לראות מבלי להראות- מד מרחק לייזר מוגן עין

אורך הגל 1550 ננו–מטר ממלא תפקיד חשוב בפיתוח מדי טווח ומערכות זיהוי עמית–טורף הצבאיים מוגני עין של הדור הבא. דיודות לייזר רבות עוצמה, דיודות מפולת (avalanche) רגישות יותר לאור ומקלטי דיודות APD פתחו אפשרויות חדשות בתחומים אלו.

כבר בשנת 1916 תאר אלברט איינשטיין פליטה מאולצת כתגובה לקליטה והניח את היסודות לטכנולוגיית הלייזר. הלייזר הראשון נבנה בשנת 1960 ותוכניות מחקר הובילו במהרה ליישומים הצבאיים הראשונים. נשק הלייזר הראשון פותח עבור חיל האוויר האמריקאי – פצצה מונחית לייזר. כיום קיימים מתקני לייזר בטווח שבין מילי–וואט לבין פטה–וואט (1015 וואט). יישומי לייזר צבאיים באנרגיה גבוהה (HEL) עם הספק קבוע של 20 קילוואט משמשים ככלי נשק ישירים. לעומתם, מערכות לייזר במוליכים למחצה בהספק של עשרות ואטים משמשות ביישומי חיישנים כמו למשל מדידת טווח, זיהוי עמית–טורף, זיהוי מטרות בנשק עם הנחיה עצמית ופצצות מונחות לייזר, נשק סינוור ובתקשורת אופטית.

חיישן: מדידת טווח

חיילים המשתמשים במערכות צפייה נישאות יכולים להעביר למפקדה נתוני קואורדינטות של מטרות ותנועות אויב בדרך מהירה ואמינה. דיווח כזה יכול לעבור ביום ובלילה אם ייבחר אורך הגל הנכון ועדיין להתבצע בסודיות. הבסיס למידע זה הוא מדידת טווח אופטית לפי עקרון זמן ההחזרה. המדידה ללא מגע מאפשרת מדידת טווח ומהירות מכמה סנטימטרים לכמה קילומטרים.

זמן ההחזרה: עקרון הפעולה

בשיטה של מדידת זמן ההחזרה, אות מקבילי מאופנן של אור נשלח למטרה. מדידת זמן ההחזרה Δt של האות ומהירות האור C מאפשרות לחשב את מהלך הקרן l. מאחר שהאור חייב לעבור את המרחק פעמיים, יש לחלק את התוצאה בשתיים ולקחת בחשבון שמקדם השבירה של התווך מקטין את מהירות האור.

אחד היתרונות של השיטה הוא זמן התגובה הקצר שלה. השיטה מאפשרת למדוד מרחקים ממטר אחד ועד עשרות קילומטרים. החיסרון נעוץ בעובדה שהמדידה מתבצעת בטווח זמן של ננו–שניה או פיקו–שניה וקשה, לכן, להשיג דיוק בתחום של סנטימטרים. מדי טווח צבאיים הפועלים בעיקרון זמן ההחזרה מודדים בדרך כלל מרחקים של כמה עשרות קילומטרים בדיוק של פחות ממטר אחד.

משדר (פולט) הלייזר

גם מערכות לייזר מצב מוצק וגם מערכות מוליכים למחצה הם משדרים מתאימים לכך. לייזרים של המצב המוצק מצטיינים בפולסי לייזר קצרים ביותר בהספקי שיא גבוהים (עד כמה מגה–וואט) ובאיכות גבוהה של הקרן. מנגד, רוב דיודות הלייזר מתוכננות לפליטה רציפה מהספק של מילי–וואטים ספורים עד מספר וואטים. אפשר לדחוף דיודות לייזר כאלה דחיפת יתר במידה מוגבלת בלבד, מאחר שאם ההספק האופטי עובר את המקסימום המותר, אפילו לפרק זמן קצר, המהוד הפנימי של הדיודה נהרס.

