Lasere Q Switched de Mare Performantadocx

=== Lasere Q-Switched de mare performanta ===

Universitatea Politehnica București

Facultatea de Electronică,Telecomunicații și Tehnologia Informației

Lasere Q-Switched de mare performanță

Proiect de diplomă

prezentat ca cerință parțială pentru obținerea titlului de Inginer în domeniul Electronică și Telecomunicații programul de studii de licență Microelectronică, Optoelectronică și Nanotehnologii (ETC-MON)

Conducător științific, Absolvent,

Ș. L. Dr. Ing. Marian Vlădescu Chisalom Ionuț-Ciprian

Cuprins

Lista figurilor………………………………………………………………………………………9

Lista acronimelor………………………………………………………………………………….11

Introducere………………………………………………………………………………………..13

1.Tehnici Q-Switched…………………………………………………………………………….15

1.1 Tehnica Q-Switching Activă………………………………………………………….15

1.2 Lasere folosind tehnica Q-Switching Activă………………………………………….16

1.3 Tehnica Q-Switching Pasivă…………………………………………………………..17

1.4 Lasere folosind tehnica Q-Switching Pasivă………………………………………….18

1.5 Probleme de proiectare ale laserelor…………………………………………………..19

2.Lasere Q-Switched de mare performanță……………………………………………………….21

2.1 Configurația unui laser de mare performanță………………………………………….21

3.Aplicații ale laserelor Q-Switched de mare performanță………….…………………………….23

3.1 Sisteme LIBS……………………………………………….………………………….23

3.1.1 Configurația unui sistem LIBS ……………………………..,…………….….23

3.1.2 Aplicații și avantaje ale sistemului LIBS …………………………………….24

3.2 Sisteme LIDAR…………………………..…………………………………………….25

3.2.1 Configurația unui sistem LIDAR………………………….…………………27

3.2.2 Alegerea unui laser Q-Switch pentru un LIDAR…………………………….28

3.2.3 Folosirea MATLAB-ului pentru analiza datelor LIDAR…………………….29

3.2.4 Aplicații ce folosesc sistemul LIDAR………………………………………..41

3.3 Măsurarea Disțantelor…………………………………………………………………..43

3.3.1 Modul de calcul……………………………………………………………….43

3.3.2 Aplicații……………………………………………………………………….44

3.4 Alte aplicații ce folosesc lasere de mare performanță…………………………………..45

Concluzii……………………………………………………………………………………………47

Bibliografie…………………………………………………………………………………………..49

Anexe……………………………………………………………………………………………….51

Lista figurilor

Figura 1.1 Evoluția in timp a câștigurilor și a pierderilor unui laser Q-Switched Activ

Figura 1.2 Schema unui laser Q-Switched Activ

Figura 1.3 Evoluția în timp a câștigurilor și a pierderilor unui laser Q-Switched Pasiv

Figura 1.4 Schema unui laser Q-Switched Pasiv

Figura 2.1: Capul laserului, cablul si controlărul. Alimentarea lipsește din această poză.

Figura 2.2: O curbă tipică de disipare a căldurii în raport cu temperatura plăcii de bază în condiții de funcționare extremă cu un contact termic bun între capul laserului și radiator.

Figura 3.1: O figura schematică a componentelor ce intră într-un LIBS

Figura 3.2: Compație între două tipuri de lasere. Analiză asupra aceleași probe de aliaj de aluminiu efectuat cu un laser cu diodă (în partea de sus) și un laser cu lampă (în parte de jos).

Figura 3.3 Rezultatele analizelor celor două probe din două aliaje diferite de aluminiu cu tehnologia LIBS

Figura 3.4: Model de Lidar folosit pentru scanarea clădirilor sau a rocilor pentru producerea unui model 3D

Figura3.5 : Durata unui puls obținut la o frecvență de 100Hz cu un cristal multi-segmentat prezentant la 2mJ/puls

Figura 3.6 : Energia de ieșire a pulsului în funcție de puterea absorbită (în stânga). Profilul fascicului luminos (în dreapta)

Figura 3.7 : Reprezentare grafică 3D a setului 1 de date

Figura 3.8 : Reprezentare grafică 3D a setului 2 de date

Figura 3.9 : Reprezentare grafică “de sus” a setului 1 de date

Figura 3.10: Reprezentare grafică “de sus” a setului 2 de date

Figura 3.11: Histogramă a distribuției amplitudinii a setului1 de date

Figura 3.12: Histogramă a distribuției amplitudinii a setului2 de date

Figura 3.13: Distribuția reziduriilor pentru setul 1 de date

Figura 3.14: Distribuția reziduriilor pentru setul 2 de date

Figura 3.15: Reprezentare grafică a reziduriile obținute dupa filtrare pentru primul set

Figura 3.16: Reprezentare grafică a reziduriile obținute după filtrare pentru al2-lea set

Figura 3.17: Reprezentare grafică ”de sus” după eliminarea anomaliilor

Figura 3.18: Exemplu de teren topografiat cu Lidar și împărțirea lui pe cele 3 categorii

Figura 3.19: Un sistem de măsure a distanțelor lungi de până la 20km, montat pe un tripod cu un suport unghiular.

Figura 3.20 Exemplu de măsurătoare obținuta cu un sistem militar.

Figura 3.21: O placuța de 400 micrometrii ce a fost zgâriată de un laser de 365 micrometrii.

Lista acronimelor

3D – 3 dimensiuni

CCD- Charge-Coupled Device – Dispozitiv cuplat la sarcină

Cr:Yag – Cristal de Ytrium-Aluminiu-Granat

LASER – light amplification by stimulated emission of radiation – amplificare a luminii prin stimularea emisiunii radiației

LED – light-emitting diode – diodă emițătoare de lumină

LIBS – Laser-induced breakdown spectroscopy – Spectroscopie indusa prin laser

LIDAR – Cuvânt telescopat provenit de la cuvintele "light" and "radar" ce înseamna lumină si radar.

MATLAB- Matrix Laboratory – Este un mediu de dezvoltare pentru calcul numeric și analiză statistică creat de MathWorks

MOFAs – Master oscillator fiber amplifier – Sistem laser ce conține un amplificator din fibră pentru creșterea puterii de ieșire

MOPAs – Master oscillator power amplifier – Sistem ce conține un laser de o singura frecveță și un amplificator laser pentru a crește puterea de ieșire

NASA – National Aeronautics and Space Administration – Agenția responsabilă cu programul spatial public al Statelor Unite ale Americii.

RADAR – Radio detection and ranging – detectarea prin radio și determinarea distanței

Introducere

Laserele sunt dispositive ce emit lumină în urma unui proces de amplificare optică bazat pe emisiile stimulate ale radiațiilor electromagnetice. Cuvântul laser a fost la început un acronim din limba engleză pentru"light amplification by stimulated emission of radiation"[1][2] ce se poate traduce cu amplificarea luminii prin emisia de radiații stimulate.

Tehnica de Q-Swinching este una folosita de lasere pentru producerea de fasciculului luminos. În 1958 această tehnică a fost propusă pentru prima dată de Gordon Gould [3]. Laserele ce folosesc această tehnică se numesc lasere Q-Swictched. Primele experimente demonstrative au fost realizate

în 1961 în laboratoarele Hughes, în acelas loc unde cu cateva luni înainte a fost proiectat primul laser funcțional.

Evoluția tehnologiei din ultimii ani a sporit numărul de utilizatori a acestor lasere și în acelaș timp numărul de aplicații unde pot fi folosite. Scăderea dimensiunilor și creșterea performanțelor au permis utilizarea lor direct pe teren iar costurile scăzute și ușurința de a lucra cu ele a făcut ca sistemele ce folosesc astfel de lasere să înlocuiască multe alte sisteme tradiționale.

Laserele Q-Switched sunt folosite deseori in aplicații ce necesită lasere cu intensitati ridicate în pulsuri de durata nanosecundelor cum ar fi tăierea metalelor. Optica neliniară se folosește de puterile de vârf ridicate ale acestor lasere oferind aplicații în domeniul dispozitivelor de stocare 3D. Lasere Q-Switched pot fi folosite pentru măsurători, cum ar fi măsurarea distanțelor. Acest lucru se face prin măsurarea timpului ce îi trebuie pulsului să ajungă la țintă și a luminii reflectate să ajungă înapoi la emițător.

În lucrarea mea am impărțit informațiile studiate in 3 capitole mari. In primul am studiat tehnicile de funționare ale laserelui Q-Switch, in al2-lea am analizat compenența unui laser Q-Switch de mare performanță iar în ultimul capitol am studiat aplicabilitatea laserelor și importanța lor in viata noastră.

