение плотности мощности. При определенной пиковой интенсивности создается плазма низкой плотности, которая понижает показатель преломления в центре траектории пучка и заставляет луч снова расфокусироваться. Благодаря использованию сложной оптической конфигурации динамическое поведение между самофокусировкой эффекта Керра и расфокусировкой плазмы может привести к образованию стабильной нити накала, простирающейся на несколько миллиметров в длину в оптическом прозрачном материале. Типичный диаметр нити накала находится в диапазоне 1–2 мкм. Для достижения линии резки или перфорации с нулевым зазором эти лазерные нити размещаются близко друг к другу путем относительного перемещения заготовки и/или обрабатывающей головки с типичными скоростями 100–1000 мм/с, в зависимости от толщины материала и желаемой геометрии реза [4].

Процесс резки «лазерной нитью» Rofin SmartCleave FI позволяет вырезать произвольные формы без конусов в прозрачных и хрупких материалах толщиной 0,05–10 мм (рис. 4).

Компанией Rofin были разработаны сверхбыстрые пикосекундные лазеры StarPico, построенные в виде цепи MOPA, обеспечивающей очень высокую частоту повторения и разрыва, с импульсными пакетами с наносекундным разделением и программируемыми изменениями мощности излучения. Выбранная конструкция Hybrid-­MOPA сочетает надежность, высокую частоту повторения и качество луча волоконных лазеров с масштабируемостью мощности [4].

Два новых описанных выше процесса: лазерная «термоядерная» резка и резка «лазерной нитью» сверхбыстрыми лазерами — имеют значительный потенциал для широкого промышленного внедрения [4].

Текстурирование поверхности

Распространенные методы, такие как пескоструйная обработка и химическое травление, для текстурирования на стеклянных поверхностях, обеспечивают точность среднего уровня и ограниченный контроль над полученным рисунком, часто вызывая микротрещины, которые снижают долговечность обработанного стекла. В результате волоконные лазеры также находят применение при текстурировании поверхности стекла, особенно для таких задач, как создание гидрофобных/гидрофильных стеклянных поверхностей. В последнее время обработка с использованием ультракороткоимпульсных лазеров показывает, что на стеклянных поверхностях можно получить такие же или даже более качественные условия смачиваемости, чем при традиционных технологиях, и они весьма перспективны для будущих применений в области обработки поверхностей. Они обеспечивают полный контроль над технологической схемой на поверхности, что позволяет оптимизировать взаимодействие жидкости и стекла [5].

Создание волноводов

Еще одно важное применение в индустрии оптики и фотоники, возможное только с помощью лазеров со сверхкороткими импульсами, — это создание волноводов внутри стекла для направления света в 3D. Когда ультракороткие импульсы фокусируются внутри стекла, в фокусном объеме происходит изменение показателя преломления. Эту область с увеличенным показателем преломления можно использовать для формирования траекторий. Как и по оптическим волокнам, свет может направляться по этим путям с помощью механизма полного внутреннего отражения. Используя этот метод, можно направлять и передавать свет в трех измерениях из одного места в другое, комбинируя или разделяя различные длины волн, создавая решетки или структуры линз внутри стекла, и т. д. Таким образом, возможность создания ультракороткого лазерного волновода внутри стекла (рис. 5) важна, поскольку ожидается, что технология фотоники будет доминировать в области связи, биомедицины и сенсорных технологий, которые в основном обеспечиваются электронными технологиями [5].

Рис. 5. Схема, показывающая прямую лазерную запись волновода внутри стекла [5]

Рис. 5. Схема, показывающая прямую лазерную запись волновода внутри стекла [5]

Сварка

Еще одним перспективным применением волоконных лазеров со сверхкороткими импульсами является сварка стекол.
Наиболее широко используемый метод соединения двух стекол — это склеивание их с помощью химических веществ. Самым большим недостатком этого метода является то, что большинство используемых химических веществ со временем выделяют некоторые газы, в результате чего сила связи между стеклами уменьшается из-за газа между ними [5]. Другой используемый метод заключается в полировке стеклянных поверхностей, их соединении и последующей термообработке. Этот метод также имеет недостатки, особенно если используются два разных типа стекол.

Поскольку они могут иметь разные коэффициенты теплового расширения, связь между стеклами может ослабнуть после термической обработки [5].

В последнее время для сварки стекол начали использоваться лазеры с высокой частотой повторения (мегагерцы) и высокой энергией импульсов (микроджоули) — сверхкороткоимпульсные лазеры. Когда ультракороткие импульсы фокусируются на границе раздела двух свариваемых стекол, очень небольшие объемы каждого стекла плавятся и охлаждаются вместе, в результате чего образуется очень мощная связь. При правильной оптимизации процессов сверхкороткой лазерной сварки можно получить связи, столь же прочные, как и в самом стекле (рис. 6) [5].
USP-лазеры заняли прочное место в мире обработки стекла в значительной степени благодаря нелинейным взаимодействиям материалов, которые они вызывают. По сравнению с более длительной шириной импульса или непрерывным излучением (CW) объединение заданного количества энергии в ультракороткую фемто- или пикосекундную ширину импульса приводит к уникальным явлениям, таким как самофокусировка и многофотонное (и другое нелинейное) поглощение, и все это в сильно пропускающем и пассивном материале. Как только происходит поглощение света, возможна структурная модификация материала, а короткие временные интервалы, в течение которых передается энергия импульса, обеспечивают минимальный нагрев, плавление, растрескивание и т. д. На практике фокусирующая линза используется для точного контроля зоны, где происходит нелинейное поглощение и структурная модификация [11].

Рис. 6. Лазерное соединение двух стекол с использованием фемтосекундных импульсов [5]

Рис. 6. Лазерное соединение двух стекол с использованием фемтосекундных импульсов [5]

В некоторых сценариях может быть полезно определенное количество нагрева, и это также возможно при использовании ультракоротких импульсов. Сверхкороткие импульсы, плотно сфокусированные в стекле и примененные с высокой частотой следования (PRF), приводят к накоплению тепла и контролируемому локальному плавлению квазисферических объемов под поверхностью в объеме стекла. На раннем этапе это парное явление нелинейного поглощения в сочетании с накоплением тепла с высоким КПД использовалось для изготовления оптических волноводов из объемного стекла, поскольку циклическое плавление/замораживание стекла приводило к пространственно изменяющейся плотности и, следовательно, к изменению показателя преломления. Также было обнаружено, что такое же контролируемое локальное плавление можно использовать для соединения двух стеклянных пластин, если плоскость фокусировки расположена на границе соприкосновения материалов. Ранние работы проводились исключительно с фемтосекундными импульсами, позднее исследователи обнаружили, что пикосекундные импульсы с высоким PRF столь же эффективны. На рис. 7 показано, как стеклянные материалы расположены относительно лазерного луча для лазерной сквозной сварки [11].

Рис. 7. Схематическое изображение сквозной лазерной микросварки двух стеклянных пластин [11]

Рис. 7. Схематическое изображение сквозной лазерной микросварки двух стеклянных пластин [11]

Соединение стекла со стеклом или другими типами материалов полезно в различных отраслях промышленности, включая бытовую электронику, сборку микрооптики и упаковку медицинских устройств. К преимуществам микросварки на основе лазера относится отсутствие дополнительных промежуточных материалов, а также высокая локализация процесса, позволяющая обрабатывать рядом с термочувствительными компонентами (электрическими, полимерными и т. д.). Учитывая эти преимущества, инженеры MKS Spectra-­Physics (Санта-­Клара, Калифорния) протестировали промышленный пикосекундный импульсный инфракрасный (ИК) лазер высокой мощности (IceFyre 1064–50 пикосекундный лазер) для сквозной микросварки материалов из стекла в стекло и стекла в алюминиевые пластины [11].

