CC BY
43
УДК 621.373.826.038.823
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ БРОМИДА МЕДИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ИНФОРМАЦИИ
А.Е. Дегтярев1, Ф.А. Губарев1,2
1 Томский политехнический университет 2Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск E-mail: gubarevfa@tpu.ru
В работе представлен вариант реализации беспроводной передачи данных при помощи импульсного газового лазера на парах бромида меди. Продемонстрирована возможность частотно-импульсной модуляции излучения лазера на парах бромида меди в соответствии с цифровым кодом, поступающим с персонального компьютера. Для передачи логической единицы период повторения импульсов накачки лазера уменьшался, для передачи логического нуля - увеличивался. Показано, что изменение периода повторения импульсов на 1 мкс уже оказывает заметное влияние на мощность генерации. Представлены экспериментальные результаты по влиянию модуляции импульсов возбуждения на электрические параметры работы газоразрядной трубки и мощность генерации лазера на парах бромида меди при различной величине отклонения периода повторения импульсов от периода несущей частоты.
Ключевые слова:
Оптическая связь, загоризонтная связь, беспроводная связь, лазер на парах бромида меди, частотная модуляция излучения.
Одной из беспроводных технологий передачи данных является связь по оптическому каналу. Линию связи, в которой оптический сигнал распространяется в атмосфере, называют атмосферно-оптической линией связи (АОЛС). Возможны два варианта реализации канала АОЛС: когда передатчик и приемник излучения располагаются в зоне прямой видимости и вне зоны прямой видимости (в том числе загоризонтная связь) [1-6]. В загоризонтной связи используется сигнал, отраженный от атмосферных объектов, например аэрозолей. Такая система позволяет передавать информацию на большие расстояния. Наиболее длинная известная авторам АОЛС реализована между островом Тасмания и материковой Австралией и составляет 288 км [2]. Авторами работы [2] реализована передача данных в режиме частотно-импульсной модуляции с несущей частотой 1 кГц. В качестве передатчика применялся блок сверхярких светодиодов.
Одним из источников излучения для АОЛС может являться импульсный лазер на парах металла. Данный тип лазеров характеризуется высокой энергией в импульсе генерации при относительно низкой средней мощности [7], что дает возможность получения сигнала-отклика, достаточного для устойчивого приема с использованием фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) [6]. При этом частота следования импульсов генерации лазеров на парах металлов достигает сотен килогерц [7].
Впервые частотно-импульсное кодирование излучения лазера на парах бромида меди было реализовано в работе [5]. В работе [6] сообщается об успешной реализации АОЛС с использованием данного типа лазеров и передаче текстовой информации в цифровом формате на расстояние более 10 км. Авторами работы [6] отмечается наличие ошибок при передаче информации, связанных с изменением оптической плотности атмосферного объекта (дымового
Дегтярев Андрей Евгеньевич, магистрант кафедры промышленной и медицинской электроники Института неразрушающего контроля ТПУ.
E-mail:degtyarev_ae@mail.ru Область научных интересов: системы управления, цифровая электроника, лазеры на парах металлов. Губарев Фёдор Александрович, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры промышленной и медицинской электроники Института неразру-шающего контроля ТПУ, научный сотрудник лаборатории квантовой электроники Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, г. Томск.
E-mail: gubarevfa@tpu.ru Область научных интересов: физика лазеров, лазеры на парах металлов, газовый разряд.