1.Tehnica Q-Switched

Tehnica de Q-Switching, cunoscută și ca o structură cu puls gigantic sau Q-Spoiling[4] este o tehnică de obținere a pulsurilor energetice scurte, dar nu ultrascurte. Această tehnică permite obținerea de pulsuri luminoase cu o putere de vârf foarte mare, mult mai mare decât ne permit să obținem laserele ce folosesc undele continue.

Generarea unui puls Q-Switched poate fi descrisă prin mai mulți pași. Inițial pierderile rezonatorului sunt menținute la un nivel înalt, astfel laserul nu poate emite fascicule iar energia primită in mediul de câștig se stochează acolo. Nivelul maxim al energiei stocate e limitat doar de emisiile spontane. Apoi, pierderile sunt reduse brusc la o valoare foarte mică facând ca puterea radiației laserului sa crească foarte rapid în rezonatorul acestuia. Acest proces începe de obicei cu zgomotul provenit de la emisiile spontane ce este multiplicat apoi de sute sau mii de ori. Odata ce puterea temporară dintre cavitați atinge nivelul energiei saturate din mediul de câștig, aceasta începe sa devină saturat. Nivelul de vârf al pulsului este atins atunci când câștigurile energetice sunt egale cu pierderile rezonatorului. In majoritatea cazurilor, energia extrasă imediat dupa maximul pulsului este egală cu cea extrasă înainte de maxim.

Durata unui puls obținut cu tehnica de Q-Switching este de o obicei de nivelul nanosecundelor. Energia pulsului generat este in mod normal mai mare decât energia saturată de mediu de câștig si poate fi la nivelul miliJoulilor chiar și pentru laserele mici. Frecvența laserelor este de obicei în intervalul 1-100 kHz, uneori și mai mare.

Pierderile pot fi reduse la o valoare foarte mică prin două mijloace diferite : active sau pasive[5].

1.1 Tehnica Q-Switching Activă

Pentru acest tip de tehnică pierderile sunt controlate extern de un atenuator variabil. Cel mai des întâlnit este un modulator acusto-optic sau unul electro-optic. În acest mod, pulsul este format la scurt timp după ce ajunge un semnal electric. Energia pulsului și durata acestuia depind de energia stocată în mediul de câștig.

Figura 1.1 Evoluția în timp a câștigurilor și a pierderilor unui laser Q-Switched Activ. Acesta e activat la t=0. Puterea începe să crească în acest punct dar devine mare doar după 0.2 μs.

Sursa http://www.rp-photonics.com/img/passive_q_switching.png

Frecvența pulsului unui laser proiectat cu tehnică Q-Switched activă poate fi controlată în mod extern. O frecvența mai mare de obicei înseamnă o energie a pulsului mai mică, dacă energia pompată este menținută constanta. Durata pulsurilor generate este de obicei cel putin egală cu timpul unui ciclu al rezonatorului dar in mod normal este substanțial mai mare dacă câștigurile laserului și/sau pierderile generatorului sunt mici. Pentru laserele cu o frecvență mare a pulsurilor poate fi dificil să se obțină pulsuri cu o durată mică.

1.2 Lasere ce folosesc tehnica Q-Switching Activa

Cele mai des întâlnite lasere ce folosesc tehnica Q-Switching activă sunt lasere bloc ce se bazează pe un mediu solid de câștig. Mediile solide de câștig au o bună capacitate de a stoca energia. Rezonatoarele laserelor conțin un Q-Switch activ – un modulator optic,care in cele mai multe dintre cazuri e un modulator acusto-optic.

Figura 1.2 Schema unui laser Q-Switched Activ

Sursa: http://www.rp-photonics.com/img/actively_qs_laser.png

Pentru lungimi de undă de 1 micrometru, cele mai multe lasere sunt bazate pe cristale dopate cu neodim, dar lasere cu mediul de câștig dopat cu yterbiu sunt de asemenea folosite. Astfel de lasere pot emite până la 100 mW de putere medie în pulsuri de 10 nanosecunde la o frecvența de 1 kHz cu o energie a pulsului de 100 microJoules. Puterea de vârf este de aproximativ 9 kW. Cele mai mari energii ale pulsului si cele mai mici durate sunt obținute la frecvențe mici, cu costul reducerii puterii de ieșire medie. Un laser mai mare cu puterea de intrare de 10 Watts poate obține energii ale pulsului de nivelul miliJoulilor.

Pentru lungimi de undă mai mari, se folosesc lasere cu medii de câștig dopate cu erbiu. Lasere cu puterea pulsului mai mare se obțin folosind sisteme de aplificare, denumite MOPAs. Pentru puteri medii mari combinate cu energii ale pulsului moderate se folosesc fibre MOPAs, denumite și MOFAs.

În mod alternativ, pentru frecvențe mici ale pulsului, laserele cu lampe pot fi soluția mai avantajoasă din punct de vedere financiar deoarcele lampele descărcabile sunt mult mai ieftine decât diodele laser pentru o anumită putere de vârf. În schimb, pentru puteri ridicate sunt alese diodele laser deoarece efectele termice in cristalul laserului sunt puternic reduse.

1.3 Tehnica Q-Switching Pasivă

Tehnica pasivă presupune existența unui absorbant saturabil, un material a căror transmisii cresc când intensitatea luminii depășește un anumit prag ce controleaza automat pierderile. Materialul absorbant poate fi un cristal dopat cu ioni sau un dispozitiv semiconductor pasiv.

Inițial, pierderile pe absorbant sunt mari dar încă destul de mici încât să permită laserului să emită radiație coerentă odată ce o cantitate suficientă de energie este stocată în mediul de câștig. În timp ce puterea laserului crește, absorbantul se saturează iar astfel permite scăderea pierderilor rezonatorului iar puterea va crește si mai repede. Ideal, acest fenomen aduce absorbantul într-o stare in care pierderile sunt foarte mici pentru a permite extragerea eficientă a energiei stocate de fasciculul laserului. Dupa apariția pulsului, absorbantul revine într-o stare cu pierderi mari iar astfel pulsul următor e întârziat până se vor repeta toți pașii[6].

Frecvența pulsului poate fi controlată doar indirect prin variația energiei pompate de către laser sau prin modificarea cantitații de material de absorbant utilizat in cavitate.

Figura 1.3 Evoluția in timp a câștigurilor și a pierderilor unui laser Q-Switched Pasiv. Odata ce absorbantul începe sa devină saturat, puterea crește rapid până când câștigul devine saturat la nivelul rezonatorului.

Sursa: http://www.rp-photonics.com/img/passive_q_switching.png

Timpul de revenire a absorbantului saturabil este în mod ideal mai lung decât durata pulsului, astfel pierderile adiționale de energie sunt evitate. Cu toate acestea, absorbantul ar trebuii sa fie destul de rapid încât să evite descărcările premature ale laserului când câștigurile se recuperează.

In principiu, un absorbant saturabil poate reține doar o parte minoră din energiile generate de puls. Acest lucru este posibil dacă energia de saturare a absorbantului este mult sub cea a mediului de câștig si se neglijează pierderile de natură nesaturabilă. In realitate, pierderile de natură nesaturabilă au des o valoare semnificativă iar astfel apar limitări practice. Din acest motiv, eficiența puterii in practică este redusă semnificativ.

În comparație cu tehinica activă, cea pasivă este simplă și mult mai ieftină si se potrivește mult mai bine pentru pulsurile cu o frecvență foarte mare. În schimb, energia pulsului este de obicei mai mică iar faptul că pulsul nu se poate controla extern este de asemenea un avantaj destul de important.

1.4 Lasere ce folosesc tehnica Q-Switching Pasivă

Un laser Q-Switched pasiv conține un mediu absorbant in locul modulatorului. Pentru puteri continue se obțin o serie de pulsuri regulare unde precizia acestuia nu poate fi controlată foarte bine prin mijloace externe iar frecvența crește in mod proporțional cu puterea de intrare. Cel mai frecvent material absorbant utilizat este cristalul Cr:Yag de1-μ.

Figura 1.4 Schema unui laser Q-Switched Pasiv

Sursa: http://www.rp-photonics.com/img/passively_qs_laser.png

Un laser microchip ce folosește tehnica Q-Switched pasivă are unele caracteristici particulare. Aceste lasere emit pulsuri cu energii cuprinse intre nivelul nanoJoulilor si microJoulilor, puterea medie de ieșire este de zeci de mW iar frecvența variază de la câțiva kHz până la câțiva MHz.

