TRABAJO PRACTICO FINAL DE OPTOELECTRONICA

Desarrollo de un sistema para generacion de ultrasonido por laser

Federico Andres Carbogniani1 y Patricio Nicolas Massaro Rocca1

Abstract— En el presente trabajo se analizo un disenode generador de pulsos cortos de alta potencia de laserpara la generacion de ondas ultrasonicas.

Keywords: laser, ultrasonido, onda de presion.

I. INTRODUCCION

Cuando un pulso de luz incide sobre la superficie deun medio material y el mismo es absorbido, se produceel fenomeno de expansion termica [1]. En el momentoen que el haz impacta sobre la superficie del material,la temperatura aumenta y se produce una dilatacion,generando un ligero movimiento que perturba el mediocircundante [2].

Las caracterısticas del ultrasonido dependen de di-versos factores: el material, la duracion y la potenciadel pulso y la forma y tamano del area iluminada.

El objetivo es disenar un circuito capaz de alimentara un laser, para que genere pulsos de luz de unapotencia y duracion configurables. El sistema se pusoa prueba para generar ultrasonido por laser en unblanco compuesto por pintura de plata. El pulso depresion generado fue medido por un sensor basado entecnologıa piezoelectrica.

II. DISENO

Se requirio producir un pulso laser de 10 W depotencia, de un ancho de 150 - 250 ns, con unafrecuencia de repeticion de 750 Hz hasta 1,5 kHz. Lacorriente que circula por el diodo laser es elevada, delorden de los 9 A.

Para cumplir con los requerimientos, se utilizo laconfiguracion de un transistor MOS como una llavecontrolada por tension (Fig. 1).

1Facultad de Ingenierıa, Universidad de Buenos Aires, Av.Paseo Colon 850, Ciudad Autonoma de Buenos Aires, Argentina.fedeeac@gmail.com, patomassaro@gmail.com

Fig. 1: Circuito ideal generador de pulsos.

Cuando el transistor se encuentra apagado, la fuentecarga al capacitor a traves de una resistencia. En el mo-mento en que la llave se cierra, el capacitor encuentrauna descarga a tierra, produciendo una corriente quecircula por el transistor y el diodo, generando el pulsolaser deseado.

En este circuito existen muchos aspectos que tienenque ver con la realidad de los componentes utiliza-dos y deben ser tenidos en cuenta. En primer lugar,el transistor utilizado (IRF640) tiene un tiempo decrecimiento de 15 ns, que debe evaluarse a la horade generar el pulso. El transistor ademas posee uncapacitor de entrada que debe ser cargado para podercerrarlo, debido a esto la salida del circuito generadorde pulsos contiene un driver MOS de alta capacidad decorriente [3].

Otro aspecto a evaluar es la descarga del pulsosobre el diodo laser, idealmente se espera que el flanconegativo sea instantaneo, pero se sabe que la duraciondel flanco depende del capacitor y la resistencia aso-ciada del diodo laser Rd. Para protegerlo, se colocootro transistor que se enciende cuando el primero seapaga, y se mantuvo al mismo encendido por un tiempodeterminado. De ese modo, el capacitor se descarga atraves de la Rds del transistor.

Para generar los pulsos, se implemento un circuitosencillo conformado por un oscilador (LM555) quese encarga de la repeticion de baja frecuencia, y mo-noestables configurados para lograr los pulsos cortosdeseados. Para alimentar este bloque y los posteriores

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se utilizo una fuente de 9V externa.Se presenta el diagrama en bloques del circuito (Fig.

2).

Fig. 2: Diagrama en bloques del circuito.

III. IMPLEMENTACION

A. Topologıas e integrados utilizados

1) Generador de pulso de repeticion: el pulso quealimenta al laser se repite con una frecuencia de alrede-dor de 1 KHz, para realizar esto se utilizo un osciladorLM555 en modo astable (Fig. 3).

Fig. 3: Esquematico del generador de pulso derepeticion.

En este modo, el capacitor externo se carga enun tiempo dependiente de la resistencia R2 y elpotenciometro RV1. Luego se descarga proporcional-mente a RV1. Estos tiempos de carga y descargacorresponden a ton y toff de la salida. Podemos vercomo son las tensiones en el capacitor y en output (Fig.4).