шлейфа) или аппаратурными ошибками. Возможной причиной ошибок может являться изменение энергии в импульсах генерации лазера в процессе передачи информации. Меньшей энергии в импульсе генерации будет соответствовать меньшее соотношение сигнал/шум при приеме. В связи с этим целью данной работы являлось исследование влияния передаваемой информации, т. е. изменений периода следования импульсов в процессе передачи информации, на энергию генерации СиВг-лазера.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. В качестве источника излучения использовался лазер на парах бромида меди, аналогичный применяемому в работе [6] и исследованному в работах [8, 9]. Активная область газоразрядной трубки (ГРТ) имела 90 см в длину и 5 см внутреннего диаметра. Применялся независимый нагрев активной зоны ГРТ и контейнеров, что обеспечивало постоянный температурный режим независимо от параметров возбуждения. Средняя мощность генерации при частоте следования импульсов (ЧСИ) 19,2 кГц и мощности накачки 1,2 кВт (мощность, потребляемая импульсным источником питания от сети) составляла 5,1 Вт. Активная добавка ИБг, часто применяемая для повышения средней мощности генерации [7], в данной работе не использовалась. Источник накачки лазера реализован на основе схемы прямого разряда накопительного конденсатора через тиратрон. Заряд накопительного конденсатора в данной схеме осуществляется импульсно и управляется микроконтроллером [10]. Схема управления источником накачки имеет вход синхронизации, позволяющий контролировать период следования импульсов возбуждения.
Рис. 1. Схема эксперимента: 1 - лазер; 2 - фотоприемник; 3 - датчик тока; 4 - высоковольтный щуп; 5 - импульсный источник питания; 6 - осциллограф; 7 - персональный компьютер; 8 - интерфейс
В работе использовалась следующая измерительная аппаратура: измеритель средней мощности Ophir 30C-SH, датчики тока Pearson Current Monitors 8450, пробник напряжения Tektronix P6015A, коаксиальный фотоэлемент ФК-22, осциллограф LeCroy WJ-324.
Для формирования импульсов запуска для лазера изготовлен интерфейсный блок 8 (рис. 1) на основе микроконтроллера AVR Atmega16 [11]. Передача данных между интерфейсным блоком и персональным компьютером или ноутбуком осуществляется по каналу USB, реализованному с использованием микросхемы FT232RL [12]. Формируемые блоком синхросигналы для запуска лазера передаются посредством оптоволоконного передатчика HFBR-1522 [13]. Применение гальванической развязки вызвано необходимостью защиты от высокочастотных помех, генерируемых лазером в процессе работы.
Система управления, построенная с использованием микроконтроллера, позволяет осуществлять работу лазера в двух режимах: в обычном режиме и режиме передачи данных. В обычном режиме генератор формирует импульсы запуска для лазера с постоянным периодом повторения, соответствующим несущей частоте (рис. 2, а). Данный режим использовался во время разогрева лазера и выхода на номинальный режим генерации. Исследования проводились при несущей частоте 19,2 кГц (период 52 мкс).
В режиме передачи генератор принимает данные в ASCII кодах (буквы и цифры) с персонального компьютера и в зависимости от того, какие данные передаются, изменяет время между импульсами. Если передается логическая единица, то период уменьшается, если переда-
ется логический ноль, то увеличивается. На рис. 2, б показана последовательность импульсов напряжения на ГРТ и генерации при передаче числа #AAh (ASCII код), равного #10101010b (в бинарном коде), которая демонстрирует, как кодируются логические «1» и «0», а именно как изменяется период следования импульсов накачки и генерации в процессе передачи информации. Поскольку при передаче данных изменяется время между импульсами, для устойчивой синхронизации осциллографа интерфейсным блоком формируется дополнительный импульс синхронизации перед началом передачи байта информации.
1 1*1 4 .1
старт- a j >? "0" и у, '0" "0" ti 11> :"0"
О ИТ
-h 2 ; -
3
3
t, 5 0 мкс :/дел. : t,. 50 мк с/дел.
а б
Рис. 2. Осциллограммы в обычном режиме (а) и в режиме передачи данных (б): 1 - напряжение на ГРТ лазера (5 кВ/дел.); 2 - импульсы синхронизации (5 В/дел.); 3 - последовательность импульсов генерации (отн. ед.)
В работе рассмотрены три варианта частотно-импульсной модуляции излучения с разным отклонением АТ от периода несущей частоты: 4, 2 и 1 мкс. В табл. 1 приведены параметры частотно-импульсного кодирования генерации СиВг-лазера при передаче логического «0» и логической «1». Для всех режимов передачи данных время между импульсами для старт-бита составляло 58 мкс.