1.5 Probleme de proiectare a laserelor

În funcție de scopul proiectării laserelor Q-Switched, unele soluții pot fi aplicate. Pentru pulsuri de durată scurtă, un resonator scurt și un mediu de câștig mare sunt necesare. Cele mai scurte pulsuri se obțin cu laserele microchip deoarece acestea pot avea rezonatoare extrem de scurte și să obțină energii ale pulsurilor la un nivel moderat. Durate scurte combinate cu energii de nivelul miliJoulilor se pot obține folosind lasere cu mediu solid de câștig. Laserele cu disc subțire permit energii ale pulsurilor foarte ridicate, dar nu sunt potrivite dacă dorim o durată redusă a pulsurilor deoarce au un mediu de câștig destul de mic.

Energiile ridicate ale pulsului se obțin dacă avem un mediu de stocare al energiei bun. Pentru energii continue de intrare, acest lucru înseamnă că durata mai mare a unui ciclul de viața este necesar. Acest lucru avantajează laserele cu mediul de caștig dopat cu ytterbium cu toate ca acestea in mod normal au un câștig mai mic, ce rezultă in durată mai mare a pulsurilor.

Un câștig prea mare ar trebui evitat, deoarece crește foarte mult riscul aparițiilor pierderilor de energie prin emisii spontane nedorite.

La intensitați optice ridicate, defecțiunile componentelor din cavitate laserelor pot fi o problemă. Acest lucru duce la necesitatea proiectarii rezonatoarelor cu o arie destul de mare, lucru ce poate fi destul de greu de realizat dacă dorim o lungime redusă a rezonatorului.

2.Lasere Q-Switched de mare performanță

În acest moment tehnologia a avansat foarte mult permițând existența unor lasere de mare performanță.În continuare voi vorbi despre un astfel de laser ce se află pe piața in acest moment fiind folosit in o gamă variată de domenii.

Laserele de care voi vorbi în continuare au o frecvențe foarte ridicate, sunt de tipul Q-Switched pasiv cu mediul de câstig solid si lucrează la o lungime de undă fixata. Frecvența de lucru pentru acest tip de laser este de peste 7 kHz, cu o durată a pulsului de câteva nanosecunde, o putere medie de până la 1 Watt. Fascicul laserului nu este aliniat și este emis prin obturatorul manual de la capătul laserului. Capătul laserului conține elemente de control fin al temperaturii, a cavitații laserului cât și a diodei. Controlul semnalelor și a curenților se face printr-o interfața electrică.

Aceste lasere sunt montate într-un pachet compact si robust și emit un fascicul de mare calitate si cu caracteristici stabile într-o gamă vastă de condiții de operare. Acestea sunt proiectate pentru a asigura un nivel ridicat de stabilitate.

Laserele de mare performanță se pot folosi singure în laboratoare sau se pot integra in diferite sisteme pentru a fi folosite într-o gama foarta variată de aplicații.

2.1 Configurația unui laser de mare performanță

Un laser de mare putere este compus din patru componente principale: capul laserului, controlărul, cablul si alimentarea electrică. Cablul este folosit pentru conectarea controlărului de capul laserului.

Figura 2.1: Capul laserului, cablul si controlărul. Alimentarea lipsește din această poză.

Sursa: http://vertassets.blob.core.windows.net/image/f0b84370/f0b84370-dab9-4e4e-9635-8ae27cc25cff/375_250-cobolt_rumba_1064nm_laser.jpg

Capul laserului primește puterea electrică si semnalul de control de la controlăr prin cablul. Acesta are de asemenea un obturator manual și în plus poate avea un conector pentru monitorizarea directă a parametrilor pulsului și pentru transmiterea unui semnal de ieșire de la pulsul laserului măsurat.

Controlărul asigură capului laserului curentul de coducție si semnalul de control.Funcțiile laserului pot fi controlate si monitorizate printr-un Data Port, ce suportă comenzi de control si semnale analogice.

Când puterea este furnizată spre controlăr, indiferent dacă acesta e deschis sau închis, elementele de control ale temperaturii sunt programate sa atingă o anumită valoare. Conectorul poate fi scurtcircuitat cu un călăreț de blocare pentru operații cu laserul. Când circuitul blocat a fost deschis în timpul operației, laserul trebuie deconectat si reconectat la alimentare pentru a porni din nou.

Tensiunea de ieșire a alimentării cel mai des folosită este de 15V iar curentul este de 4.2A. Pentru o astfel de tensiune de ieșire,alimentarea acceptă la intrare o tensiune de 90-264V și o frecvență de 47-63Hz.

Pentru a asigura operațiile specificate, capul laserului trebuie să fie atașat la un radiator ce are rolul de a produce o rezistență termică sub 0.2 K/W. Suprafața de montare ar trebuii sa fie una plată și este recomandat să se folosească un compus de căldură termică între capul laserului si radiator pentru a avea un bun contact termic.

Figura 2.2 : O curbă tipică de disipare a căldurii in raport cu temperatura plăcii de bază in condiții de funcționare extreme cu un contact termic bun între capul laserului și radiator.

Sursa: http://www.cobolt.se/wp-content/uploads/2015/03/Owners-Manual-05-71-Tor_v_1_31_20150206.pdf

3.Aplicații ale laserelor Q-Switched de mare performanță

Laserele de mare putere se folosesc într-o gamă foarte variată de aplicații printre care LIBS, LIDAR sau fabricarea LED-urilor.

3.1 Sisteme LIBS

LIBS, este o tehnică de spectroscopie prin emisia atomilor ce permite o rapidă analiză chimică a unei game foarte variate de materiale, de la metale, semiconductori, sticle, țesuturi biologice, materiale plastice până la materiale electronice. Se pot analiza materiale indiferent de starea lor de agregare. În ultimul timp această tehnologie a avansat foarte mult ca un rezultat al dezvolării unor sisteme mult mai compacte ce permit utilizarea lor pe teren și construcția de unelte pentru analiza materialelor. Deoarece toate elementele chimice emit lumini caracteristice de o anumită frecvență când sunt excitate la o temperatură înaltă, LIBS poate detecta orice element, fiind limitat doar de puterea laserului și de sensibilitatea și raza de acțiune a spectografului si a detectorului.

Acestă tehnologie se bazează pe emiterea de pulsuri scurte și de mare putere pentru a crea o plasmă pe suprafața probei ce este compusă dintr-un aliaj din mai multe materiale amestecate. Se ajunge la temperaturi foarte ridicate (peste 100 000 grade Kelvin) iar în timpul răcirii spectograful poate detecta caracteristicile tuturor atomilor. Această metodă permite o analiză rapidă fără să fie nevoie sa prelucram monstre din material. Limitările sunt doar la metalele grele cu o puritate foarte mică. Monstra de material nu necesită pregătiri iar metoda este considerată una nedistructivă deoarece doar o bucațică foarte mică de materiat este utilizată.

3.1.1 Configurația unui sistem LIBS

Un sistem tipic LIBS conține un laser Q-Switched si un spectometru ce trebuie să fie foarte sensibil și să aibă o gamă spectrală foarte largă. Acesta se conectează la un calculator ce va procesa rapid datele și le va interpreta în rezultatele dorite de noi. Cu toate că acest sistem de analiză este unul din cele mai bune în acest moment este și unul dintre cele mai puțin costisitoare.

Figura 3.1 : O figură schematică a componentelor ce intră într-un LIBS. Aceasta cuprinde Laserul Q-Switched, monstra de material, un spectometru, și o camera CCD.

Sursa: http://www.cobolt.se/wp-content/uploads/2014/11/Cobolt-Tor-Series-lasers-for-LIBS.pdf

3.1.2 Aplicații și avantaje ale sistemului LIBS

LIBS este o tehnologie atractivă pentru o gamă foarte variată de aplicații analitice atât stiințifice cât și industriale incluzând analiza conținutului de metal, controlul calitații siliconului, analiza solului și a plantelor sau detecția de armament explozibil sau biologic. Un interes particular îl constituie potențialul acestei tehnologii în analiza si sortarea resturilor metalice, în special aluminiul si oțelul.

O clasificare și sortare mai bună crește eficiența reciclării acestor metale ce va putea rezulta în diminuarea efectelor negative asupra mediului.

Aluminiul este în principiu 100% reciclabil. Folosirea aluminiului reciclat necesită doar 5% din energia utilizată in extragerea minerarelor virgine pentru producerea acestuia, ceea ce ar reduce semnificativ consumul de energie la nivel global.