Fig. 4: Tensiones del capacitor (pin 5) y output (pin3.)

Se considera que cuando el pulso se activa, comienzaa funcionar toda la circuiterıa que se monta posterior-mente, durante un perıodo mucho menor al del LM555.Se utilizo un trimmer para variar la frecuencia de salidadel bloque. La frecuencia de oscilacion esta relacionadacon los tiempos de carga y descarga del capacitor y estadeterminada por [4]:

f =1.45

(RV1 + 2 ·R2) · C

En el circuito se observa el conjunto RC que deter-mina la frecuencia, apreciando tambien que la salidade senal corresponde al pin 3.

2) Monoestable de encendido: debido a que elLM555 tiene un tiempo de crecimiento de alrededorde 100 ns (representando un 40% del pulso deseado),se debe utilizar otro componente.

Se utilizo entonces un monoestable 74LS123 quecuenta con un τrise de 15 ns, haciendolo ideal para laaplicacion que aquı se desarrolla. Se utilizaron ademasun capacitor y una resistencia que definen el ancho delpulso a generar y la siguiente tabla de verdad [5]:

TABLE I: Tabla de verdad del 74LS123, se resaltanen negrita las configuraciones utilizadas.

Clear A Input B Input Q Q*L X X L HX H X L HX X L L HH L ↑ LHL HLHH ↓ H LHL HLH↑ L H LHL HLH

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El monoestable es activado por flanco ascendente,por lo que se conecto la salida del LM555 al puerto Bdel integrado, mientras que A se encuentra conectadaa tierra y Clear a Vcc (Fig. 5).

Fig. 5: Esquematico del monoestable de encendido.

Para definir el capacitor y la resistencia en baseal ancho de pulso requerido, se utilizo un grafico(Fig. 6) proporcionado por Texas Instruments [6]. Parapoder trabajar con un rango de anchos de pulso, seimplemento un capacitor variable (8 - 68 pF) debido aque su equivalente en resistencia posee capacidades einductancias parasitas elevadas.

Fig. 6: Grafica del ancho del pulso, en funcion de laresistencia y el capacitor

Se genero entonces un pulso de entre 150 y 300 nsdefinidos por R4 y C4. El mismo activa al driver desalida.

En este esquematico se pueden notar la resistencia yel capacitor que definen el ancho del pulso, ası como lafuente de tension de 5 V implementada con un 7805.

3) Monoestable de delay: el monoestable de delayforma parte del circuito de proteccion del diodo laser.Antes de que el laser principal (el cual tiene unaresistencia Rd) se apague, se enciende un transistordirectamente conectado a tierra, con el proposito deque el capacitor se descargue a traves de Rds << Rd.

Se implemento un 74LS123 (Fig. 7) con la mismaconfiguracion que en el encendido del laser (B a lasalida del LM555, A a tierra y Clear a Vcc), con unancho variable de entre 200 y 350 ns, definidos por R5

y C5.

Fig. 7: Esquematico del monoestable de delay. Notarla similitud con la figura anterior

4) Monoestable de encendido del circuito de pro-teccion: una vez transcurrido el delay del punto ante-rior, se procede a encender el transistor de proteccion.En este caso, se utilizo una configuracion distintadel monoestable dado que es necesario que se activepor flanco descendente. Clear y B se conectan a Vcc,mientras que la salida Q del monoestable de delay seconecta con A (Fig. 8).

Fig. 8: Esquematico del monoestable de resguardo.

Se define el ancho de pulso del monoestable deproteccion para que sea τprot = 5 · Ccarga · RdsMax,de manera que el capacitor se descargue completamenteen este lapso (Fig. 9).

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Fig. 9: Pulsos generados en el circuito de proteccion

Se observa una configuracion distinta a las dosanteriores, en este caso Clear y B estan conectados ala tension de 5 V implementada con un 7805. R6 y C6

definen el ancho de pulso.5) Drivers: Para encender a los transistores

rapidamente, se debe utilizar un componente capaz deentregar una corriente grande a cargas capacitivas, perolos monoestables no poseen esta cualidad. Se utilizoentonces un TC4420 (Figs. 10 y 11), el mismo poseelas siguientes caracterısticas [7]:

• Corriente pico de 6 A.• Se pueden utilizar sobre cargas altamente capaciti-

vas de hasta 10000 pF (tener en cuenta que nuestrotransistor tiene una capacidad de entrada de 1300pF).