В случае сварки стекла со стеклом две стеклянные пластины (слайды микроскопа с натриевой известью толщиной 1 мм) были помещены в оптический контакт друг с другом, гарантируя отсутствие воздушных зазоров или загрязнений, которые могли бы помешать процессу. Сфокусированный луч, рассчитанный на величину ~2 мкм, устанавливался на границе раздела двух пластин, и образец перемещался в боковом направлении с использованием системы Newport precision XY stage. Параметрические тестовые переменные включали среднюю мощность, PRF и скорость сканирования; оценка и оптимизация были основаны на непрерывности сварной линии и минимизации разрушения стекла. Наилучшие результаты были достигнуты при средней мощности 5 Вт, частоте 10 МГц и скорости перемещения образца 25 мм/с. Структуру и качество сварных швов определяли с помощью оптической микроскопии с изображением сверху вниз на поперечном образце, рис. 8 [11].

Рис. 8. Поперечный образец со сварными швами соединения «стекло – стекло» [11]

Рис. 8. Поперечный образец со сварными швами соединения «стекло – стекло» [11]

Сварной шов имеет ширину ~30 мкм. Зона термического влияния имеет примерно ту же величину. В некоторых производственных процессах точечная микросварка может быть предпочтительнее сварки непрерывной линией. Для разработки такого процесса тестирование проводилось в объеме одной стеклянной пластины, а не на границе раздела, поскольку считается, что это отражает поведение сварки между оптически контактирующими стеклами. Для стационарных характеристик сварки параметры лазера были повторно оптимизированы, и наилучшие результаты были достигнуты при использовании более низких значений мощности и PRF по сравнению с параметрами для линейной микросварки. В частности, уровни мощности для успешной сварки находились в диапазоне 1–2,5 Вт, а оптимальный PRF был найден равным 1 МГц. При таких настройках были сформированы симметричные области расплава, размер которых зависел как от средней мощности, так и от количества подаваемых импульсов [11].

Процесс микросварки на основе лазера для соединения стекла с металлом может быть очень ценным, например, для таких задач, как производство мобильных устройств. Отсутствие лишних материалов, таких как клей и механические крепежные элементы или конструкции, широко привлекают как потребителей, так и производителей. Была проведена серия экспериментов, направленных на сквозную лазерную микросварку стекла и алюминиевой пластины. Лазер и установка были идентичны тем, которые использовались для сварки стекла со стеклом, за одним примечательным исключением: поскольку оптический контакт между стеклом и алюминием невозможен, было применено механическое зажимное устройство для удержания двух пластин в тесном контакте во время лазерного облучения [11].

Было обнаружено, что параметры обработки при сварке стекла с алюминием значительно отличаются от параметров при сварке только стекла. Поскольку фокус расположен на поверхности алюминия, где лазерная энергия сильно (и линейно) поглощается, оптимальная средняя мощность оказалась значительно ниже ~0,6 Вт. Частота PRF также была значительно снижена до 800 кГц при той же скорости сварки (25 мм/с) [11].

Поперечное сечение сварных швов стекло — алюминий раскрывает более интересные детали сварных конструкций (рис. 9). Сварные швы выглядят как алюминиевые выступы в стекло, и между двумя материалами нет видимого зазора и никаких признаков проникновения расплава в несваренные области вдоль границы раздела. Оценка прочности сварного соединения была получена путем принудительного разделения сварных пластин. Результат был многообещающим: большие участки стекла откололись от основной пластины и остались сплавленными с алюминием, что указывает на прочную связь между двумя разными материалами [11].

Рис. 9. Расплав алюминия «встроен» в стеклянную пластину без признаков растрескивания или разделения двух материалов [11]

Рис. 9. Расплав алюминия «встроен» в стеклянную пластину без признаков растрескивания или разделения двух материалов [11]

Здесь мы рассмотрели экспериментальные результаты для сквозной лазерной микросварки стекло — ­стекло и стекло — ­алюминий. При использовании лазера MKS Spectra-­Physics IceFyre были продемонстрированы хорошо контролируемые процессы, которые приводят к высококачественным результатам. Простота и гибкость таких процессов могут многое предложить для широкого спектра применений, и высокопроизводительная пикосекундная технология PRF хорошо подходит для этой задачи [11].

3D-печать

Высококачественная 3D-печать (HP3DP) с помощью сфокусированного импульсного фемтосекундного лазерного излучения обеспечивает широкий спектр свободы в проектировании для промышленного изготовления передовых оптических компонентов и продуктов. Как одна из технологий ХХI века, 3D-печать приобрела популярность в быстром прототипировании благодаря тому, что нужен практически один этап процесса и он не требует дорогостоящего и сложного производства обычных инструментов. 3D-печать не только обеспечивает быструю оценку прототипов, но и может обеспечить более эффективное производство в малых и средних объемах по сравнению с традиционным. Во многих случаях 3D-печатные детали могут весить меньше и обеспечивают улучшенную общую механическую стабильность по сравнению с обычно собранными деталями [12].

Хотя было продемонстрировано много применений, из-за низкой точности и отсутствия подходящих материалов печать элементов с оптической функциональностью оставалась проблемной. Однако, обеспечивая субмикрометровое разрешение печати за счет нелинейного поглощения двух фотонов одновременно, вызванных сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами, становится возможным получить разрешение, соответствующее требованиям заказчика (рис. 10). Сфокусированные лазерные импульсы в чане из специальных полимеров или стекол, обеспечивая двух- или многофотонные эффекты поглощения, создают твердые оптические объекты с точностью, определяемой фокальным пятном лазера [12].

Рис. 10. Процесс HP3DP обеспечивает масштабируемость изготавливаемых оптических элементов по размеру, сложности и форме: субмикрометровых структур, ориентированных случайным образом (a); пирамидальных конструкций микрометрового размера с определенными углами для светового наведения (b); макроструктур, состоящих из объективов диаметром 1 мм, встроенных в рамку с функциями сборки (c); сложенных микролинз, изготовленных за один процесс (d); матриц объективов 1×1 см в качестве мастера для производства репликаций (e); цилиндрических микролинз для целей формирования луча (e); DFB-лазер от компании nanoplus (f) [12]

Рис. 10. Процесс HP3DP обеспечивает масштабируемость изготавливаемых оптических элементов по размеру, сложности и форме: субмикрометровых структур, ориентированных случайным образом (a); пирамидальных конструкций микрометрового размера с определенными углами для светового наведения (b); макроструктур, состоящих из объективов диаметром 1 мм, встроенных в рамку с функциями сборки (c); сложенных микролинз, изготовленных за один процесс (d); матриц объективов 1×1 см в качестве мастера для производства репликаций (e); цилиндрических микролинз для целей формирования луча (e); DFB-лазер от компании nanoplus (f) [12]

Преодолевая разрыв между микро/нанопроизводственными и традиционными технологиями изготовления, процесс HP3DP создает компоненты с разрешением ниже дифракционного предела, которые масштабируются в общем размере от субмикронов до сантиметрового диапазона, обеспечивая изготовление конструкций с соотношением сторон до 43:1 и печать микрооптики сверхвысокого качества и других компонентов, изготовление которых невозможно с помощью обычных методов обработки [12].