Mare parte din aluminiul folosit pentru reciclare astăzi provine din morile de marunțire unde autoturisme cât si bunuri casnice sunt tăiate in bucați mici. Materialul pentru reciclat este astăzi sortat in mare parte printr-o inspecție vizuală ce reprezintă o tehnică de sortare grosieră. Materialele de care nu se știe sigur ce compoziție au sunt evitate. Datorită limitărilor din sortarea aluminiului, astăzi doar o mică parte din aluminiul dat spre reciclat poate fi refolosit. Astfel, avantajele unei tehnici de sortare mai eficiente ar fi uriase atât in termeni economici cât și in minimizarea efectelor asupra mediului.

Prototipuri de sisteme LIBS au fost deja propuse și eficiența lor s-a demonstrat cu success în laboratoare, arătând clar beneficiul ce il pot aduce.

Datorită energiei ridicate a pulsurilor, laserele Q-Switched cu energie provenita de la o lampă de 1064 nm cu o frecvență scazută s-au folosit în mod constant în trecut. Un mare dezavantaj cu sursele acestor lasere o constituia dimensiunile mari și puterea consumată ridicată, ce reprezenta un factor de limitare esențial in folosirea LIBS-ului în industrie și in aplicațiile online. Recentele lasere industriale de fibră apărute s-au dovedit a da rezultate bune in generarea plasmei.

S-a observat că calitațile și proprietațile plasmei sunt afecatate nu doar de energia pulsului cât și de durata, frecvența si lungimea de undă a acestuia[7] [8] [9]. Un alt aspect important al laserului il constitue calitatea fascicului deoarece acest aspect afectează densitatea puterii ce acționează asupra monstrei de material.

Noile lasere de mare performanță apărute pe piață cu energia provenită de la o diodă cu o frecvență mare, o energie a pulsului de 100 µJ, durată a pulsului de câteva nanosecunde și o calitate ridicată a fascicului luminos. Performanțele acestor noi lasere depind în mare parte de calitatea ridicată a fascicului si de pulsurile scurte și curate ce permit focalizarea pe un punct foarte mic pentru a crea o densitate a puterii de vârf foarte ridicată la suprafața monstrei. Marele avantaj al acestor lasere este reprezentat de mărimea lor, acestea fiind mult mai compacte.

Figura 3.2 : Compație intre două tipuri de lasere. Analiză asupra aceleași probe de aliaj de aluminiu efectuat cu un laser cu diodă (in partea de sus) și un laser cu lampă (in parte de jos). Rezultatele sunt foarte asemănătoare.

Sursa: http://www.cobolt.se/wp-content/uploads/2014/11/Cobolt-Tor-Series-lasers-for-LIBS.pdf

Experimental, s-au luat doua probe din aliaje de aluminiu diferite și s-au făcut analize pe fiecare independent pentru a arăta aplicabilitatea practică a sistemlor LIBS ce au la baza un laser Q-Switched de mare performanță. Sistemul a reușit cu succes să determine componența elementelor diferite din cele doua aliaje, rezultat evidențiat de cele două analize spectrale prezentate in continuare.

Figura 3.3 Rezultatele analizelor celor doua probe din două aliaje diferite de aluminiu cu tehnologia LIBS. Cu albastru e colorata monstra 1 iar cu roșu monstra 2

Sursa: http://www.cobolt.se/wp-content/uploads/2014/11/Libs_data.png

Această metodă de analiză este una complet optică, astfel că e nevoie de doar acces optic la proba de analizat. Din acest motiv această tehnică se poate folosi in medii foarte periculoase sau în explorările spațiale. Dezavantajul acestei metode este că depinde foarte mult de laser iar anumite erori ale acestuia pot afecta precizia analizei până la 10%.

Tehnologiile LIBS au un potențial foarte ridicat in aplicațiile analitice industriale iar noile generatii de lasere ce au dimensiuni mult mai reduse decât cele utilizate până acum permit integrarea în sisteme LIBS portabile ce se pot folosi direct în mediile industriale.

3.2 Tehnologia LIDAR

LIDAR este o tehnologie ce măsoară distanța analizând reflexia luminii ce a fost trimisă spre țintă cu un laser. Lidar vine de la cuvintele “light” si “radar”[10],[11] ce inseamnă lumină, respectiv radar in limba engleză. Această tehnologie este foarte populară pentru crearea hărților de mare rezoluție si se folosește intr-o gamă foarte mare de aplicații printre care se regăsesc și: arheologia, geografia, geologia, seismologia sau fizica atmosferică.

3.2.1 Configurația unui sistem LIDAR

Lidar folosește lumină ultraviolet, vizibilă, sau aproape infraroșie pentru a lumina obiectele. Se poate folosi pe multe tipuri de material incluzând obiecte nemetalice, roci, componente chimice, picături de ploaie, nori sau chiar molecule singulare. Sunt două tipuri de detecție Lidar : incoerentă sau detecție cu energie directă ce se folosește in principal pentru măsurători în amplitudine si detecție coerentă ce e foarte bună pentru măsurătorile Doppler sau măsurători sensibile de fază.

Un sistem Lidar este compus din mai multe componente. Laserul, cu o lungime de undă cel mai des intâlnită de 600-1000 nanometrii.Acesta este o componentă destul de ieftină dar puterea maxima este limitată pentru a proteja ochii. O alternativă comună sunt laserele de 1550 nanometrii care sunt mai sigure pentru ochi dar care, din cauză că tehnologia detectoarelor e mai puțin avansată, au o acuratețe mai scăzută. De obicei aceste lasere se folosesc in armată deoarece lumina acestora nu e vizibilă cu ochelarii cu viziune nocturnă. Laserele de 1064 nanometrii se folosesc în principal la maparea topografică iar cele de 532 nanometrii la maparea suprafețelor acoperite de apă deoarece acestea penetrează apa cu o atenuarea mult mai mică.

Un scaner și un sistem optic pentru colectarea semnalului întors sunt alte componente fundamentale ale unui sistem Lidar. Viteza cu care poate fi obținută imaginea depinde foarte mult și de viteza cu care acestea sunt scanate. Pentru fotodetector se folosesc două principale tehnologii. Fotodetectoare din materiale solide, cum ar fi fotodiodele din siliciu în avalanșă sau tuburile multiplificatoare. Sistemele de poziționare și navigare sunt, de asemenea, o componentă fundamentală, acestea fiind montate de obicei pe platforme mobile cum ar fi avioanele sau sateliții pentru a determina poziția absolută si orientarea senzorilor.

Figura3.4:Model de Lidar folosit pentru scanarea clădirilor pentru producerea unui model 3D

Sursa:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0e/Lidar_P1270901.jpg/220px-Lidar_P1270901.jpg

3.2.2 Alegerea laserului pentru sistemul LIDAR

Pentru sistemele lidar dedicate studierii si monitorizării aerosolurilor si spațiului înconjurător, lasere de mare putere cu putere primită de la o diodă au fost proiectate si testate. Aceste lasere sunt bazate pe ultimele tehnologii ce combină lasere ce au la bază o tijă de cristal multi-segmentat si noile sisteme de racire ale cristalelor. Un material activ format din două cristale Nd:YAG au fost folosite, unul multi-segmentat si unul uniform. Acest laser a fost testat atât in tehnică pasivă cât și în tehnică activă.

O cavitate în formă de L a fost formată prin intermediul uneu oglinzi la 45 °, o oglindă plană și un cuplaj plan. Semnalul a fost generat de un sistem laser cu o diodă și a fost transmis cristalului printr-o fibră de 200 μm și un sistem de imagine cu coeficientul 1:5 pentru a obține un fascicul cu diametrul de 1 mm în centrul cristalului. Astfel, lungimea cristalului a permis propagarea fascicului luminos prin cristal fără nicio problemă. Lungimea de undă normală de 885 nm ar fi putut fi controlată și reglată fin prin modificările temperaturii din diodă. Mediul de câștig al laserului a fost plasat într-o cameră ermetică special create, umplută cu apă deionizată și conectată la un circuit de răcire a apei, pentru a asigura disipația căldurii in mod adecvat. Un laser multi-segmentat cu diametrul de 2 mm și cu o lungime totală de 54 mm a fost utilizat. Acesta este format din două capete deschise și trei segmente de 22 mm, 11 mm si 6 mm cu concentrații de dopare diferite de 0,1% , 0,23% și 0,6%.

Pentru a profita de efectul tijelor multi-segmentate ale laserului proiectat în mod particular în acest fel, o tijă convențională dopată uniform a fost de asemenea folosită. Aceasta are o lungime totală de 65 mm, un diametru de 2 mm și două capete neacoperite de 7 mm. Pentru a servi drept Q-Switch pasiv, un cristal saturat absorbant cu 50% transmisii inițiale a fost folosit. Acesta a fost plasat într-un mediu cu apă rece pentru disiparea eficientă a caldurii.