• Bajos tiempos de crecimiento y decrecimiento.

Fig. 10: Esquematico del driver y transistor de encen-dido.

Fig. 11: Esquematico del driver y transistor de res-guardo.

6) Eleccion del capacitor de carga: se utilizo unacapacidad de alrededor de 1000 nF, implementada condos capacitores de 470 nF en paralelo. En base a estevalor se pudieron obtener los valores para la resistenciade carga y para el tiempo de encendido del transistorde resguardo.

τresg = 5 · CL ·Rds (1)

5 · CL ·Rcarga < 900uF (2)

Mas adelante, se encontro que era recomendableimplementar la capacidad con condensadores maspequenos en paralelo (Fig. 12), reduciendo las induc-tancias parasitas del circuito.

Fig. 12: Esquematico del capacitor de carga, laser ydiodo.

7) Fuente y resistencia de carga: para implementarla fuente de tension variable, se utilizo un LM317debido a su bajo ripple. Para variar la tension semodifico el valor de resistencia con un trimmer (RV2).La resistencia de carga (R3) se eligio de forma talque cargue al capacitor en el mayor tiempo posible,evitando corrientes elevadas. Para ello se utilizo unaresistencia de 220 Ω (Fig. 13).

Fig. 13: Esquematico de la fuente y resistencia decarga.

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IV. MONTAJE

El diseno del circuito fue realizado en Proteus, unprograma de confeccion de esquematicos, y luego seutilizo su asistente para creacion de layouts de circuitosimpresos. Se eligio una placa de tipo doble faz con unplano de masa en la parte superior (Figs. 14 y 15).Ambas capas se dimensionaron en 5,5 x 5,5 cm.

Fig. 14: Bottom copper del layout listo para ser trans-ferido (GP: generador de pulsos, ME: mo-noestable de encendido, MD: monoestable dedelay, MR: monoestable de resguardo, TE:transistor de encendido, TR: transistor de res-guardo, FRC: fuente y resistencia de carga,CLD: capacitor, laser y diodo).

Fig. 15: Top copper del layout listo para ser trans-ferido, se puede ver que se lo utiliza parahacer un plano de masa.

Finalmente, se muestra el resultado en 3D que arrojael programa (Fig. 16).

Fig. 16: Vista en tres dimensiones de la plaqueta ter-minada (Proteus).

Para realizar el circuito se compraron todos loscomponentes necesarios y se opto por un metodo muyutilizado para hacer impresos. El mismo consiste enimprimir el layout con toner, en la calidad lo masalta posible, para luego transferirlo con calor a laplaca. A continuacion se utiliza percloruro ferrico paraque reaccione con el cobre que no esta cubierto porel toner. De esta manera se obtiene un conexionadorelativamente bueno.

Mas adelante vimos que este sistema puede ser muypractico pero no es recomendado para placas de untamano tan reducido como el caso aquı tratado. Sesoldaron todos los componentes a excepcion del laser,se midieron las tensiones de continua para verificar queeran correctas, y luego se fueron colocando distintosdispositivos para caracterizar al circuito.

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V. MEDICIONES

A. Transistores de encendido y resguardo

Se utilizo un osciloscopio con puntas x10 conectadasa los gates de cada uno de los transistores. En el restode las mediciones posteriores, se utilizo el encendidodel transistor del pulso laser como trigger (Fig. 17).

Fig. 17: Banco de medicion en para tension en lostransistores de encendido y resguardo.

TABLE II: Especificaciones del osciloscopio Tek-tronix TDS2024B [8].

Especificacion ValorAncho de banda 200 MHzTasa de muestreo 2 GS/s

Muestras guardadas 2500Resolucion vertical 8 bitsSensibilidad vertical 2 mV a 5 V/div

Precision vertical (DC) ± 3%Impedancia de entrada 1 MΩ ‖ 20 pF

Se observaron pulsos de 350ns para el caso deltransistor de encendido (Fig. 18), mientras que para eltransistor de resguardo se observaron pulsos de 1000ns(Fig. 19). En este caso y para el resto de las mediciones,se eligio configurar los monoestables para que lospulsos tengan la mayor superposicion posible.