С тех пор, как процесс HP3DP был впервые продемонстрирован в 1997 году, он неуклонно развивался благодаря участию многих академических и исследовательских групп. Технология созрела до степени, когда возможны промышленные приложения с высоким разрешением печати в диапазоне 100 нм благодаря нелинейному эффекту поглощения. Размер мельчайших объектов может быть мгновенно отрегулирован заданием соответствующей мощности лазерного излучения и фокусировкой оптики, технологией изготовления и подбором обрабатываемого материала.

Этот метод обеспечивает высокую степень масштабируемости и сложности, не зависит от дорогостоящих масок (рис. 10). Пример иллюстрирует масштабируемость по размеру (рис. 10а) для субмикрометрических структур в произвольных расположениях и формах (рис. 10b) и создание макроструктур (рис. 10с) с большой линзой (диаметром один миллиметр), интегрированной в коробку с возможностью выравнивания. Сложные структуры, такие как массив сложенных микролинз (рис. 10d), могут быть изготовлены за один процесс без выравнивания отдельных элементов относительно друг друга — сложная работа с высокой чувствительностью к неисправности конечного устройства в традиционном производстве эндоскопов [12].

Благодаря реализации сложных производственных стратегий HP3DP может быть использован для изготовления линзовых массивов в масштабе пластины, заменяя такие технологии, как ультрафиолетовая и ступенчатая наноимпринтная литография (на рис. 10е показан массив размером 1×1 см 2 ), или для изготовления репликационных форм для других технологий массового производства, таких как литье под давлением и горячее тиснение. На специальные подложки нет ограничений (рис. 10f), например, микролинза была напечатана непосредственно с распределенной обратной связью (DFB). Эта уникальная способность позволяет печатать элементы на любых активных и пассивных устройствах. Волноводы, волокна и детекторы обеспечивают высокую степень гибкости в разработке новых миниатюрных продуктов и концепций упаковки, а также возможность объединения нескольких длин волн лазера на одном выходе для лабораторных применений [12].

Для микроэлектромеханических применений конструкции с высоким соотношением сторон (HAR) являются благоприятными, поскольку они позволяют создавать структуры 3D-микроэлектромеханических систем (MEMS). Такие структуры MEMS обычно обрабатываются с помощью LIGA (немецкая аббревиатура для Lithographie, Galvanik и Abformung), которая в основном использует фоторезист СУ‑8 и хромовые маски. Процесс требует нескольких этапов, включая сложную задачу литья толстых слоев фоторезиста, обычно ограниченных несколькими сотнями микрон.

Следовательно, для высоты 100 мкм был реализован HAR 100:1. Типичные структуры HAR, реализованные HP3DP (рис. 11), включают волноводы с соотношением сторон 1:1 или 2:1, 16:1 с боковыми стенками 90°.

Рис. 11. Показаны различные структуры с высоким соотношением сторон (HAR), реализованные по технологии HP3DP от 2:1 до 43:1; возможно производить конструкции с номинальной высотой в диапазоне от миллиметров до сантиметров, с более высокими пропорциями [12]

Рис. 11. Показаны различные структуры с высоким соотношением сторон (HAR), реализованные по технологии HP3DP от 2:1 до 43:1; возможно производить конструкции с номинальной высотой в диапазоне от миллиметров до сантиметров, с более высокими пропорциями [12]

Длинные стенки шириной 5 мкм и высотой 80 мкм были изготовлены в режиме бесконечного поля зрения (IFoV), включающем синхронизированное отклонение лазерной фокусировки гальваносканером. Возможно изготовление структур HAR 20:1, например, игл высотой 100 мкм с базовой площадью 5×5 мкм 2 [12].

Также возможна контурная пластика. С помощью этого метода было продемонстрировано значительное увеличение пропускной способности изготовления до 95% по сравнению с обычным режимом полнообъемного структурирования при серийном производстве микролинз, с временем
1–5 с на объектив [12].

Проиллюстрирована соответствующая структура HAR 43:1 (см. правую верхнюю позицию рис. 11) для цилиндроподобного элемента высотой 1,7 мм и диаметром 2 мм. Производительность изготовления для этого типа конструкций составила 3,6 мм 3 /ч.

Следует отметить, что продемонстрированное соотношение сторон 43:1 не является верхним пределом. При использовании оптимизированной генерации конструкции, даже при боковых размерах порядка субмикрометра, возможны более высокие соотношения сторон [12].

Благодаря высокому разрешению печати и масштабируемости по размеру, сложности, форме обрабатываемой подложки процесс HP3DP будет все чаще применяться в промышленных приложениях. Поскольку процесс HP3DP позволяет создавать компоненты с разрешением ниже дифракционного предела, которые масштабируются в общем размере от субмикрона до сантиметрового диапазона, 3D-печать поверхностей оптического качества в микрооптических приложениях является основной областью применения [12].
Возможность изготовления конструкций с соотношением сторон до 43:1 и управления фокусировкой приводит к сверхвысокому качеству микрооптики и других компонентов, которые невозможно изготовить с использованием обычных методов обработки [12].

Заключение

Ведущий мировой производитель волоконных лазеров НТО «ИРЭ-Полюс» / IPG (Россия — США) предлагает сегодня компактные и надежные пико- и фемтосекундные лазеры со средней мощностью от 1 до 100 Вт, с частотой от 10 кГц до 3 МГц. Широкую линейку лазеров с короткими и сверхкороткими импульсами для промышленной обработки материалов предлагает также мировой лидер — немецкая компания TRUMPF. Нано-, пико- и фемтосекундные лазеры разрабатываются и производятся в России, в частности, компаниями «Инверсия-Файбер», «Оптосистемы» и «Авеста-Проект», «НордЛэйз».

Разработка удобных в использовании, недорогих сверхбыстрых волоконных лазеров микроджоулевого диапазона в настоящее время превращает этот метод в широко распространенный инструмент промышленной обработки. Области применения варьируются от резки и сварки стекла до создания подповерхностных оптических волноводов. Фемтосекундная лазерная микрообработка предлагает отличительные возможности для 3D-обработки, независимой от материала и длины волны, а также позволяет изготавливать 3D-структуры из прозрачных материалов, таких как стекло, с гораздо большей простотой, чем литография.

Область микрообработки ультракороткими фемто- и пикосекундными лазерами развивается быстрыми темпами и обещает большие возможности.