עם זאת, דיודות לייזר בפולסים (PLD), מתוכננות לדחיפת יתר קצרה בהספק גבוה ולכן מתאימות במיוחד למדידת החזרה. היתרונות הנוספים שלהן כוללים את גודלן ומשקלן הקטנים, יכולתן לעמוד בתאוצה גבוהה וצריכת ההספק הנמוכה שלהן. כל אלה מאפשרים תכנון מדי טווח קלים, קומפקטיים וחסכוניים באנרגיה, שאותם אפשר לשלב במערכות גילוי מטרות ובמשקפות. כדי להגיע להספק שיא כזה יש להפעיל את הדיודה במחזור פעולה (duty cycle) נמוך ביותר, בדרך כלל 0.1%. המשמעות היא, שלאחר אות של 100 ננו–שניות, למשל, יש לאפשר לדיודה “הפסקה” של 100 מיקרו–שניה. כדי להגיע לקצב אותות אופטיים בטווח של יותר מ–1 קילו–הרץ, האותות חייבים להיות קצרים ביותר. אותות קצרים כאלה, באורך של כמה עשרות ננו–שניה עם זמן עליה קצר ביותר אפשר להשיג באמצעות אות זרם גבוה, בזרמים שערכם נמדד במספר אמפרים בודדים ועד עשרות אמפרים. יצירת אותות זרם כאלה אינה משימה קלה ולמימושה נדרשים, בין היתר, טרנזיסטורים מיוחדים וחיבורים קצרים.

אורך גל הפליטה של הדיודה הוא אמת מידה חשובה בעת בחירתה. חומרי הבסיס השונים המשמשים בשכבות הפעילות של הדיודה קובעים את אורך הגל שהיא מפיקה. למדידת טווח ביישומים של מוצרי צריכה, ביישומים תעשייתיים ולרכב, נקבע כתקן אורך הגל 905 ננו–מטר. אולם בעוד אורך גל זה לא נראה לעין האנושית, אפשר לגלות אותו בעזרת משקפת ראיית לילה ובעזרת מגברי אור. גילוי כזה אינו אפשרי עוד אם משתמשים בדיודות PLD באורך גל של 1550 ננו–מטר. שימוש באורך גל מעל 1500 ננו–מטר אפשרי גם ברמות הספק גבוהות בהרבה מאחר שהוא נחשב בטוח לעין (“מוגן עין”) לפי קבוצת הלייזר 1M.

טכנולוגיית “ריבוי צמתים” לביצועים גבוהים

החומר העומד בבסיס דיודות הלייזר לאורך גל של 1550 ננו–מטר הוא אינדיום–גליום–ארסן–זרחן (InGaAsP) והמבנה שלו ידוע במשך שנים רבות לטובה באמינותו, במאפייני הקרן שהוא פולט וביציבותו בטמפרטורה. נצילות הפליטה של חומר זה היא 0.36 וואט לאמפר ומשדר יחיד מגיע להספק מוצא של עד 12 וואט.

אפשר להגיע להספקי מוצא גבוהים יותר בטכנולוגיה של “ריבוי צמתים” שפותחה על ידי
חברת Laser Components. בטכנולוגיה זו משלבים באופן גבישי כמה דיודות לייזר זו מעל זו בתוך שבב יחיד, כך שהמרחק בין שני משדרים–פולטים (emitter) הוא כ–5 מיקרו–מטר בלבד. עבור גודל משדר נתון אפשר להגדיל עד פי שלושה את הספק השיא האופטי.

דיודות PLD בעוצמה גבוהה

אפשרות נוספת היא להשתמש בדיודות PLD בעוצמה גבוהה של 0.5 וואט לאמפר. בתלות ברוחב הרצועה, התקן יחיד יכול להגיע להספק מוצא של עד 35 וואט. אפשר להגיע להספקי שיא גבוהים יותר רק באמצעות תכנונים המשלבים דיודות זו על זו: הספקי שיא ברמות של 50 וואט באותות שאורכם 100 ננו–שניה, ויותר מ–80 וואט מתאפשרים באותות קצרים יותר של הבזקי אור.

המקלט

כדי לגלות את אותות האור הקצרים הנפלטים על ידי דיודת PLD, מדי טווח לייזר משתמשים בדרך כלל כבגלאים בדיודות אור מסוג PIN בסיליקון או בדיודות מפולת (avalanche) רגישות לאור (APD). רגישות החומר נמצאת בטווחים ספקטרליים שונים, בתלות בחומרים במרכיבים אותה: 400 ננו–מטר עד 1100 ננו–מטר בסיליקון ו–900 ננו–מטר עד 1700 ננו–מטר עבור אינדיום–גליום–ארסן (InGaAs). בעוד שהרגישות המרבית של רוב גלאי הסיליקון נמצאת ב–900 ננו–מטר, פיתחה Laser Components גרסה מורחבת של גלאי Nd:YAG ליישומים צבאיים שפועלת היטב ב–1060 ננו–מטר. עבור אורך הגל “המוגן עין” של 1550 ננו–מטר משתמשים באינדיום–גליום–ארסן ובמושגים של יחס אות לרעש יש לגלאים אלו ביצועים טובים בהרבה בהשוואה לגלאים התואמים בטכנולוגיית גרמניום.