Prin introducerea elementului de Q-Switch pasiv în cavitatea laserului s-au obținut pulsuri de durate scurte. Cristalul multi-segmentat a fost folosit in această configurație pentru efectele sale termice. Un cuplaj cu ieșire de 20% a fost folosit pentru optimizarea pulsului de ieșire. Q-Switchingul pasiv a fost obținut la 4 kHz ca rezultat a lungimii cavității și câștigurilor dinamice. Puterea de ieșire este de 200mW corespunzătoare unei energii a pulsului de 2 mJ, dublând rezultatele obținute cu un laser de 808nm[12].

Figura3.5 : Durata unui puls obținut la o frecvență de 100Hz cu un cristal multi-segmentat prezentând 2mJ/puls

Sursa: Development and testing of a high-power Q-switched DPSS laser

for lidar applications: ESA QOMA project case

Pentru modul activ, s-a folosit un modulator acusto-optic în cavitatea laserului. La fel ca la modul pasiv, o cavitate în formă de L a fost formată prin intermediul unei oglinzi la 45 °, o oglindă plană și un cuplaj plan. Spre deosebire de cristalul pasiv, elementul activ a fost plasat lângă oglinda la 45 ° pentru a-l izola de partea de intrare. Un generator de semnale a fost conectat la elementul activ. Acesta generează un puls de 2 μs timp în care elementul activ e în modul de transmisie. Apoi, cavitatea laserului este capabilă să transmită pulsul în timpul acestei perioade. Frecvența pulsului se modifică de la 25 kHz la 5 kHz.

Pentru acest prototip, energia maximă de 1.20 mJ a fost obținută la o frecvență de 5 kHz în timp ce fasciculul are un profil de formă Gaussiana.

Figura 3.6 : Energia de ieșire a pulsului in funcție de puterea absorbită (în stânga). Profilul fascicului luminos (în dreapta)

Sursa: Development and testing of a high-power Q-switched DPSS laser

for lidar applications: ESA QOMA project case

3.2.3 Folosirea MATLAB-ului pentru analiza datelor LIDAR

Dupa montarea pe un avion sau alt obiect zburător, laserul scanează peste teren trimițând pulsuri de înaltă frecvență. Un receptor e de asemenea folosit pentru receptarea semnalelor reflectate și pentru calcularea timpului în care unda laserului a calatorit până la teren și înapoi. Astfel, punctul de contact cu solul, unde s-a produs reflexia, poate fi depistată cu o uriașă acuratețe. Locul unde laserul atinge solul este controlat de o stație GPS terestră. În funcție de dimensiunile pe care le are fasciculul laserului, acesta ar putea să treacă prin vegetație. Însă dacă vegetațiă e prea densă, nu se poate trece de ea indiferent de laserul folosit. Aceste caracteristici face sistemul LIDAR unul rapid și eficient pentru detecția anomaliilor geografice.

Programul pe care l-am folosit eu pentru analiza datelor a fost Matlab, care este un program matematic destul de simplu. Pentru analiza detaliilor în mod profesionist, se folosesc programe mai complexe si specializate pe acest tip de funcții cum ar fi : Erdas Imagine, MapInfo sau Surfer. Am ales acest program deoarcece sunt familiarizat cu el din timpul laboratoarelor făcute in facultate.

Un set de date LIDAR este compus din puncte, ce au componentele x, y si z, unde x și y reprezintă coordonatele pentru longitudine și latitudine iar z reprezintă altitudinea în metri. Aceste informatii se păstrează într-un fișier de tip .xyz.

Primul lucru pe care trebuie să-l facem dupa deschiderea programului este să încărcăm fișierul ca datele noastre. Acest lucru se face simplu cu comanda “load”.

harta = load('date.xyz');

Pentru acest proiect eu am ales două seturi de date diferite[13]. pe care le-am denumit set1 și set2 și pe care le-am încărcat separat și am făcut restul de analize.

Cel mai ușor când lucrăm cu fișiere de tipul .xyz este să definim coloanele matricei x,y,z pentru a putea folosi variabilele în toate comenzile ce vor urma.

x = harta(:,1);

y = harta(:,2);

z = harta(:,3);

(:,1) respectiv (:,2) și (:,3) se referă la prima coloană, respective a2-a sau a3-a coloană din setul nostru de date.

Datorită faptului ca matricile cu care lucrăm au un număr foarte mare de puncte, este necesar să cunoaștem valorile minime si maxime pe care le avem. Comenile “min” si “max” ne dau valorile minime si maxime ale matricei pe care o alegem. Astfel, dacă dorim să cunoaștem cât de mari sunt seturile de date pe care le folosim și dorim să aflăm punctele extreme pe care le avem, folosim comenzile pe cele trei axe ale noastre. Pentru a le salva, definim 6 variabile in mod sugestiv unde notăm cele 6 valori obținute.

maxx = max(x)

minx = min(x)

maxy = max(y)

miny = min(y)

maxz = max(z)

minz = min(z)

Pentru afișarea valorilor în fereastra de comandă folosim comanda “sprintf” in modul urmator:

sprintf('## minx is: %7.0f',minx)

sprintf('## maxx is: %7.0f',maxx)

sprintf('## miny is: %7.0f',miny)

sprintf('## maxy is: %7.0f',maxy)

sprintf('## minz is: %7.2f',minz)

sprintf('## maxz is: %7.2f',maxz)

Pentru primul set am obținut rezultatele:

Minx1 = 2388687

Maxx1 = 2406038

Miny1 = 4562014

Maxy1 = 4572864

Minz1 = 0.00

Maxz1 =1199.00

Pentru al2-lea set de măsurători s-au obținut:

Minx2 = 12.05

Maxx2 = 12.2

Miny2 = 54.04

Maxy2 = 54.19

Minz2 = -0,5

Maxz2 = 48.70

Am adăugat coeficienții 1, respectiv 2 pentru a face diferența dintre cele două seturi de date.

După ce aflăm valorile extreme din matricea noastră, ajutăm programul să caute toate valorile și introducem minimile si maximile între care să caute și să afișeze pentru fiecare coordonată. Cel mai ușor căutarea se face cu comanda “find”. Putem folosi această comandă și dacă dorim sa afișăm doar o porțiune din punctele pe care le avem și nu toată harta modificând valorile între care ii cerem programului să caute.

Pentru primul set de date am folosit :

F1 = find(harta(:,1)<2406088.00);

B = harta(F1,:);

F2 = find(B(:,1)>=2388687.00);

C = B(F2,:);

F3 = find(C(:,2)<=4572864.00);

D = C(F3,:);

F4 = find(D(:,2)>4561964.00);

Harta1=D(F4,:);

nr = length(Harta1 (:,1));

sprintf('## number of points in selection is: %d',nr)

Pentru al2-lea set de date am inlocuit valorile cu minimele si maximele respective

F1 = find(harta(:,1)<12.50);

B = harta(F1,:);

F2 = find(B(:,1)>=12.05);

C = B(F2,:);

F3 = find(C(:,2)<=54.30);

D = C(F3,:);

F4 = find(D(:,2)>54.10);

Harta1=D(F4,:);

nr = length(Harta1 (:,1));

sprintf('## number of points in selection is: %d',nr)

Pentru calcularea dimensiunii acestui fișier se folosește comanda “length” iar afișarea se face la fel ca în modul precedent cu “sprintf”. Numărul de puncte în secțiunea aleasă de mine este de 277502, respectiv 29093. Matricea ce conține secțiunea aleasă de mine se numește în acest moment “Harta1”. Pentru a lucra în mod corespunzător e recomandat să se repete comenzile de la început:

x = Harta1(:,1);

y = Harta1(:,2);

z = Harta1(:,3);

De asemenea, e recomandat să aflăm din nou punctele extreme pentru fiecare din cele 3 coordonate.

maxx = max(x);

minx = min(x);

maxy = max(y);

miny = min(y);

maxz = max(z);

minz = min(z);

sprintf('## minx is: %7.0f',minx)

sprintf('## maxx is: %7.0f',maxx)

sprintf('## miny is: %7.0f',miny)

sprintf('## maxy is: %7.0f',maxy)

sprintf('## minz is: %7.2f',minz)

sprintf('## maxz is: %7.2f',maxz)

Comanda cea mai simplă pentru o inspecție rapidă 3D este “scatter3 (x,y,z,10,z,'filled')”. Această comandă reprezintă grafic cele 3 coordonate și folosește un set de culori standarde în funcție de valoarea coordonatei z ce reprezintă amplitudinea. Părțile albe reprezintă părți lipsă pentru care nu avem date suficiente și astfel nu am avut ce reprezenta grafic.

figure(1)

scatter3(x,y,z,10,z,'filled')

view(3)

Figura3.7 : Reprezentare grafică 3D a setului 1 de date

Rezultatul obținut pentru primul set de date folosite de mine ne arată o imagine 3D în care o mare parte dintre punctele reprezentate sun la altidunea de 0 metrii iar în partea din spate se observă cum altitudinea începe să crească ajungând la un maxim de peste 1000 de metrii.