Авторы:

А. Г. Игнатов, федеральный эксперт Минобрнауки и Коллегии национальных экспертов (КНЭ) России и стран СНГ по лазерам и лазерным технологиям,
научный сотрудник НИЦ (РВиА) Михайловской военной артиллерийской академии (МВАА),
И. А. Спивак, к. т. н., начальник отдела НИЦ (РВиА) МВАА,
Н. В. Буров, генеральный директор АО «ЛЛС»

Литература
1. Хоган Х. Тенденции в области промышленных лазерных решений // URL: https://лазер.рф/2019/01/14/10870/.
2. ООО «ФемтоВижн»: вторая жизнь титан-­сапфира // ЛазерИнформ. № 15–16 (702–703). Август 2021. С. 1–3.
3. Hoffman D., Limpert J., Thoss A. Ultrashort-­pulsed laser sources with kilowatt power for industrial applications / Laser Focus World 2020. № 1. Р. 65–68.
4. Mayerhofer R., Hosseini A., Rüttimann C. Laser cutting, drilling, and structuring of brittle materials // Industrial Laser Solutions, July/August 2015. Р. 27–30 // URL: www.industrial-­lasers.com.
5. Yavas S. Femtosecond laser glass processing // Industrial Laser Solutions. January/February 2015. P. 23–26 // URL: www.industrial-­lasers.com.
6. Лазерная маркировка материалов // А. Валиулин, С. Горный, Ю. Гречко и др./ Фотоника. 2007. № 3. С. 16–22.
7. Клочков А. А. Лазерная маркировка — новое слово в борьбе с контрафактной продукцией // Производство спирта и ликеро-водочных изделий. 2005. № 2. С. 18–19.
8. Васильев А.С., Ганюченко В. М., Смирнов Н. В. и др. Некоторые технологические аспекты лазерной резки кварцевого и высококремнеземного стекла // Новое электросварочное оборудование и прогрессивные технологии сварки: Тезисы докл. Всесоюзн. семинара. г. Тбилиси. Май 1986 г.
9. Ганюченко В.М., Нестеров В. А., Смирнов Н. В. и др. Лазерная резка промышленных изделий из кварцевого стекла и плавленного кварца // Применение лазеров в народном хозяйстве: Тезисы докладов Всесоюзной конференции в г. Звенигороде.Март 1985 г. М.: Наука, 1985. С. 104–106.
10. Ганюченко В.М., Нестеров В. А., Смирнов Н. В. и др. Особенности лазерной резки изделий из плавленного кварца и высококремнеземного стекла // Применение лазерной технологии для повышения качества изделий: Тезисы докладов 4 Уральской конференции в г. Тюмени. 3–5 июня 1985 г. Тюмень, 1985. С. 63–65.
11. Hollister T., Bovatsek J. Glass microwelding with ultrashort-­pulse lasers // Laser Focus World 2021. № 8. Р. 20–24.
12. Focused femtosecond pulses print optical components with subdiffraction-­limited resolution / B.Stender, F. Hilbert, J. Wiedenmann, e. a. // Laser Focus World. 2019. №12. Р. 43–45.

Источник журнал «РИТМ машиностроения» № 1-2022

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи
или пресс-релизы с ссылками и изображениями.
ritm@gardesmash.com

Как работает лазерная рулетка: реверс-инжиниринг

image

Ранее в своей статье я рассказывал о том, как устроены фазовые лазерные дальномеры. Теперь пришло время разобраться с тем, как работают бытовые лазерные рулетки. Разобраться — это не просто заглянуть, что же там внутри, а полностью восстановить всю схему и написать собственную программу для микроконтроллера.

Принцип работы лазерных рулеток

Большинство лазерных рулеток используют фазовый, а не импульсный (времяпролетный, TOF) метод измерения расстояния.

Для целостности этой статьи процитирую часть теории из своей предыдущей статьи:

image

В фазовом методе, в отличие от импульсного, лазер работает постоянно, но его излучение амплитудно модулируется сигналом определенной частоты (обычно это частоты меньше 500МГц). Отмечу, что длина волны лазера при этом остается неизменной (она находится в пределах 500 — 1100 нм).

Отраженное от объекта излучение принимается фотоприемником, и его фаза сравнивается с фазой опорного сигнала — от лазера. Наличие задержки при распространении волны создает сдвиг фаз, который и измеряется дальномером.

Расстояние определяется по формуле:

Где с — скорость света, f — частота модуляции лазера, фи — фазовый сдвиг.

Эта формула справедлива только в том случае, если расстояние до объекта меньше половины длины волны модулирующего сигнала, которая равна с / 2f.

Если частота модуляции равна 10 МГц, то измеряемое расстояние может доходить до 15 метров, и при изменении расстояния от 0 до 15 метров разность фаз будет меняться от 0 до 360 градусов. Изменение сдвига фаз на 1 градус в таком случае соответствует перемещению объекта примерно на 4 см.

При превышении этого расстояния возникает неоднозначность— невозможно определить, сколько периодов волны укладывается в измеряемом расстоянии. Для разрешения неоднозначности частоту модуляции лазера переключают, после чего решают получившуюся систему уравнений.

Самый простой случай — использование двух частот, на низкой приблизительно определяют расстояние до объекта (но максимальное расстояние все равно ограничено), на высокой определяют расстояние с нужной точностью — при одинаковой точности измерения фазового сдвига, при использовании высокой частоты точность измерения расстояния будет заметно выше.

Так как существуют относительно простые способы измерять фазовый сдвиг с высокой точностью, то точность измерения расстояния в таких дальномерах может доходить до 0.5 мм. Именно фазовый принцип используется в дальномерах, требующих большой точности измерения — геодезических дальномерах, лазерных рулетках, сканирующих дальномерах, устанавливаемых на роботах.

Однако у метода есть и недостатки — мощность излучения постоянно работающего лазера заметно меньше, чем у импульсного лазера, что не позволяет использовать фазовые дальномеры для измерения больших расстояний. Кроме того, измерение фазы с нужной точностью может занимать определенное время, что ограничивает быстродействие прибора.

Как я уже упоминал выше, для повышения точности нужно повышать частоту модуляции излучения лазера. Однако измерить разность фаз двух высокочастотных сигналов достаточно сложно. Поэтому в фазовых дальномерах часто применяют гетеродинное преобразование сигналов. Структурная схема такого дальномера показана ниже. Рассматриваемая мной лазерная рулетка устроена именно так.

image

В состав дальномера входят два высокочастотных генератора, формирующие два сигнала, близких по частоте. Сигнал с одного из них подается на лазер, сигнал от другого (гетеродина) перемножается с сигналом, принятым фотоприемником. Получившийся сигнал подается на фильтр, пропускающий только низкие частоты (LPF), так что на выходе фильтра остается только сигнал разностной частоты. Этот сигнал имеет очень маленькую амплитуду, и его приходится усиливать, прежде чем подавать на микроконтроллер. Стоит заметить, что сделать низкочастотный усилитель с большим коэффициентом усиления намного проще, чем высокочастотный, что также является преимуществом гетеродинной схемы.

Поскольку в фазовом дальномере измеряется именно разность фаз сигналов, то в конструкции нужен еще один сигнал — опорный. Его получают перемножением сигналов от обоих генераторов. Оба получившихся низкочастотных сигнала обрабатываются микроконтроллером дальномера, который вычисляет разность фаз между ними.

Отдельно стоит упомянуть, что в большинстве лазерных дальномеров в качестве фотоприемников используются лавинные фотодиоды (APD). Они обладают собственным внутренним усилением сигнала, что уменьшает требования к усилительным узлам дальномера. Коэффициент усиления таких фотодиодов нелинейно зависит от питающего напряжения. Таким образом, если модулировать напряжение питания APD сигналом гетеродина, то смешивание (перемножение) сигналов происходит прямо в самом фотодиоде. Это позволяет упростить конструкцию дальномера, и уменьшить влияние шумов.

В тоже время, у лавинных фотодиодов много недостатков. К ним можно отнести:

  • Напряжение питания должно быть достаточно высоким — сотня вольт и выше.
  • Сильная зависимость параметров от температуры.
  • Достаточно высокая стоимость (по сравнению с другими фотодиодами).

Реверс-инжиниринг лазерной рулетки

image

В качестве подопытного образца я использовал набор «50M DIY Rangefinder», найденный на просторах Aliexpress (справа приведена фотография включенной рулетки). Насколько я понял, этот набор — внутренности лазерной рулетки «X-40» (сейчас ее можно найти в продаже за 20$). Этот набор я выбрал только потому, что на его фотографиях было видно электронику устройства. По имеющейся у меня информации, схемотехника этой рулетки очень близка к схемотехнике рулетки U-NIT UT390B+, и другим китайским лазерным рулеткам и модулям лазерных дальномеров.