Fig. 18: Medicion de tension en los gates de los tran-sistores.

Fig. 19: Medicion de tension sobre los gates de lostransistores con una base de tiempo mayor.

B. Diodo de alta velocidad 1N4148

Se probo al circuito con un diodo rapido conectadoen lugar del diodo laser. Se midieron las tensiones deanodo y catodo con puntas x10 en un osciloscopio (Fig.20).

Fig. 20: Banco de medicion para la tension sobre diodorapido.

Se puede observar en el grafico (Fig. 21) tres etapasdiferenciadas. El pulso propiamente dicho (diferenciaentre anodo y catodo). Luego se puede ver la caıdagradual de tension del capacitor a traves del transistorde proteccion. Por ultimo, se observa la carga delcapacitor, debido a que esta ultima etapa es muy lenta,en el grafico parece que es inexistente.

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Fig. 21: Medicion de tension sobre diodo rapido.

C. Corriente entregada por el circuito

Para medir la corriente entregada por el circuito, seconecto una resistencia de 1 Ω en serie con el diodoque representa a la carga (Fig. 22). De esta manera, seobtuvo la corriente a partir de la medicion de tension.

Fig. 22: Banco de medicion para tension sobre re-sistencia de 1 Ω.

Se midieron valores de corriente de entre 0.5 A hasta1.8 A (Fig. 23) en pulsos de 300 ns, los cuales seajustan a la especificacion de corriente pico en directapara una onda cuadrada (IFSM ) del diodo utilizado [9].Se modifico el trimmer del LM317 a fin de que sutension de salida varıe, modificando ası la corriente.

Fig. 23: Corriente electrica sobre una resistencia de1 Ω, utilizando el diodo 1N4148

D. Diodo laser de lectora

Se procedio a realizar una primera medicion sobreun laser de lectora (Fig. 24), en concreto el NichiaNDHV210AFB-S04 cuyo pico de potencia se encuentraen los 405 nm (violeta). Esto se hizo para verificarel funcionamiento del circuito antes de probar con ellaser principal debido a que requiere una corriente debombeo menor.

Fig. 24: Banco de medicion para tension sobre laserde lectora y laser principal.

Se midio la caıda de tension en el mismo desdeanodo hacia catodo, repitiendo este procedimiento conel laser principal (Subseccion: V-E). Se obtuvo un pulsode aproximadamente 4,5 V de amplitud y 300 ns deancho (Fig. 25).

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Fig. 25: Medicion de tension sobre laser de lectora.

Se armo un banco de medicion para cuantificar la luzirradiada (Fig. 26). El haz atraviesa una fibra opticae impacta sobre un fotodiodo polarizado con 18 Ven inversa produciendo una corriente. Se utilizo unaresistencia de 50 Ω para generar una tension medible.Debido a que la misma era de una amplitud muypequena, se utilizo un amplificador de tension (83veces, 63 MHz) conectado al osciloscopio.

Fig. 26: Banco de medicion para la luz irradiada dellaser pulsado.

Se pone de manifiesto el comportamiento del diodocomo laser a partir de cierto valor de tension de lafuente del circuito de carga. En la fig. 27, se graficarondistintos niveles de luz irradiada para los respectivosvalores de tension de la fuente. Por debajo de 5 V eldiodo no emitio un haz de luz.

Fig. 27: Luz irradiada por el laser, para valores distin-tos de tension de fuente.

Para relacionar la caida de tension con la medicion deluz, se utilizaron las especificaciones del amplificadorjunto con la hoja de datos del fotodiodo [10].

Para el caso del pico maximo de tension (aproxi-madamente 0.044 V):

VR =0.044 V

83= 530 µV

IMRD500 = IR =530 µV

50 Ω= 10.6 µA

Con la corriente y la sensibilidad del fotodiodopara la longitud de onda correspondiente, se calculo acontinuacion la potencia irradiada por unidad de area:

P =10.6 µA

1.65 µA · cm2/mW= 6.42 mW/cm2

E. Diodo laser pulsado

Siendo satisfactorio el resultado anterior se procedioa repetir la medicion sobre el diodo laser en estudio,el SG2001A de RCA. El material del sustrato es GaAsy emite en una longitud de 904 nm (infrarrojo). Paramontarlo se acortaron los conectores lo mas posiblepara reducir inductancias parasitas.

