Тайна третьей планеты. Как изучают лазеры

Евгений «Vshmuk» Бейсембаев (diver@edu.ioffe.ru)

Где-то глубоко в недрах питерского Физико-Технического института русские физики денно и нощно выращивают и тестируют новые модели лазеров, чтобы ты, спустя каких-нибудь пять лет, смог наслаждаться просмотром кино на новеньком блюрее или его потомке. Тайна самого любопытного этапа изготовления лазера, а именно – измерения параметров готовых образцов, прежде доступная лишь избранным, сегодня откроется и тебе.

Зайдя на чай на кафедру микроэлектроники Петербургского ФизТеха, ты сможешь лицезреть кучку лохматых инженеров-фрикеров, в горящих глазах которых явственно читается желание разобрать что-нибудь, попавшее под руку, изучить это, посмеяться над изобретателями и собрать то же самое, только лучше, быстрее, фичастее. В этот раз нашими электронщиками был создан девайс, который со дня на день приступит к своей работе во благо науки. И естественно, он фичастее некуда.
Для начала о процессе. После того, как теоретики проведут расчеты, лаборатория, выращивающая микросхемы и прочие полупроводники, изготавливает опытный образец лазерного кристалла, который поступает на измерения. По результатам измерений оказывается, что теоретики снова были неправы в своих расчетах :), и процесс начинается заново. Что же измеряется? Во-первых, вольт-амперная характеристика (ВАХ) лазера. Не забывай, что лазер - суть диод, «открывающийся» и начинающий светить при достижении определенного напряжения, а при достижении несколько большего – просто сгорает. Вот для определения «рабочей области» данного лазера и измеряют его ВАХ. Следующим пунктом в измерениях идет, естественно, его яркость. Перед лазером ставят фокусирующую линзу, а за ней - фотоприемник. Излучаемый свет фиксируется и отправляется на оцифровку. Довольный физик сидит за компьютером, изучает форму оцифрованного сигнала и радуется.

Тут стоит заметить, что самые интересные свойства новоиспеченного лазера проявляются в так называемом импульсном режиме, когда на диод подается столь большое напряжение, что он попросту плавится. Но до того, как это произойдет, напряжение падает до нуля, давая диоду поостыть. После чего «пинок» повторяется.
Физика лазеров сама по себе родилась не вчера, так что просто так исследовать их никому уже неинтересно. А интересно изучать либо очень мощные, либо быстрые, либо точные.

Поэтому главная цель нашего устройства - генерить очень мощные (до нескольких ампер) и очень короткие (до 20 нс) «пинки», а потом следить за реакцией лазера на такое грубое обращение с помощью оцифровок тока и фототока, то есть яркости. Даже если кристалл умрет от первого же импульса, весь процесс его смерти будет записан — это и круто.

Морда девайса

На нас смотрят текстовый экран, пара кнопочек, колесико-энкодер, USB-порт и куча позолоченных разъемов для коаксиальных кабелей. Рядом с устройством располагаются собственно сам лазер, линза, фотоприемник, осциллограф, компьютер и физик. Для охлаждения диода используется так называемый элемент Пельтье, который одну свою сторону холодит, а другую – греет, и держит строгую разность температур; если одна сторона (горячая) будет, к примеру, 5 градусов, то другая всегда будет -30. То есть дельта – 35 градусов примерно. Обе стороны снабжены радиаторами и вентилятором. Лазер себя при таком обвесе чувствует более чем прохладно и готов без проблем пропускать очень большой ток. На фотографиях «пельтюшка» со стенда пока что снята, а мы холодим на ней лимонад.

Устройство, после того, как ему через компьютер прописали базовые настройки, может работать автономно и управляться через кнопочки на лицевой панели. Простая, древовидная менюшка позволяет выбирать амплитуду, ширину и частоту импульсов, стабилизацию по току и температуре, а также показывает температуру лазера и прочую статистику.

Теперь подключаем питание, коаксиальные кабели (4 - на питание лазера, 1 - на измерение тока и 1 - на измерение фототока), USB. Запускаем программу для управления, задаем параметры и проверяем оставшимся глазом, загорелся ли лазер. Программа кросплатформенная, написана на GTK+ 2.0/OpenGL и libusb, – показывает осциллограммы со всех каналов и в автоматическом режиме строит ВАХ. Если возникают сомнения в правдивости осциллограммы (например, АЦП перегреваются или Винда глючит), то можно ткнуться в разъемы уже нормальным осциллографом, специально для которого на заднюю стеночку устройства выведен канал синхронизации.

Из чего же сделан этот монстр?

Сняв верхнюю крышку «кастрюли», мы видим огромный, в половину объема, импульсный блок питания и довольно компактную материнскую плату. На мамке успешно уживаются как силовая часть, так и сверхчувствительные «оцифровочная» с «логической», о которых часто достаточно даже подумать не с тем напряжением, чтобы у них от наводок поехала крыша. Решение - разные «земли» для каждой части, развязанные друг относительно друга.

Ядро силовой части - пары MOSFET-транзисторов (MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) и так называемые транзисторные двайвера - промежуточные устройства, позволяющие быстро заряжать их затворы (вспоминай статьи Di_Halta про правильное питание, - Прим. ред). На фотографии можно увидеть восьминогие микросхемы-тараканы — вот они, по транзистору и по два драйвера на микросхему. Этот прием — транзисторный полумост и драйверы — ты часто будешь видеть в силовой электронике. MOSFET-ы открываются по очереди, подтягивая линию то до питания вверх, то до земли вниз. Подобные дрыгания и генерируют нужные нам прямоугольные импульсы. А драйвер, быстро открывая транзисторы, делает импульсы еще «прямоугольнее». Кстати, если будешь применять такой прием в своих устройствах, ни в коем случае не открывай оба транзистора одновременно! Тем самым ты закоротишь питание и землю, а у бедных транзюков натурально слетит крыша, обнажив кристалл. Красиво, конечно, но затратно перепаивать.