Во время испытаний я смог проверить работу рулетки только на расстоянии в 10 м. Работала она при этом с большим трудом, время измерения было больше 5 секунд. Подозреваю, что даже расстояние в 20 метров она измерить бы уже не смогла, не говоря о заявленных производителем 50 м.

Что же представляет из себя конструкция такой рулетки?

image

Как видно из фотографий, она достаточно проста. Конструктивно рулетка состоит из блока лазерного дальномера, индикатора и платы с кнопками. Очевидно, что самое интересное — это блок дальномера. Вот так он выглядит вблизи:

image

С верхней стороны платы расположены две основные микросхемы дальномера — микроконтроллер STM32F100C8T6 и сдвоенный PLL генератор Si5351. Эта микросхема способна формировать два сигнала с частотами до 200 МГц. Именно она формирует сигнал для модуляции лазера и сигнал гетеродина. Также на этой стороне платы расположен смеситель и фильтр опорного (REF) сигнала и часть деталей узла высоковольтного источника напряжения для APD (вверху фотографии).

Так выглядит нижняя сторона блока дальномера:

image

Из фотографии может быть не понятно, но на самом деле здесь видно две печатные платы — вторая очень маленькая и закреплена вертикально. На этой фотографии хорошо видно выводы лазерного диода, маленький динамик (он постоянно пищал при работе, так что позже я его выпаял). Кроме того, здесь находятся компоненты, формирующие питающие напряжения рулетки.

На маленькой платке расположен лавинный фотодиод со встроенным интерференционным светофильтром и усилитель принятого сигнала. Вот так выглядит эта плата сбоку:

image

На фотографии справа показан вид лавинного фотодиода через линзу-объектив рулетки.

Следующий этап — восстановление схемы рулетки. Плата довольно маленькая и не очень сложная, хотя и многослойная, так что процесс восстановления схемы занял не очень много времени.
Фото платы с подписанными компонентами:

image

image

image

В одном из китайских интернет-магазинов мне удалось найти картинку с изображением печатной платы модуля лазерного дальномера (версия 511F), которая была очень близка по конструкции с моей платой (версия 512A). Разрешение картинки довольно низкое, зато на ней видно расположение проводников и переходных отверстий под микросхемами. В дальнейшем я подписал на ней номера компонентов и выделил проводники:

image

К сожалению, по маркировке части SMD компонентов не удалось определить их названия. Номиналы большинства конденсаторов нельзя определить без выпаивания их из платы. Номиналы резисторов я измерял мультиметром, так что они могут быть определены неточно.

В результате исследования у меня получилась вот такая структурная схема рулетки:

image

Электрическую схему я разбил на несколько листов:

image

Схема 1. Микроконтроллер, узел питания и некоторое простые цепи.

Здесь все достаточно просто — тут показаны микроконтроллер STM32, некоторые элементы его обвязки, динамик, клавиатура, некоторые ФНЧ фильтры. Здесь же показан повышающий DC-DC преобразователь напряжения (микросхема DA1), формирующий напряжение питания рулетки.

Рулетка рассчитана на работу от 2 батареек, напряжение которых может меняться в процессе работы. Указанный преобразователь формирует из входного напряжения VBAT постоянное напряжение 3.5 В (несколько необычное значение). Для включения и выключения питания рулетки используется узел, собранный на транзисторной сборке DA2. При нажатии кнопки S1 он включает DC-DC, после чего микроконтроллер сигналом по линии «MCU_power» начинает удерживать DC-DC включенным.

Во время одного из измерений я случайно сжег микросхему этого DC-DC преобразователя (щуп мультиметра соскочил, и замкнул ее ножки). Так как я не смог определить название микросхемы, мне пришлось выпаять ее, и подавать на рулетку напряжение 3.5 В от внешнего источника напряжения.

Снизу на краю платы есть 8 прямоугольных площадок, которые могут использоваться как отладочные или тестовые. Я отметил их на схеме «PMx». Из схемы видно, что все они подключены к выводам микроконтроллера. Среди них есть линии UART. Родная прошивка не ведет никакой активности на этих линиях, линия TX, судя по осциллографу, сконфигурирована на вход.
Также на краю платы есть 6 отверстий-контактов. На схеме они отмечены «Px». На них выведены линии питания рулетки и линии программирования STM32.

image

Схема 2. Узел PLL генератора, и узел управления лазерным диодом.

Микросхема PLL генератора Si5351 формирует прямоугольный сигнал, поэтому, чтобы убрать лишние гармоники, сигналы с выхода PLL подаются на два одинаковых полосовых фильтра. Тут же показан смеситель сигналов, собранный на диоде D1 — сигнал с него используется в качестве опорного при измерении разности фаз.

Как можно видеть из схемы, один из сигналов c PLL («LASER_signal») выводится на лазерный диод D3 без каких-либо преобразований. С другой стороны, яркость лазера (которая определяется величиной тока, текущим через него) стабилизируется при помощи аналогового узла, собранного на микросхеме DA3 и окружающих ее компонентах. Реальный уровень яркости лазера этот узел получает от встроенного в лазер фотодиода (он не показан на схеме). При помощи линии «laser_power» микроконтроллер может полностью отключить лазер, а при помощи линии «line10», соединенной с ЦАП микроконтроллера — регулировать яркость лазера. Исследование осциллографом показало, что рулетка постоянно удерживает на этой линии значение 1.4 В, и оно не меняется ни при каких условиях.

image

Схема 3. Узел питания APD и усилитель сигнала с APD.

Слева здесь показан линейный источник напряжения, формирующий питающее напряжение для усилителя фотодиода (DA5). Эта микросхема формирует напряжение 3.3 В, так что напряжение на ее входе должно быть выше 3.3 В. Насколько я понимаю, именно это служит причиной того, что остальная часть схемы питается от 3.5 В.

Ниже показан повышающий DC-DC преобразователь, собранный на микросхеме DA4, формирующий высокое напряжение (> 80 В) для лавинного фотодиода. Микроконтроллер может изменять величину этого напряжения при помощи линии «MCU_APD_CTRL», соединенной с ЦАП контроллера. Название микросхемы DA4 мне не удалось установить, так что пришлось экспериментально определять, как зависит напряжение на APD от уровня управляющего сигнала. Эта зависимость получается какая-то странная, с ростом величины управляющего сигнала, выходное напряжение падает. В дальнейших экспериментах я использовал несколько константных значений ЦАП, для которых я знал соответствующие им выходные напряжения.

Справа на схеме 3 показана схема маленькой печатной платы. Линиями M1-M8 показаны контактные площадки, соединяющие обе платы. Диод D6 — это лавинный фотодиод (APD). Он никак не промаркирован, так что определить его название и характеристики невозможно. Могу лишь сказать, что он имеет корпус LCC3.

На катод APD по линии M8 подается высокое постоянное напряжение. Также можно видеть, что через конденсатор C41 по линии «APD_modul» к нему подмешивается высокочастотный сигнал от PLL. Таким образом, на APD смешиваются оптический сигнал и сигнал «APD_modul», имеющие разные частоты. В результате этого на выходе APD появляется низкочастотный сигнал, который выделяется полосовым фильтром (компоненты C55, R41, R42, R44, C58, C59).