Таблица 1. Параметры частотно-импульсного кодирования генерации CuBr-лазера
Несущая частота, кГц AT, мкс Время между импульсами при формировании Энергия в импульсе генерации при передаче
0 1 0 1
мкс мкДж
19,2 1 53 51 271 260
2 54 50 265 244
4 56 48 275 234
На рис. 3 приведены результаты исследования цугового режима для ГРТ диаметром 3,5 см и длиной активной зоны 56 см, исследованной ранее в работе [14]. Как следует из графика, наблюдается снижение энергии генерации в первых импульсах после паузы, которое мы связываем со снижением концентрации атомов меди в основном состоянии. Для представленной на рис. 3 зависимости можно записать аппроксимирующую кривую и оценить, насколько уменьшится пиковая мощность импульса генерации при изменении задержки между импульсами от 48 до 56 мкс. Расчеты показывают, что энергия в импульсе генерации должна варьироваться в пределах ~ 6 %.
14 12 10
4
<4 8
х
н
° 6 к
I 4 о.
О)
5 2 0
-2
%
\ у— X"+2'1 и х~-и,1ио->
\
0 10 0 20 Ю 3( 0 40 Ю 5( Ю 6( Ю 70
Время, мкс
Рис. 3. Зависимость пиковой мощности генерации в первом импульсе цуга от паузы между цугами
На рис. 4-6 представлены осциллограммы работы лазера при цикличной передаче числа #10101010Ь при различных величинах АТ. По осциллограммам мгновенной мощности генерации рассчитана энергия в импульсе. Калибровка показаний ФК-22 осуществлялась по средней мощности генерации в обычном режиме. Значения энергии в импульсе генерации представлены в табл. 1. Наибольшая разницы энергии генерации АЕ = 41 мкДж (17 %) наблюдается при наибольшем АТ = 4 мкс, что отличается от приведенных выше оценок. При АТ = 1 мкс, как в работе [6], АЕ = 11 мкДж (4 %). Причем энергия генерации возрастает с увеличением межимпульсного периода.
В табл. 2 представлены значения энергии генерации в импульсах при передаче чисел #11Ь (#00010001Ь) и #77Ь (#01110111Ь) при АТ = 4 мкс. Из полученных данных следует, что энергия генерации, соответствующая логическому «0» (или логической «1»), меняется менее чем на 6 % при передаче слов с различным количеством логических «0» (логических «1»). Таким образом, можно сделать вывод, что в представленных экспериментах концентрация атомов меди не является основной причиной снижения энергии в импульсах генерации.
а б
Рис. 4. Осциллограммы импульсов генерации при передаче «0» (а) и «1» (б) при АТ = 1 мкс
а б
Рис. 5. Осциллограммы импульсов генерации при передаче «0» (а) и «1» (б) при АТ = 2 мкс
а б
Рис. 6. Осциллограммы импульсов генерации при передаче «0» (а) и «1» (б) при АТ = 4 мкс
Таблица 2.Энергия в импульсах генерации при циклической передаче чисел #11Ь, #77Ь
Число Генерация, мкДж
0 1
#11Ь 276 260 265 245
Генерация, мкДж
0 1
#77И 271 245 255 253
Снижение энергии генерации можно объяснить увеличением концентрации электронов и атомов меди в метастабильном состоянии при уменьшении периода повторения импульсов, даже если период уменьшается незначительно. Об увеличении концентрации электронов свидетельствует уменьшение напряжения на ГРТ при передаче логической «1» (рис. 7).
- 0 мкс I 7 t,i '0 мк( г/дел
1 0 1 0 ст 1 0 1
1 1 0 1 0 CT 1 0 1 0
t, 50 не/дел
t, 50 не Удел
a б
Рис. 7. Осциллограммы импульсов напряжения на ГРТ (2 кВ/дел) при передаче «0» (а) и «1» (б) при AT = 1 мкс
Итак, в работе представлен вариант реализации беспроводной передачи данных при помощи импульсного газового лазера на парах бромида меди. Продемонстрирована возможность частотно-импульсной модуляции излучения CuBr-лазера в соответствии с цифровым кодом, поступающим с персонального компьютера.