Al doilea set de date ne arata un relief ce variază doar între 0 metrii si 50 de metrii altitudine.

Figura 3.8 : Reprezentare grafică 3D a setului 2 de date

Pentru a vedea terenul de deasupra folosim comenzile:

figure(2)

scatter(x,y,15,z,'filled')

axis equal

colorbar

legend('inaltimea terenului')

Pentru o citire mai usoara a hărții am adăugat opțiunea “colorbar” ce ne arată o scală a amplitudinii în funcție de culoarea folosită. De asemenea am folosit opțiunea “legend” pentru a adăuga o informație asupra tipului de rezultat ce ne este arătat.

Figura 3.9: Reprezentare grafică “de sus” a setului 1 de date

Figura 3.10: Reprezentare grafică “de sus” a setului 2 de date

Aceste imagini, la fel ca și cele precedente, ne arată distribuția altitudinii în funcție de axele x si y doar că de această dată avem o imagine de sus ce ne permite o analiză mai ușoară. In primul set de date se observă un teren cu o amplitudine de 0 metrii in partea sa sudică ce începe să crească spre nord, atingând maximul de aproximativ 1200 de metrii în partea sa nord-estică. In setul 2 distribuția e puțin invers, în partea de nord și in partea centrală amplitudinea este de 0 metrii și urcă treptat cum mergem spre sud până atingem maximul, de aproximativ 50 de metrii, în partea de sud-vest.

Histogramele reprezintă cel mai ușor mod de a analiza datele. Acestea arată frecvența cu care punctele apar pe una dintre axe, însă doar axa z contează in majoritatea aplicațiilor. Pentru a crea o histograma folosim comanda “hist” si alegem axa pe care dorim să o aplicăm și numărul de grinzi. Această analiză arată cele mai frecvente valori pe care le găsim care în mod normal sunt cele mai importante. Am folosit de asemenea comanda “legend” pentru a sublinia că fereastra se referă la distribuția amplitudinii.

figure(3)

hist(z,100)

legend('distributia altitudinii')

Figura 3.11: Histograma distribuției amplitudinii a setului1 de date

Figura 3.12: Histograma distribuției amplitudinii a setului2 de date

La primul set, se observă că marea majoritate a frecvențelor se găsesc in intervalul 0 – 200 metrii. Din păcate, numărul de puncte cu altitudinea de peste 600 de metrii este mult mai mic decât cele de la 0 – 200 metrii iar astfel valoarea lor nu este sesizabilă pe această histrogramă. In schimb, la setul al2-lea numărul de puncte este proporționat mai bine și se poate vedea că amplitudinile cele mai des iâ

întâlnite sunt în intervalul 0 – 20 metrii cu două maxime la aproximativ 3 si 18 metrii.

Pentru a elimina valorile extreme ale altitudinilor ce afectează datele vizualizate e nevoie de o filtrare. Matlab permite multe posibilitati de filtrare iar eu am ales o metodă simplă, filtru median. Pentru fiecare punct (x,y) se determină media altitudinilor a celor mai apropriati 8 vecini si se compara cu aceasta. Media o salvez in “smoothharta”, reziduriile obtinute in “residualsharta” iar numarul de puncte intr-o fereastra in “pointsinwindow”.

smoothharta = [];

residualsharta=[];

pointsinwindow=[];

ww = 4;

for i=1:nr,

xi = Harta1(i,1);

xiLind = find(Harta1(:,1) < xi + ww );

xiL = Harta1(xiLind,:);

xiRind = find( xiL(:,1) > xi – ww );

xiLR = xiL(xiRind,:);

yi = Harta1(i,2);

yiBind = find( xiLR(:,2) < yi + ww);

yiB = xiLR(yiBind,:);

yiTind = find( yiB(:,2) > yi – ww);

yiBT=yiB(yiTind,:);

zi = Harta1(i,3);

newzi = mean( yiBT(:,3) );

smoothharta = [smoothharta; [xi yi newzi] ];

residualsharta = [residualsharta; [xi yi zi – newzi]];

pointsinwindow = [pointsinwindow; [xi yi length(yiBT)]];

end

Pentru filtrare eu am folosit o funcție for ce parcurge toate punctele de la primul până la n. Pentru fiecare punct gasește 8 vecini, 4 superiori și 4 inferiori și calculeaza media valorilor lui z pentru toți vecinii. Numarul de vecini după care facem medierea se poate modifica foarte ușor prin modificarea valorii parametrului ww, care in cazul meu este 4 și reprezinta numarul de vecini superiori, respective inferiori pe care funcția ii caută.

figure(4)

hist(residualsharta(:,3),100)

legend('residual distribution')

Figura 3.13: Distribuția reziduriilor pentru setul 1 de date

Așa cum e de așteptat, majoritatea distribuției este in jurul valorii de 0 metrii. Acest lucru arata ca setul ca primul set de date are destul de puține erori.

Figura 3.14: Distribuția reziduriilor pentru setul 2 de date

Spre deosebire de imaginea precedentă, aceasta ne arată o distribuție haotica a reziduriilor. Acest lucru se întâmplă deoarece in setul de date lipsesc multe puncte, lucru arătat și în imaginile anterioare de zonele rămase albe. Acest lucru face ca filtrarea prin această metodă să nu fie posibilă pentru acest set de date.

Mai departe cream un interval potrivit pentru colorarea axei z. Eu am ales ca reziduriile cu o valoare absolută mai mare de 0.5 sunt aproximate la cea mai aproapriată valoare intreagă restul rămânând nule.

zres = residualsharta(:,3);

zrescolor = [];

for i=1:length(zres)

if zres(i) > .5,

zrescolor = [zrescolor; [.5] ];

elseif zres(i) < -.5,

zrescolor = [zrescolor; [-.5] ];

else

zrescolor = [zrescolor; [zres(i)] ];

end

end

Pentru a colora punctele (x,y) ce au valoarea absolută a reziduriilor mai mare de 0.5 am folosit o funcție for ce parcurge toate reziduriile gasite mai devreme și le identifică pe cele dorite de noi. Dacă dorim sa alegem un alt prag pentru care reziduriile să devina semnificative, putem modifica valoarea .5 cu orice altă valoare dorită de noi.

zsmooth = smoothharta(:,3);

zpiw = pointsinwindow(:,3);

figure(5)

scatter(x,y,15,zrescolor,'filled')

colorbar

legend('residuals after filtering')

axis equal

print -r50 -depsc2 fig5_residualmap.eps

figure(6)

Figura 3.15: Reprezentare grafică a reziduriile obținute după filtrare pentru primul set

Pentru valorile absolute ale reziduriilor mai mari de 0.5 s-a realizat o reprezentare grafică. Faptul că mare parte din hartă a ramas verde, ce in cazul acesta reprezintă valoarea 0, ne arată că au fost depistate destul de puține erori.

Figura 3.16: Reprezentare grafică a reziduriile obținute după filtrare pentru al2-lea set

Pentru al2-lea set de date reprezentarea grafică a reziduriilor este mult mai pronunțată. Din păcate, nu putem lua aceste valori ca și cum ar fi corecte. Așa cum am precizat si la reprezentarea grafica precedentă, datorită faptului ca nu avem destul de multe valori in setul nostrum de date acestea nu acoperă o suprafață destul de mare iar filtrarea mediana nu găsește toți vecinii de care are nevoie. Astfel, putem preciza ca un dezavantaj major al metodei alese de mine o reprezintă necesitatea de a avea un număr semnificativ de puncte pentru a putea realiza filtrarea.

Figura 3.17: Reprezentare grafică ”de sus” după eliminarea anomaliilor

Această figură ne arată reprezentarea grafică a topografiei după filtrarea și eliminarea anomaliilor depistate anterior. Chiar daca erorile au fost puține si nu sunt modificari majore, diferențele se pot sesiza la o analiză mai amănunțită.

Un avantaj major al analizelor LIDAR cu ajutorul programului Matlab il reprezintă faptul că dacă avem un set de date complet, se poate face o analiză destul de complexă a acestuia folosind funții destul de simple ce nu necesită un timp îndelungat de studiu. Chiar și pentru seturile de date incomplete în care lipsesc o mulțime de puncte asupra cărora nu se pot face filtrări sau alte oprații mai complexe se poate face o reprezentare grafică și o analiză a acestora.

3.2.4 Aplicații ale sistemului LIDAR

Această tehnologie se folosește in agricultură. Se creează o hartă topografică a terenurilor evidențiind pantele si zonele cu mai multă expunere solară.Inginerii agricoli au putut impărți astfel terenurilor in trei categorii in funție de randament. Astfel, aceștia știu in ce zone e nevoie să se aplice fertilizatoare mai bogate și ce tipuri de plante să creasca in diferite locuri.

Figura 3.18: Exemplu de teren topografiat cu Lidat și impărțirea lui pe cele 3 categorii. Cu verde sunt zonele înalte, cu galben zonele medii și cu roșu zonele joase.

Sursă:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b8/LIDAR_field_yield.jpg/220px-LIDAR_field_yield.jpg

In arheologie Lidar permite topografierea zonelor acoperite de vegetație.Lidar permite crearea de modele de mare rezoluție a siturilor arheologice. In 2012, un astfel de sistem s-a folosit în încercarea de a găsi legendarul oraș La Ciudat Blanca din junglele Honduriene.După numai 7 zile de mapare a terenurilor, s-au găsit evidențe masive de structuri făcute de om ce au rezolvat cercetări făcute pe teren de sute de ani.

În industria automobilelor această tehnologie este foarte utilă pentru depistarea obstacolelor de pe șosea, permițând astfel să se folosească sistemul de autopilotaj în siguranță. In acest moment se realizeaza progrese considerabile în dezvoltarea tehnologiei ce va permite automobilelor sa devină autonome.

Tehnologia Lidar s-a folosit în mod foarte intensiv pentru cercetări atmosferice și meteorologice. Instrumentele Lider din sateliți au făcut posibilă maparea si topografierea lunii sau a planetelor. NASA a identificat această tehnologie ca pe una cheie pentru a permite aterizarile automate in perfectă siguranță a roboților sau vehiculelor pe Lună sau Marte. În fizică și astronomie s-a reușit măsurarea poziției lunii cu o pricizie de câțiva milimetrii făcând astfel posibile efectuarea mai multor teste asupra relativitații generale. In septembrie 2008, NASA a folosit această tehnologie pentru a detecta zăpada din atmosfera lui Marte [14]. Lidar poate fi de asemenea folosit pentru măsurarea vitezei vântului si pentru obținerea de informații în legătură cu distribuția pe verticală a particulelor aerosol.

3.3 Măsurarea Disțantelor

Măsurarea distanțelor între obiecte se folosește cu ajutorul fascicului laserului. Cea mai comună metodă folosește timpul de zbor ce ii trebuie unui puls să ajungă la obiectul țintă, să se reflecte și să se întoarcă la emițător. Datorită vitezei mari a luminii, această metodă nu se folosește pentru măsurători cu precizie foarte mare

.

Figura 3.19:Un sistem de măsure a distanțelor lungi de până la 20km, montat pe un tripod cu un suport unghiular.

Sursă:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/78/Military_Laser_rangefinder_LRB20000.jpg

3.3.1 Modul de calcul

Pentru calcularea distanței între două puncte, se pleacă de la formula:

D reprezintă distanța dintre obiecte, c este viteza luminii in atmosferă iar t este timpul necesar parcurgerii drumului emițător – țintă – emițător.

Numărătorul este întârzierea de fază produsă de lumină iar numitorul este frecvența unghiulară.

Prin înlocuirea valorile in ecuația inițiala se obține :

In ecuația finală, lamda este lungimea de undă și este egală cu c/f, unde f este frecvența. N este numărul întreg de fluxuri de undă ce se realizează in timpul unei jumatați de ciclu iar deltaN este partea fracțională ce rămâne[15].

3.3.2 Aplicații

Acestă tehnologie are o mare aplicabilitate in sistemul militar. Se poate măsura distanța exactă până la țintă pentru lunetiști sau pentru artilerie.

Sistemele folosite in armată au o rază de acțiune între 2 si 25 de kilometrii și sunt combinate cu un binoclu sau cu lunete. Unele dispositive sunt capabile să măsoare și viteza țintei în comparație cu observatorul. E posibilă montarea unor interfețe fără fir ce permite transferul de măsurători insant către alte echipamente.

Pentru a combate acest sistem de măsură, s-au dezvoltate vopsele ce absorb lumina laserului pentru ca reflexia să fie mult mai greu de realizat iar asftel rezultatele măsurătorilor să aibe o imprecizie destul de mare.

Figura 3.20 Exemplu de măsurătoare obținuta cu un sistem militar. Distanța până la țintă este e 550 yarzi.

Sursă http://toprangefinder.com/wp-content/uploads/2014/11/Basic-Knowledge-About-Laser-Range-Finder-2-300×300.jpg

În afară de utilizarea lor în domeniul militar, aceste sisteme se mai folosesc în sporturi precum golf, vânătoare sau tir unde e necesară măsurarea distanței cu precizie. De asemenea, in construcții sau în renovări se folosește acestă tehnologic pentru măsurarea obiectelor sau camerelor mari ce sunt dificil de măsurat cu metodele tradiționale.

4.4 Alte aplicații ale laserelor de mare performanță

Laserele Q-Switched au un rol destul de important și în fabricarea LED-urilor. Safirele dintr-un singur cristal și nitratul de galiu sunt materiale grele ce pot fi dificil de tăiat pentru un singur LED. Mecanismele tradiționale de tăiere pot crea câteva defecte majore, cum ar fi microcrăpături sau delaminarea. Laserele sunt folosite pentru a crea o zgârietura foarte fină, care va permite ulterior tăierea plăcuței in LED-uri separate.Laserul se axează în principal pe substratul plăcuței pentru a crea o linie între componentele active. Laserele prezintă avantaje majore la tăierea materialelor din arsenidul de galiu sau alte materiale semiconductoare. Tăierea acestor material este dificilă deoarece materialele sunt relativ transparente. Nitratul de galiu este transparent la sub 365 nanometrii în timp ce sefirul este semitransparent la peste 177 nanometrii iar aceste caracteristici fac ca laserele Q-switched să fie perfecte pentru tăierea lor. Cu toate că si alte lasere pot tăia la aceste lungimi de undă, laserele Q-switched sunt cea mai buna alegere deoarece lasă o urma mult mai mică, pot tăia in zone mult mai inguste si necesită mult mai puține reparații.

Figura 3.21: O placuța de 400 micrometrii ce a fost zgâriată de un laser de 365 micrometrii.

Sursă http://www.azooptics.com/images/Article_Images/ImageForArticle_952(1).jpg

Reducând microcrăpăturile, tăierile folosind lasere permit LED-urilor să ocupe mult mai puțin spațiu, crecând randamentul si scăzând durata de fabricare. Scăderea numărului de microcrăpături in timpul separării a arătat ca crește fiabilitatea pe termen lung a LED-urilor. Viteza cu care se fac aceste tăieturi este și mult mai rapidă folosind laserele decăt instrumentele tradeționale iar costurile totale la tăierea cu lasere sunt mai mici.

Concluzii

Laserele Q-Switched de mare performanță s-au dezvoltat foarte mult in ultimul deceniu. Principala problemă pe care o prezenta, dimensiuni ridicate, a fost in mare parte îndepărtată iar dimensiunile mult reduse care se pot obține acum au deschis ușa catre o gama extreme de variată de aplicații.Cu toate acestea, încă mai sunt destul de multe limitări care odata remediate ar crește și mai mult numărul de utilizatori a sistemelor ce conțin un laser Q-Switch de mare performanță.

Un dezavantaj in momentul actual îl constitue faptul că componentele completare laserului în multe dintre sisteme nu s-au dezvoltat la fel de repede precum s-a dezvoltat acesta și din această cauză există incă multe limitări.In schimb, costul mai redus al acestui laser in comparație cu sistemele tradiționale, la obținerea de performanțe similare sau chiar imbunatățite fac ca marile corporații dar și micii dezvoltatori să dorească in continuare să dezvolte aceasta tehnologie,cat și pe cele complemetare ei.