Далее низкочастотный сигнал усиливается операционным усилителем DA6B (SGM8542). Сигнал с выхода DA6B передается на АЦП микроконтроллера по линии M2. Также этот сигнал дополнительно усиливается транзистором T6 и передается на микроконтроллер по линии M1.
Такое ступенчатое усиление нужно из-за того, что уровень входного сигнала меняется в очень широких пределах.

Кроме того, рядом с APD установлен терморезистор R58, позволяющий определить температуру APD. Как я уже говорил, параметры APD сильно зависят от температуры, и терморезистор нужен для программной компенсации этой зависимости. В процессе работы APD нагревается, и даже это изменяет его характеристики. К примеру, при комнатной температуре из-за собственного нагрева усиление фотодиода падает более чем в 2 раза.

В случае, когда уровня принимаемого сигнала не хватает, микроконтроллер повышает напряжение на APD, таким образом увеличивая усиление. Во время проверки работы рулетки с родной прошивкой я обнаружил, что там есть только два уровня выходного напряжения — 80 и 93 В. Однако в то время я не догадался, что эти уровни могу зависеть от температуры APD, и не проверил, меняются ли в рулетке какие-либо управляющие сигналы при нагреве.

На фотографиях платы видно, что на ней есть контрольные площадки. Я отметил их на схеме и плате: «TPx». Среди них можно выделить:

  • TP3, TP4 — низкочастотный сигнал с усилителя фотодиода. Именно этот сигнал несет информацию о расстоянии до объекта. При помощи осциллографа можно увидеть, что сигнал имеет частоту 5 кГц, и содержит постоянную составляющую.
  • TP1 — опорный сигнал. Также имеет частоту 5 кГц и содержит постоянную составляющую. Амплитуда этого сигнала довольно мала — около 100 мВ.
  • TP5 — высокое напряжение питания лавинного фотодиода.

Программирование

Прежде чем пытаться сделать что-то с родной прошивкой контроллера, я решил снять логическим анализатором обмен между STM32 и PLL, который происходит по I2C шине. Для этого я припаял провода к подтягивающим резисторам шины:

image

Мне без проблем удалось перехватить обмен между упомянутыми микросхемами и декодировать данные в передаваемых посылках:

Анализ результатов показал, что контроллер всегда только записывает информацию в PLL, и ничего не считывает. При хорошем уровне сигнала один цикл измерений занимает около 0.4 секунд, при плохом уровне сигнала измерения идут значительно дольше.

Видно, что микроконтроллер передает в PLL достаточно крупные посылки с периодом около 5 мс.
Поскольку данных было много, для их анализа я написал специальную программу на Python. Программа определяла и подсчитывала посылки, определяла размер посылок, время между ними. Кроме того, программа выводила названия регистров PLL, в которые производится запись передаваемых байтов.

Как оказалось, каждые 5 мс STM32 полностью перезаписывает основные регистры PLL (длина пакета 51 байт), в результате чего PLL меняет обе частоты. Никакой инициализации PLL рулетка не проводит — то есть пакеты передаваемых данных несут полную конфигурацию PLL. При хорошем уровне сигнала цикл измерений состоит из 64 передач данных.

Далее я добавил в программу расчет частоты по данным, передаваемым в пакетах. Выяснилось, что в процессе измерений рулетка использует четыре частоты модуляции лазера:

  • 162.0 MHz
  • 189.0 MHz
  • 192.75 MHz
  • 193.5 MHz

Судя по всему, 4 цикла переключения частот (по 5 мс каждый) позволяют обеспечить однократное определение расстояния. Таким образом, проведя 64 цикла, рулетка выполняет 16 измерений расстояния, после чего усредняет и фильтрует результаты, за счет чего повышается точность измерения.

Далее я приступил к написанию своей программы для микроконтроллера рулетки.

После подключения программатора к рулетке компьютер не обнаружил ее микроконтроллер. Насколько я понимаю, это значит, что в родной прошивке интерфейс SWD отключен программно. Эту проблему я обошел, подключив к рулетке линию программатора NRST и выбрав в настройках ST-LINK Utility режим «Connect under reset». После этого компьютер обнаружил контроллер, но, как и ожидалось, родная прошивка была защищена от чтения. Для того, чтобы записать в контроллер свою программу, Flash-память контроллера пришлось стереть.

Первым делом в своей программе я реализовал включение питания аналоговой части дальномера, включение лазера и установку его тока, включение напряжения питания APD. После того, как я убедился, что все напряжения в норме, можно было экспериментировать с PLL. Для теста я просто реализовал запись в PLL тех данных, которые я ранее получил с рулетки.

В результате после запуска своей программы я обнаружил, что на контрольных точках появился сигнал с частотой 5 кГц, амплитуда которого явно зависела от типа объекта, на которые светил лазер. Это значило, что вся аналоговая электроника работает правильно.

После этого я добавил в программу захват аналогового сигнала при помощи АЦП. Стоит отметить, что для измерения разности фаз сигналов микроконтроллер должен захватывать уровни основного и опорного сигналов одновременно или с постоянной задержкой. В STM32F100 последний вариант можно реализовать, используя режим сканирования АЦП. Данные от АЦП при этом логично захватывать в память при помощи DMA, а для того, чтобы данные захватывались с заданной частотой дискретизации, запуск преобразования АЦП должен производиться по сигналу от одного из таймеров.

В результате экспериментов я остановился на следующих параметрах захвата:

— Частота дискретизации АЦП — 50 кГц,
— Количество выборок — 250.
— Суммарное время захвата сигнала — 5 мс.
— Захваченные данные программа контроллера передает на ПК по UART.

Для обработки захваченных данных я написал на C# небольшую программу:

image

График синего цвета — принятый сигнал, график оранжевого цвета — опорный сигнал (его амплитуда на этом графике увеличена в 20 раз).

На графике снизу показан результат FFT преобразования принятого сигнала.

Используя FFT, можно определить фазу сигнала — нужно рассчитать фазовый спектр сигнала, и выбрать из него значение фазы в точке, соответствующей 5кГц. Отмечу, что я пробовал выводить фазовый спектр на экран, но он выглядит шумоподобным, так что я от этого отказался.

В то же время в действительности на микроконтроллер поступают два сигнала — основной и опорный. Это значит, что нужно вычислить при помощи FFT фазу каждого из сигналов на частоте 5 кГц, а затем вычесть из одного результата другой. Результат — искомая разность фаз, которая и используется для расчета расстояния. Моя программа выводит это значение под графиком спектра.

Очевидно, что использование FFT — не самый подходящий метод определения фазы сигнала на единственной частоте. Вместо его я решил использовать алгоритм Гёрцеля. Процитирую Википедию:

Алгоритм Гёрцеля (англ. Goertzel algorithm) — это специальная реализация дискретного преобразования Фурье (ДПФ) в форме рекурсивного фильтра.… В отличие от быстрого преобразования Фурье, вычисляющего все частотные компоненты ДПФ, алгоритм Гёрцеля позволяет эффективно вычислить значение одного частотного компонента.

Этот алгоритм очень прост в реализации. Как и FFT, он может возвращать комплексный результат, благодаря чему можно рассчитать фазу сигнала. В случае использования этого алгоритма также нужно рассчитать фазы основного и опорного сигналов, после чего вычислить их разность.
Эта же программа для ПК позволяет вычислять разность фаз и амплитуду сигнала при помощи алгоритма Герцеля. Результаты экспериментов показали, что при хорошем уровне сигнала точность измерения разности фаз может доходить до 0.4 градусов (СКЗ по 20 измерениям).