הפוטונים של האור המגיעים לדיודות האור מסוג PIN הרגילות יוצרים זוגות של חורים ואלקטרונים (המכונים “נושאי מטען”) שכתוצאה יוצרים זרם אור שניתן למדידה. מכאן שהאנרגיה של הפוטונים המגיעים מומרת לאנרגיה חשמלית. לעומת זאת, דיודות APD מגיבות באופן מרחיק לכת בהרבה: בניגוד למצב שמתרחש בדיודות אור “רגילות” מסוג PIN, הפוטונים המגיעים לדיודות APD יוצרים תופעת מפולת של נושאי המטען ומכאן שדיודות המפולת מתאימות באופן מיוחד לשיפור הרגישות. תנאי מוקדם לכך הוא ממתח שמופעל על מנת להרחיב את אזור הדלדול (depletion), שבו נושאי המטען המשתחררים כתוצאה מפגיעת האור המגיע אליו מואצים על ידי השדה החשמלי ויוצרים באמצעות השפעת היינון זוגות נוספים של חורים ואלקטרונים. אפשר לחשב את הזרם שנוצר כתוצאה כדלהלן:

            I = Ro x M x Ps

כאשר Ro (נמדד באמפר לוואט) מציין את הרגישות הספקטרלית של דיודת APD, M מציין את ההגבר הפנימי ו–Ps (הנמדד בוואט) הוא ההספק של האור הפוגע. ההגבר של דיודת APD תלוי בממתח שמופעל, במתח.

דיודת APD או דיודת PIN

אין זה מספיק להציץ במאפייני הרעש של דיודת APD ושל דיודת PIN במטרה להשוות את הביצועים שלהן. יחס אות לרעש של המערכת כולה הוא זה שמכריע את ההשוואה ביניהן. לכן, בעת בדיקת הביצועים של דיודות PIN, יש לקחת בחשבון את קדם המגבר המתאים וכן את מאפייני הרעש שלו התלויים בתדירות. דיודת APD עולה על דיודת PIN בכל מצב שבו דיודת APD יכולה בבירור לשפר את רמת האות, בלי להגדיל באופן משמעותי את הרעש הכולל של המערכת. השימוש בדיודות APD עדיף כאשר יש צורך לגלות רמות נמוכות של אור בתדירויות בינוניות או גבוהות.

על מנת למנוע מדיודות APD להשפיע על הרעש של המערכת, יש לבקר את ההגבר הפנימי כך שהרעש של הגלאי ישתווה לרעש הכניסה של המגבר או הנגד בדרגה שאחריו. בתלות ביישום, דיודת APD (שיש לה הגבר פנימי בטווח מ–10 עד 1,000) משיגה שיפור של יחס אות לרעש פי 2 עד 5 בהשוואה לדיודת PIN שלה יש קדם–מגבר. בדיודות APD וגם בדיודות PIN הרעש גדל עם הגידול ברוחב הפס של המערכת. על מנת להקטין את הרעש הכולל של מודול הגלאי–מגבר יש לשמור שהקיבול המחובר למגבר יהיה קטן ככל האפשר. מודולים שלמים של מקלטי APD פותחו כדי לעמוד בדרישה זו. מודולים אלו תוכננו לגילוי של הכמויות הקטנות ביותר של אור ממתח ישר עד 25 מגה–הרץ (סדרת H1) וכן גם למדידות מהירות ביותר עד 700 מגה–הרץ (סדרות H2 עד H5). כל הרכיבים מסודרים בסמיכות סביב המוליך למחצה על גבי מצע קרמי. סידור זה מקטין את הקיבול האקראי ומכאן גם את הרעש. בנוסף, מודולי מקלט אלו קומפקטיים מאוד בהשוואה לדיודות APD הרגילות שמצורף להן מגבר.

סיכום

למדי טווח בלייזר הפועלים באורך גל של 1550 ננו–מטר היתרון שהם “מוגני עין” ושאין אפשרות לגלות אותם באמצעות משקפות ראיית לילה ומגבירי אור רגילים. דיודות לייזר בפולסים חדשות ודיודות אור מפולת רגישות ביותר מאפשרות תכנון של חיישנים קלים מאוד, קומפקטיים ובעלי נצילות אנרגיה גבוהה. חיישנים אלו מתאימים מאוד לכן לשילוב במדי טווח בלייזר, במשקפות, בגלאי מטרות ובמערכות זיהוי עמית–טורף.