El banco de medicion para la tension es similar alde la seccion anterior, pero con el diodo laser pulsadoen lugar del laser de lectora. En este caso se obtuvoun pulso de amplitud y ancho menores, 300 mV y 200ns respectivamente (Fig. 28). Esta tension (mucho maspequena que la esperada) se debe a que el circuito noes capaz de soportar el cambio de corriente necesario

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(di/dt) por las inductancias parasitas presentes en elmismo.

Fig. 28: Medicion de tension sobre laser pulsado.

El haz laser se hace incidir por medio de una fibraoptica sobre un blanco de pintura de plata y el pulsode presion es medido por un sensor piezoelectricobasasado en fluoruro de polivinilideno (PVDF) paramedir la presion que genera sobre el mismo (Fig. 29),ya que no se posee un instrumento medidor de corrienteen forma directa para la frecuencia de operacion.

Aunque no fue posible medir en forma correcta lacorriente que circula por el diodo laser, el experi-mento muestra que se pudo generar ultrasonido conlas propiedades esperadas. Dado que la potencia opticaes desconocida no puede decirse si la presion maximaobtenida podrıa ser mayor. Una medicion de corrientepermitirıa saber con certeza si el funcionamiento escorrecto (se deberıan medir pulsos de aproximadamente9 A).

Fig. 29: Banco de medicion para presion generada porel diodo laser pulsado.

TABLE III: Especificaciones del sensorpiezoelelctrico.

Especificacion ValorCoeficiente de transduccion 16 pC/N

Material PVDFDiametro 6 mmEspesor 25 µm

Capacidad media 30 pFCapas Cuarzo/Pintura plata/PVDF/Aire

Para hallar la presion a partir de la medicion primerose obtuvo la carga total integrando la curva de tensiondividida por el valor de amplificacion de transimpedan-cia y se utilizaron los datos del sensor (coeficiente detransduccion KT y area).

P =Q

KT ·ASe logro obtener un pulso de presion de aproximada-

mente 1500 Pa con una duracion de 250 ns (Fig. 30).

Fig. 30: Transduccion a presion de la salida del laserpulsado.

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VI. CONCLUSIONES

• Se logro construir un circuito capaz de alimen-tar al laser y generar pulsos de presion en elpiezoelectrico. Aunque no es posible asegurar quelos resultados sean correctos debido a que no setiene una amplitud patron para comparar ni laposibilidad de medir la corriente que circula por ellaser. Sin embargo, mas alla del valor, se consideraun resultado logico teniendo en cuenta la forma deonda.

• En perspectiva, no se considera adecuado elmetodo utilizado para construir la placa, dado quese manejan tiempos muy pequenos y por lo tantofrecuencias muy altas. Cualquier inductancia o ca-pacidad parasita por pequena que sea comprometeel rendimiento del circuito.

• Otro punto a tener en cuenta es la inductanciaparasita de los capacitores, una mejor opcion hu-biera sido utilizar varios capacitores mas pequenosen paralelo.

REFERENCES

[1] Theory and Applications of Laser-Ultrasonic Techniqueswww.cqe.northwestern.edu/sk/SK-Papers/B5 lutchapter 2003.pdf

[2] Ultrasonic generation by pulsed lasers Hutchins D.A.,Queen’s University, Canada.

[3] Datasheet IRF640 http://www.vishay.com/docs/91036/91036.pdf[4] Datasheet LM555 http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ne555.pdf[5] 74123 User Manual Texas Instruments[6] Designing With the SN54/74LS123 Texas Instruments

http://www.ti.com/lit/an/sdla006a/sdla006a.pdf[7] Datasheet TC4420

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21419D.pdf[8] Tektronix Digital Storage Oscilloscopes

http://www.testequipmenthq.com/datasheets/TEKTRONIX-TDS2024B-Datasheet.pdf

[9] Datasheet 1N4148http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/vishay/85521.pdf

[10] Datasheet MRD500http://openwetware.org/images/1/11/MRD500.pdf

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