На следующем этапе я написал программу для микроконтроллера, которая сама рассчитывала разность фаз сигналов для трех разных частот модуляции (при помощи алгоритма Герцеля), и передавала результат на ПК. Почему использовались именно три частоты — я объясню позднее. За счет того, что расчеты производятся на самом микроконтроллере, нет необходимости передавать большой объем данных по UART, что значительно увеличивает скорость измерений.

Для ПК была написана программа, которая позволяла захватывать принимаемые данные и логировать их.

Именно на этом этапе я заметил сильное влияние температуры лавинного фотодиода на результаты измерения разности фаз. Кроме того, я заметил, что амплитуда принимаемого светового сигнала также влияет на результат. Кроме того, при изменении напряжения питания APD вышеуказанные зависимости явно изменяются.

Честно говоря, в процессе исследований я понял, что задача определения влияния сразу нескольких факторов (напряжения питания, амплитуды светового сигнала, температуры) на разность фаз достаточно сложна, и, в идеале, требует большого и длительного исследования. Для такого исследования нужна климатическая камера для имитации различных рабочих температур и набор светофильтров для исследования влияния уровня сигнала на результат. Нужно сделать специальный стенд, способный автоматически изменять уровень светового сигнала. Исследования осложняются тем, что при уменьшении температуры растет усиление APD, причем до такой степени, что APD входит в режим насыщения — сигнал на его выходе превращается из синусоидального в прямоугольный или вообще исчезает.

Такого оборудования у меня не было, так что пришлось ограничится более простыми средствами. Я проводил исследования работы дальномера только при двух рабочих напряжениях лавинного фотодиода (Uapd) в 82 В и 98 В. Все исследования шли при частоте модуляции лазера 160 МГц.

В своих исследованиях я считал, что изменения амплитуды светового сигнала и температуры независимо друг от друга влияют на результаты измерения разности фаз.

Для изменения амплитуды принимаемого светового сигнала я использовал специальный подвижный столик с прикрепленной заслонкой, которая могла перекрывать линзу-объектив фотодиода:

С изменением температуры все было сложней. В первую очередь, как я уже упоминал ранее, у APD был заметный эффект саморазогрева, который хорошо отслеживался термодатчиком. Для охлаждения рулетки я накрыл ее коробом из пенопласта с установленным в нем вентилятором, и установил сверху емкость с холодной водой. Кроме того, я пробовал охлаждать рулетку на балконе (там было около 10 °C). Судя по уровню сигнала с термодатчика, оба метода давали примерно одинаковую температуру APD. С нагревом все проще — я нагревал рулетку потоком горячего воздуха. Для этого я использовал резистор, прикрепленный к кулеру — так можно было регулировать температуру воздуха.

У меня не было никакой информации об установленном в рулетке терморезисторе, так что я нигде не пересчитывал результаты преобразования АЦП в градусы. При увеличении температуры уровень напряжения на АЦП падал.

В результате получились такие результаты:

  • При увеличении Uapd (то есть с ростом усиления) заметно возрастает чувствительность APD к изменениям температуры и изменению уровня сигнала.
  • При уменьшении амплитуды светового сигнала появляется небольшой сдвиг фазы — примерно +2 градуса при изменении амплитуды от максимальной до минимальной.
  • При охлаждении APD появляется положительный сдвиг фазы.

Можно видеть, что при изменении температуры (примерно от 15 до 40 градусов) разность фаз изменяется более чем на 30 градусов.

Для напряжения 82 В эта зависимость получилась практически линейной (по крайней мере, в том диапазоне температур, где я проводил измерения).

В результате, я получил два графика для двух Uapd, которые показывали связь между температурой и фазовым сдвигом. По этим графикам я определил две математические функции, которые использовал в микроконтроллере для коррекции значения разности фаз. Таким образом, я смог избавиться от влияния изменения внешних факторов на правильность измерений.

Следующий этап — определение расстояния до объекта по трем полученным разностям фаз. Для начала, я решил сделать это на ПК.

В чем тут проблема? Как я уже упоминал ранее, если частота модуляции достаточно высокая, то на определенном расстоянии от дальномера при попытке определить расстояние возникает неоднозначность. В таком случае для точного определения расстояния до объекта нужно знать не только разность фаз, но и число целых фаз сигнала (N), которые укладываются в этом расстоянии.

Расстояние в результате определяется формулой:

Из анализа работы заводской программы рулетки видно, что частоты модуляции лежат в диапазоне 160-195 МГц. Вполне вероятно, что схемотехника рулетки не позволит модулировать излучение лазера с меньшей частотой (я это не проверял). Это значит, что метод определения расстояния до объекта по разности фаз в рулетке должен быть сложнее, чем простое переключение между высокой и низкой частотами модуляции.

Стоит заметить, что из-за того, что частоты модуляции разные, то число целых фаз сигнала в одних случаях может иметь общее значение N, а в других — нет (N1, N2 . ).

Мне известны только два варианта решения этой задачи.

Первый вариант — простой перебор значений N и соответствующих им расстояний для каждой используемой частоты модуляции.

В ходе такого перебора ищутся такие значения N, которые дают наиболее совпадающие друг с другом расстояния (полного совпадения можно не получить из-за ошибок при измерении разности фаз).

Недостаток этого метода — он требует производить много операций и достаточно чувствителен к ошибками измерения фаз.

Второй вариант — использование эффекта биений сигналов, имеющих близкие частоты модуляции.
Пусть в дальномере используются две частоты модуляции сигнала с длинами волн и , имеющие достаточно близкие значения.

Можно предположить, что на дистанции до объекта количество целых периодов N1 и N2 равны между собой и равны некому значению N.

В таком случае получается такая система уравнений:

Из нее можно вывести значение N:

Получив значение N, можно вычислить расстояние до объекта.

Максимальное расстояние, на котором выполняется вышеупомянутое утверждение, определяется формулой:

Из этой формулы видно, что чем ближе друг к другу длины волн сигналов, тем больше максимальное расстояние.

В то же время, даже на указанной дистанции в некоторых случаях это утверждение (N1=N2) выполнятся не будет.

Приведу простой пример.

Пусть и .
В таком случае .

Но если при этом путь, который проходит свет, равен 1.53м, то получается что для первой длины волны N1 = 0, а для второй N2 = 1.

В результате расчета величина N получается отрицательной.

Бороться c этим эффектом можно, используя знание, что
.
В таком случае можно модифицировать систему уравнений:

Используя эту систему уравнений, можно найти N1.

Применение этого метода имеет определенную особенность — чем ближе друг друг к другу длины волн сигналов модуляции, тем больше влияние ошибок измерения разности фаз на результат. Из-за наличия таких ошибок значение N может вычисляться недостаточно точно, но, по крайней мере, оно оказывается близким к реальной величине.

При определении реального расстояния до объекта приходится производить калибровку нуля. Делается она достаточно просто — на определенном расстоянии от рулетки, которое будет принято за «0», устанавливается хорошо отражающий свет объект. После этого программа должна сохранить измеренные значения разности фаз для каждой из частот модуляции. В дальнейшей работе нужно вычитать эти значения из соответствующих значений разностей фаз.

В своем алгоритме определения расстояния я решил использовать три частоты модуляции: 162.5 МГц, 191.5 МГц, 193.5 МГц — по результатам экспериментов, это было наиболее подходящее количество частот.