Вокруг мы видим катушки-дроссели, кучку конденсаторов и диоды (такие маленькие, красноватые) от лишних вздрыгов. Импульсы проходят через еще один дроссель для сглаживания последствий ШИМ и утекают по кабелю в лазер. Именно с силовой частью у нас связан наиболее активный период шаманства и подбирания не-знаю-чего-но-чтобы-красиво.

Аналоговую часть можно легко опознать по микросхемам фирмы Analog Devices (о, как!) и блестящей россыпи всякой мелкой обвески вокруг АЦП (Аналого-Цифровых преобразователей) и операционных усилителей. Обрати внимание, форма компоновки компонентов всех трех каналов почти одинакова. Где-где, а вот здесь метод copy-paste рулит. А еще заметь, насколько близко «рассыпуха» подобралась к микросхемам. Все это нужно для снижения наводок на слабый сигнал. С противоположной стороны платы есть еще один АЦП для «маловажной» оцифровки температуры и тока на Пельтье.

С цифровой частью все просто: контроллер Atmel AT91SAM7X (нет, не AVR, а самый настоящий ARM!), ПЛИС Altera Cyclone, кварцы, стабилизаторы напряжения ядра, шина управления ЖК-дисплеем, связь с кнопками и вывод канала синхронизации в виде вертикально торчащего коаксиального разъема. Роль здешних компонентов должна быть понятна сразу. Altera является чипсетом, связывающим все компоненты, а заодно – «драйвящим» и «шимящим» ядром, собирателем, упаковывателем и фильтром оцифрованных данных, а также исполняющим прочие задачи в реальном, ясен пень, времени. ПЛИСины идеально подходят для подобных функций. Контроллер связывает устройство с внешним миром (USB и никогда не использовавшийся COM-порт), реагирует на кнопки, рисует на экране и дает команды Alter-ине на изменение параметров импульса.

Лазерное шоу

На примере лазерного драйвера ты знаешь основные идеи построения мощных и быстрых устройств. Подобную схему можно использовать где угодно: в науке, в промышленности или при экстремальном разгоне твоего процессора. Не используя силовой модуль, мы получим относительно недорогой осциллограф с разрешением 200 МегаСэмплов.

Хочешь узнать больше про лазеры? Как всегда, начинай с Википедии (например, http://ru.wikipedia.org/wiki/Лазерный диод + английская версия)

P.S. При создании репортажа ни один теоретик не пострадал.

АЦП - Аналогово-Цифровой Преобразователь

На вход АЦП подается какое-либо напряжение. Он сравнивает его с некоторым эталонным (чаще всего, 2,5 В) и выдает число, обозначающее отношение входного напряжения с эталонным. Короче, «оцифровывает» и позволяет контроллеру производить с получившимся значением какие-либо операции.

АЦП стоят во всех китайских тестерах, а также в мобильниках для передачи твоей речи по цифровому каналу.

Качественные и быстрые АЦП стоят дорого. Им нужна точная обвеска для фильтрации сигнала и генерации правильного эталона, – ибо до французской Палаты мер и весов далеко, а значение хочется получать точное.

ЦАП - Цифро-Аналоговый Преобразователь

Это «АЦП наоборот». На вход подается число, с выхода - напряжение, пропорциональное входному числу. ЦАП значительно проще в изготовлении и часто уже встроен в большинство микроконтроллеров. В нашей схеме ЦАП не используется, а его функции успешно выполняет широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с фильтрацией выхода.

ARM - Advanced Risc Machines

Очень продвинутая процессорная RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computing), которая все больше используется в портативной электронике. Завоевала популярность в том числе из-за того, что корпорация ARM лицензирует сторонним производителям производство ядра и встраивание его в свои контроллеры. Поэтому зоопарк ARM-ов такой обширный: эти контроллеры присутствуют в большинстве смартфонов и КПК. В журнале уже не раз рассказывали про эту архитектуру.

Контакты

Если тебя заинтересовала эта область электроники, добро пожаловать на сайт кафедры geolab.ioffe.net, куда мы в скором времени выложим много вкусной документации или же пиши нам на почту с вопросами по этой теме.

В создании устройства принимали участие:

• Георгиевский Анатолий (плата, прошивка) - george@switch.ioffe.ru
• Фредерикс Иван (gui, отладка) - idfred@gmail.com

Эффект Пельтье

Так называемый термоэлектрический эффект, объясняющий связь между тепловыми и электрическими процессами. В нашем случае - поглощение тепла при прохождении тока через контакт разнородных сред. В элементах Пельтье используется стопка определенным образом расположенных легированных p- и n- полупроводников, что в итоге и приводит к созданию температурной разницы по бокам «пельтюшки». Особо продвинутые оверклокеры используют эти элементы для разгона своих процессоров, но новичкам стоит быть осторожнее - не забывай отводить тепло с противоположной стороны модуля и следи, чтобы на нем не выпал иней. Если коротнет - будет обидно.

Вольт-Амперная Характеристика

Все, через что может быть пропущен ток, имеет свою ВАХ. По сути, это график зависимости тока, проходящего через объект, от его напряжения. Обыкновенные (и идеальные!) резисторы имеют линейную характеристику, то есть ток растет прямо пропорционально напряжению, а сопротивление постоянно и равно углу наклона этой прямой на графике. А вот более экзотические устройства типа диодов или стабилитронов имеют нелинейную характеристику, от которой и будет зависеть область их применения. По построенному графику ВАХ нововыращенного диода уважающий себя физик сразу назовет такие страшные его характеристики, как, например, ширина p-n перехода или тип материала.