При передаче данных с использованием описанной техники следует иметь в виду, что в зависимости от режима передачи может наблюдаться существенное (до 17 %) отличие энергии генерации при передаче логического «0» и «1». Учитывая столь существенное изменение энергии в импульсе генерации, можно сделать вывод, что для задач загоризонтной связи, где энергия в импульсе является критическим параметром, необходимо уменьшать разницу периода повторения импульсов при кодировании «0» и «1» с целью обеспечения примерно одинакового уровня энергии в импульсах генерации.
Авторы выражают благодарность профессору Томского политехнического университета Г.С. Евтушенко за интерес к работе и полезные комментарии.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-19-00175).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Украинцев Ю.Д., Цветов М.А. История связи и перспективы развития телекоммуникаций. - Ульяновск: УлГТУ, 2009. - 128 с.
2. Moncur R., Smith D., Gelston J., Giles-Clark J. 288 km Cloud bouce from Tasmania to the Australian Mainland. - URL: http://reast.asn.au/optical/288_km_Cloudbouce_from_Tasmania_ to_the_Australian_Mainland.pdf (дата обращения 04.07.2014).
3. Mooradian G.C., Geller M., Levine P.H., Stotts L.B., Stephens D.H. Over-the-horizon optical propagation in a maritime environment // Applied Optics. - 1980. - V. 19 (1). - P. 11-30.
4. Милютин Е.Р. Загоризонтные оптические линии связи // Вестник связи. - 2005. - № 4. -С.196-199.
5. Васильев А.С., Губарев Ф.А., Федоров В.Ф. Передача информации с использованием лазера на парах бромида меди // Современные техника и технологии: XVII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 1822 апреля 2011. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - Т. 1. -С.166-167.
6. Атмосферные бистатические каналы связи с рассеянием. Часть 1. Методы исследования / В.В. Белов, М.В. Тарасенков, В.Н. Абрамочкин и др. // Оптика атмосферы и океана. -2013. - Т. 26. - № 4. - С. 261-267.
7. Евтушенко Г.С. Шиянов Д.В., Губарев Ф.А. Лазеры на парах металлов с высокими частотами следования импульсов. - 2-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 276 с.
8. Gubarev F.A., Evtushenko G.S., Vuchkov N.K., Sukhanov V.B., Shiyanov D.V. Modeling technique of capacitive discharge pumping of metal vapor lasers for electrode capacitance optimization // Review of Scientific Instruments. - 2012. -V. 83. - P. 055111-055115.
9. Влияние индуктивности разрядного контура на энергетические характеристики CuBr-лазера / Ф.А. Губарев, М.В. Тригуб, К.В. Федоров, Г.С. Евтушенко // Оптика атмосферы и океана. - 2013. - Т. 26. - № 7. - С. 604-609.
10. Стабилизированный лазер на бромиде меди с автоматизированным управлением режимами работы со средней мощностью генерации 20 Вт / В.А. Димаки, В.Б. Суханов, В.О. Троицкий, А.Г. Филонов // Приборы и техника эксперимента. - 2012. - № 5. - С. 95-99.
11. 8-bit AVR Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash. - URL: http://www.atmel.com/Images/doc2466.pdf (дата обращения 04.07.2014).
12. Future Technology Devices International Ltd. FT232RUSBUARTIC. - URL: http://pdf.datasheet.su/ftdi/ft232rl.pdf (дата обращения 04.07.2014).
13. HFBR-0500Z Series. Versatile Link. The Versatile Fiber Optics Connection. - URL: http://www.avagotech.com/docs/AV02-1501EN (дата обращения 04.07.2014).
14. Восстановление молекул бромида меди в плазме CuBr-лазера в межимпульсный период / С.Н. Торгаев, Ф.А. Губарев, А.М. Бойченко и др. // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2011. - Т. 201. - № 2. - С. 81-84.
Поступила 06.10.2014