Мой алгоритм определения расстояния состоит из трех этапов:

    Проверка, не попали ли разности фаз в зону «нулевого» расстояния. В области, близкой к нулю калибровки, из-за ошибок измерения значение разности фаз может «прыгать» — от 0 градусов до 359 градусов, что приводит к большим ошибками при измерении расстояния. Поэтому, при обнаружении, что все три разности фаз одновременно получились близкими к нулю, можно считать, что измеряемое расстояние близко к нулевому значению, и за счет этого отказаться от вычисления величин N.

Эта программа позволяет отображать данные, передаваемые рулеткой — амплитуду сигнала, напряжение APD, температуру в единицах АЦП, значения разности фаз сигналов для трех частот и вычисленное по ним расстояние до объекта.

Калибровка нуля производится в самой программе при нажатии кнопки «ZERO».

Для автономно работающего лазерного дальномера важно, чтобы усиление сигнала можно было менять, так как при изменении расстояния и коэффициента отражения уровень сигнала может очень сильно меняться. У себя в программе микроконтроллера я реализовал изменение усиления за счет переключения между двумя напряжениями питания APD — 82 В и 98 В. При переключении напряжения уровень усиления менялся примерно в 10 раз.

Я не стал реализовывать переключение между двумя каналами АЦП — «MCU_signal_high», «MCU_signal_low» — программа микроконтроллера всегда использует сигнал только с канала «MCU_signal_high».

Следующий этап — окончательный, заключается в переносе алгоритма расчета расстояния на микроконтроллер. Благодаря тому, что алгоритм был уже проверен на ПК, это не составило особого труда. Кроме того, в программу микроконтроллера пришлось добавить возможность производить калибровку нуля. Данные этой калибровки микроконтроллер сохраняет во Flash памяти.

Я реализовал два различных варианта прошивки микроконтроллера, отличающихся принципом захвата сигналов. В одной из них, более простой, микроконтроллер во время захвата данных от АЦП ничего не делает. Вторая прошивка — более сложная, в ней данные от АЦП одновременно записываются в один из массивов при помощи DMA, и в то же время при помощи алгоритма Герцеля обрабатываются уже захваченные ранее данные. За счет этого скорость измерений повышается практически в 2 раза по сравнению с простой версией прошивки.

Результат вычислений микроконтроллер отправляет по UART на компьютер.

Для удобства анализа результатов я написал еще одну маленькую программу для ПК:

Результаты

В результате мне удалось точно выяснить, как устроена электроника лазерной рулетки, и написать собственную Open source прошивку для нее.

Для меня в процессе написания прошивки наиболее важным было добиться максимальной скорости измерений. К сожалению, повышение скорости измерений заметно сказывается на точности измерений, так что требуется искать компромисс. К примеру, код, приведенный в конце этой статьи, обеспечивает 60 измерений в секунду, и точность при этом составляет около 5-10 мм.

Если уменьшить количество захватываемых значений сигнала, можно повысить скорость измерений. Я получал и 100 измерений в секунду, но при этом влияние шумов значительно увеличивалось.

Конечно же, внешние условия, такие как расстояние до объекта и коэффициент отражения поверхности сильно влияют на отношение сигнал-шум, а следовательно, и на точность измерений. К сожалению, при слишком низком уровне светового сигнал даже увеличение усиления APD не сильно помогает — с ростом усиления растет и уровень шумов.

В ходе экспериментов я заметил, что внешняя засветка лавинного фотодиода тоже значительно увеличивает уровень помех. В модуле, который был у меня, вся электроника открыта, так что для уменьшения помех его приходится накрывать чем-нибудь непрозрачным.

Еще одна замеченная особенность — из-за того, что оптические оси лазера и объектива фотодиода не совпадают, на близких расстояниях (падает.

В принципе, уже в таком виде электронику рулетки можно использовать в каком-нибудь проекте, например, в качестве датчика расстояния для робота.

Видео, показывающее работу рулетки:

Напоследок: какие рулетки еще можно встретить?

Здесь я хочу рассказать о конструкциях других лазерных рулеток, о которых можно найти информацию в сети.

    В первую очередь стоит отметить проект реверс-инжиниринга лазерной рулетки BOSCH DLE50.

Особенность этой рулетки — в ней в качестве PLL генератора используется заказная микросхема CF325, на которую в интернете нет никакой документации, что заметно усложняет процесс реверс-инжиниринга. Эта ситуация (заказные микросхемы без документации) очень часто встречается в лазерных рулетках, но, похоже, сейчас ситуация начинает меняться — заказные микросхемы начинают заменятся «универсальными».

Используемый в этой рулетке микроконтроллер — ATmega169P.

Еще одна особенность этой рулетки — использование механического узла, управляемого электромагнитом, который позволяет создавать «оптическое короткое замыкание», то есть перенаправляет свет от лазера к фотодиоду по известному пути. За счет того, что длина пути света и коэффициент отражения при этом известны, микроконтроллер может производить различные калибровки (по амплитуде и фазе). Во время работы этого узла лазерная рулетка достаточно громко щелкает.

Вот здесь можно посмотреть фотографии электроники этой рулетки.

Некий энтузиаст смог произвести реверс-инжиниринг протокола отладочного UART интерфейса этой рулетки, и научился управлять ее работой. Есть даже библиотека для Arduino.

На русском про устройство этой рулетки можно почитать здесь.

Как видно из фотографий, электроника этой рулетки достаточно проста, и похожа на ту, что описана в этой статье.

Используемый в этой рулетке микроконтроллер — STM32F103C8. Микросхема PLL: CKEL925 (на нее есть документация).

Она еще ближе к схемотехнике моей рулетки — здесь используется микроконтроллер STM32F030CBT6 и PLL Si5351.

Если приглядеться к фотографиям, можно заметить, что в рулетке установлены два лазера.
Судя по всему, два лазера в рулетке сейчас — не редкость. Вот в этом описании устройства еще одной рулетки упоминается, что один из лазеров имеет видимое излучение, и служит только для «целеуказания», а второй лазер — инфракрасный, и используется для измерения расстояния. Интересно, что при этом и лазер, и фотодиод используют одну линзу.

Энтузиасты уже пытались разобраться с ее протоколом, но пока в этом никто не преуспел.

Раньше я тоже пробовал выяснить, как работает эта рулетка, и даже частично восстановил схему этой рулетки.

Используемый в этой рулетке микроконтроллер — STM32F051R6. А вот других микросхем высокой степени интеграции в ней просто нет!

Зато фотоприемник здесь использован очень необычный, я никогда не встречал даже упоминаний таких устройств:

image

Судя по всему, он представляет собой систему на кристалле, и содержит два фотодиода (измерительный и опорный каналы), усилители фотодиодов, цифровую управляющую электронику и АЦП. Сигнал модуляции лазера идет тоже с него. Сам фотоприемник соединен с микроконтроллером через SPI.

Я пробовал перехватывать данные, которые идут по SPI — там присутствуют команды от контроллера датчику и пакеты информации от датчика контроллеру.

Если обработать эти пакеты в Excel — то явно видны синусоиды (то есть используется фазовый способ измерения расстояния). Это значит, что обработкой сигнала в этой рулетке занимается микроконтроллер.

Однако информации по SPI идет очень много, частоты, на которых идут измерения, установить не удалось, так что даже считать с рулетки расстояние — достаточно проблематичная задача.
Кое-какая информация по аналогичной рулетке Bosch GLM 20 собрана здесь.

  • лазерный дальномер
  • stm32
  • реверс-инжиниринг

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *