RECEPTEURS POUR LASER EN IMPULSIONS.
RECEPTEURS POUR LASER EN IMPULSIONS.
RECEPTEUR POUR LASER EN IMPULSIONS.
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Un laser pulsé est capable de rayonner plus de 15 watts pendant des durées très brèves. Ces très courtes impulsions ne sont pas reçues convenablement sur le récepteur décrit précédement car il est lent et surtout sensible à la puissance moyenne. Pour profiter de la puissance crête il va falloir amplifier ces impulsions sans intégration avant détection.
Récepteur pour essais de réflexion sur les nuages.
Le composant principal le plus difficile à approvisionner est la photodiode silicium à avalanche (avalanche photo detector : A.P.D.) qui sera le seul capteur susceptible d’assurer simultanément les performances de vitesse et de sensibilité requises pour un très faible niveau de signal. Les moins chères de ces diodes possèdent une surface sensible souvent inférieure à 1 mm². Pour cette raison la qualité optique du dispositif de captation devra être bien meilleure que celle du récepteur précédemment décrit car il faudra que le point de convergence soit fin et bien délimité.
Pour ma part j’utilise une vieille A.P.D. C30817 de récupération provenant de AG & G. Elle possède une surface sensible de 0,5 mm² (voir fig. 1). La diode plus récente C30954E en boîtier plastique serait certainement plus performante. On peut acheter des diodes chez AMS Technologie. Voir le site http://www.ams.de/en/. Il semble préférable de se grouper à plusieurs car ces composants sont assez chers et difficiles à obtenir à l’unité.
Réalisation pratique de la partie optique :
Deux tubes de PVC de 80 mm pouvant coulisser sans jeu l’un dans l’autre via un manchon raccord sont munis à une extrémité d’une lentille convexe de 75 mm de diamètre. La lentille provient d'une loupe de bonne qualité de 25 cm de distance focale environ. Attention le point focal pour l'infrarouge est situé légèrement au-delà du point focal de la lumiére visible. La partie électronique est montée dans un coffret métallique solidement fixé à l’extrémité du second tube et la réception du faisceau dans son axe est assurée via un orifice percé dans sa cloison. Un filtre IR réalisé par un morceau de diapositive noire, développée sans avoir été exposée, est placée devant la photodiode. Les pivots d’élévation et de site permettent l’orientation de l’ensemble grâce à un support oscillant munis de vis de réglage fin. Comme toujours, une lunette de tir avec réticule éclairé assure la visée.
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2) Photodiodes à avalanche:
A l’inverse des précédentes ces photodiodes sont construites avec une jonction épaisse. La large zone de déplétion ainsi créée permet de multiplier les électrons (–) ou les trous (+) libérés par les photons au moyen de leurs collisions en chaîne déclenchant un effet d’avalanche. On doit alimenter les modèles au silicium sous plusieurs centaines de volts en inverse, en limitant soigneusement leur courant. A partir d’une valeur critique il se produit une forte amplification du photo courant, une baisse de l’impédance et une augmentation de la rapidité dans des proportions considérable. Ce phénomène est une sorte d’effet Zener progressif. Ces diodes qui se comportent un peu à la manière de photomultiplicateurs sont surtout adaptées à la détection de signaux modulés très rapides ou pulsés. Leurs performances sont excellentes mais elles sont chères et leur gain est instable en fonction de la température. Fortement refroidies elles font partie des dispositifs les plus performants disponibles. Il est alors possible de les alimenter sous une tension inverse critique légèrement supérieure au point ou se produirait le claquage hors limitation de courant (break-down voltage). Ce point de fonctionnement est celui du mode « déclenché » (Geiger mode). Dans cette configuration on peut réaliser un comptage photon par photon !
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Caractéristiques d'une APD
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Alimentation H.T.
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Le récepteur terminé
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Schéma électronique du récepteur
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Alimentation et récepteur ouverts
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Construction et schémas.
La première partie à réaliser est l’alimentation haute tension. Il faudra disposer d’une tension précisément ajustable variant suivant la diode de 200 à 400 v sous un faible débit (moins de 0,1 mA). La stabilité de la tension doit être aussi bonne que possible et le filtrage très soigné. La partie réception est très simple. Malgré le faible nombre de composants il faut impérativement utiliser un plan de masse pour isoler le coté pistes (pistes imprimées ou bandes de CI collées) du coté composants. Les seuls réglages concernent la polarisation de la diode et la résistance d’amortissement. A partir d'une certaine polarisation le bruit augmente plus vite que le gain. Quand notre récepteur est tourné vers le ciel nocturne, la sortie audio délivre un faible souffle qui augmente très rapidement avec la haute tension. Vers 300V le gain devient très important et les impulsions provoquent un grésillement possédant la tonalité caractéristique de la fréquence de répétition du laser. Une carte son de PC est alors capable d’extraire par FFTDSP le signal recherché même à très bas niveau et si l’émission est codée avec « JASON » de I2PHD. Ce programme utilisé également en réception fera apparaître peu à peu le message en clair sur l’écran du PC. Si on pousse plus haut la tension de polarisation jusqu’au « break-down voltage », la diode passe en « Geiger Mode ». Elle produit alors quelques milliers d’impulsions par seconde. Elles sont déclanchées par le signal utile mais aussi et surtout par l’agitation thermique. Dans ce mode la résistance de polarisation du premier BF173 doit être retirée. C’est la forte résistance de 3,3 Mo et le condensateur associée de 2,2 nF qui « éteignent » (quenching circuit) les répétitions oscillatoires de ces impulsions tout en assurant une certaine autorégulation de la polarisation près du seuil de déclanchement. Une porte logique peut capturer certaines impulsions pendant un temps très court au moment de leur arrivée probable. Ainsi la probabilité statistique de réception d’impulsions utiles devient très grande (détection synchrone).
AUTRES EXEMPLES DE REALISATIONS ET SCHEMAS CORRESPONDANTS.
Récepteur plus simple pour la réception d'impulsions espacées Le photo détecteur et son
alimentation haute tension réglable.
Une photodiode SI PIN hybride comme la SD3084, de surface sensible réduite et munie d'un FET interne, permet avec le montage classique de K3PGP, des performances assez proches de celles d'une photodiode à avalanche. Le fonctionnement devient alors celui d'un amplificateur sensible à la charge en boucle ouverte (voir présentations en fin de site). Il faut cependant que la fréquence de répétition des impulsions ne dépasse pas le KHz. |
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