Așa cum am prezentat și in capitolul 3, aceste lasere se pot folosi intr-o uriaș de mare de aplicații și in acelaș timp ne pot ajuta să ne protejăm mediul si să cercetăm medii noi. Ajutorul pe care tehnlogia LIBS ce folosește un laser Q-Switch il poate da la protejarea mediului, ce este deja extrem afecat de acțiunile oamenilor din ultimele secole, este extreme de important și nu trebuie neglijat. Cu toate ca încă nu se folosește prea mult la ora actuală, rezultatele din laborator au arătat că ajutorul ce il poate oferi acest sistem la reciclarea aluminiului și a altor metale este unul uriaș, in special datorită faptului ca în acest moment nu există niciun sistem performant de sortare a aluminiului in funție de aliajele ce intră in componența acestuia. Faptul ca LIBS este un sistem complet optic, ce nu necesită contact fizic cu proba de analizat, il face extrem de important in cazul în care e nevoie de analiza unei probe dintr-o substanța posibil periculoasă sau toxică pentru organismul uman.

NASA a declarant ca sistemul LIDAR este unul dintre cele mai importante sisteme ce se folosesc la ora actuală pentru studiul planetelor si a sateliților. Acest sistem se folosește intens pentru analiza suprafețelor acestor corpuri cerești pentru a căuta eventuale urme de orice fel. Sistemul LIDAR ce folosește un laser Q-Switch are mult mai multe aplicații decât studierea corpurilor cerești. Acest sistem este folosit de fermieri din multe țări dezvoltate pentru studierea terenurilor agricole pentru depistarea zonelor ce necesită mai multă atenție cu îngrășământ sau cu irigații.

Cu toții ne imaginăm automobile autonome, ce ar putea să meargă singure iar noi să putem să stăm liniștiți si să ne bucurăm de drum fără să avem grija unor posibile accidente. La acest lucru se lucrează intens in diferite laboratoare de cercetare din lume iar una din tehnologiile utilizate și considerate cu potential bun de success este LIDAR. Deja se folosește acest sistem în multe din automobilele performante ce le găsim pe străzi astăzi si care au un sistem de autopilotaj inclus. Deocamdată funcțiile acestor sisteme este să identifice eventualele obstacole ce ar putea apărea in calea noastră și să anunțe șoferul in cazul în care e necesară atenția acestuia.

În armată sisteme ce folosesc măsurarea distanțelor sunt folosite de ceva timp însă acestea sunt mereu imbunătățite de nevoia fiecărei țări de a avea cele mai dezvoltate echipamente. Din păcate, in ultimul timp a apărut o vopsea specială ce absoarbe lumina laserului iar reflexia nu se mai produce. Acest lucru blochează total posibilitatea de a măsura distanța până la țintă sau primim date eronate.

Laserele Q-Switch se mai folosesc in foarte multe alte aplicații iar odată cu dezvoltarea lor, care cu siguranța va continua și în anii următori, cel mai probabil se vor mai găsi din ce în ce mai multe utilizări. În multe domenii deja sistemele ce folosesc lasere Q-Switch de mare performanță au depășit sau chiar au înlocuit sistemele mai tradițioanale și eu cred că acest procest va continua și mai mult în anii următori.

Bibliografie

[1] Gould, R. Gordon (1959). "The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". In Franken, P.A. and Sands, R.H. (Eds.). The Ann Arbor Conference on Optical Pumping, the University of Michigan, 15 June through 18 June 1959. p. 128. OCLC 02460155.

[2] laser". Reference.com. Retrieved May 15, 2008.

[3] Taylor, Nick (2000). LASER: The inventor, the Nobel laureate, and the thirty-year patent war. New York: Simon & Schuster. ISBN 0-684-83515-0. p. 93.

[4] Früngel, Frank B. A. (2014). Optical Pulses – Lasers – Measuring Techniques. Academic Press. p. 192. ISBN 9781483274317. Retrieved 1 February 2015

[5] F. J. McClung and R. W. Hellwarth, “Giant optical pulsations from ruby”, J. Appl. Phys. 33 (3), 828 (1962)

[6] J. J. Degnan, “Optimization of passively Q-switched lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 31 (11), 1890 (1995)

[7] Radziemski et al, Spectrochimica Acta Part B 87(2013) 3-10

[8] Ahmed et al, Journal of Applied Physics 106 (3) (2009)

[9] Winefordner et al, Journal of Analytical Atomic Spectroscopy 2004 (19) 1061-1083

[10] Oxford English Dictionary. 2013. p. Entry for "lidar".

[11] James Ring, "The Laser in Astronomy." p. 672–673, New Scientist Jun 20, 1963

[12] W. Koechner, "Thermal Lensing in a Nd:YAG Laser Rod," Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970).

[13] http://www.opendem.info/download_xyz.html accesat la data de 12.06.2015

[14] NASA. 'NASA Mars Lander Sees Falling Snow, Soil Data Suggest Liquid Past' NASA.gov (29 September 2008). Retrieved 9 November 2008.

[15] https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_rangefinder accesat la data de 21.06.2015

Anexă

Cod Matlab

harta = load('1.xyz');

x = harta(:,1);

y = harta(:,2);

z = harta(:,3);

maxx = max(x);

minx = min(x);

maxy = max(y);

miny = min(y);

maxz = max(z);

minz = min(z);

sprintf('## minx is: %7.0f',minx)

sprintf('## maxx is: %7.0f',maxx)

sprintf('## miny is: %7.0f',miny)

sprintf('## maxy is: %7.0f',maxy)

sprintf('## minz is: %7.2f',minz)

sprintf('## maxz is: %7.2f',maxz)

F1 = find(harta(:,1)<12.50);

B = harta(F1,:);

F2 = find(B(:,1)>=12.05);

C = B(F2,:);

F3 = find(C(:,2)<=54.30);

D = C(F3,:);

F4 = find(D(:,2)>54.10);

Harta1=D(F4,:);

nr = length(Harta1 (:,1));

sprintf('## number of points in selection is: %d',nr)

x = Harta1(:,1);

y = Harta1(:,2);

z = Harta1(:,3);

maxx = max(x);

minx = min(x);

maxy = max(y);

miny = min(y);

maxz = max(z);

minz = min(z);

sprintf('## minx is: %7.0f',minx)

sprintf('## maxx is: %7.0f',maxx)

sprintf('## miny is: %7.0f',miny)

sprintf('## maxy is: %7.0f',maxy)

sprintf('## minz is: %7.2f',minz)

sprintf('## maxz is: %7.2f',maxz)

figure(1)

scatter3(x,y,z,10,z,'filled')

view(3)

figure(2)

scatter(x,y,15,z,'filled')

axis equal

colorbar

legend('inaltimea terenului')

print -r50 -depsc2 fig2_terrainheight.eps

figure(3)

hist(z,100)

legend('distributia altitudinii')

print -r50 -depsc2 fig3_heightdistribution.eps

smoothharta = [];

residualsharta=[];

pointsinwindow=[];

ww = 4;

for i=1:nr,

xi = Harta1(i,1);

xiLind = find(Harta1(:,1) < xi + ww );

xiL = Harta1(xiLind,:);

xiRind = find( xiL(:,1) > xi – ww );

xiLR = xiL(xiRind,:);

yi = Harta1(i,2);

yiBind = find( xiLR(:,2) < yi + ww);

yiB = xiLR(yiBind,:);

yiTind = find( yiB(:,2) > yi – ww);

yiBT=yiB(yiTind,:);

zi = Harta1(i,3);

newzi = mean( yiBT(:,3) );

smoothharta = [smoothharta; [xi yi newzi] ];

residualsharta = [residualsharta; [xi yi zi – newzi]];

pointsinwindow = [pointsinwindow; [xi yi length(yiBT)]];

end

figure(4)

hist(residualsharta(:,3),100)

legend('residual distribution')

print -r50 -depsc2 fig4_residualdistribution.eps

zrescolor = [];

for i=1:length(zres)

if zres(i) > .5,

zrescolor = [zrescolor; [.5] ];

elseif zres(i) < -.5,

zrescolor = [zrescolor; [-.5] ];

else

zrescolor = [zrescolor; [zres(i)] ];

end

end

zsmooth = smoothharta(:,3);

zpiw = pointsinwindow(:,3);

figure(5)

scatter(x,y,15,zrescolor,'filled')

colorbar

legend('residuals after filtering')

axis equal

print -r50 -depsc2 fig5_residualmap.eps

figure(6)

scatter(x,y,15,zsmooth,'filled')

colorbar

colorbar

axis equal

legend('topography after smoothing')

print -r50 -depsc2 fig6_smoothedtopography.eps