一支鐳射筆實現千里傳音手工電子DIY教程

你相信一根普通的鐳射筆能夠在空氣中將聲音傳輸100英里之遙嗎？我們做到了，並且相信你也能做到。

DIYer:Clint，Ron 製作時間:1星期 製作難度:★★★★☆ GEEK指數:★★★☆☆ 

你相信一根普通的鐳射筆能夠在空氣中將聲音傳輸100英里之遙嗎？我們做到了，並且相信你也能做到。

1   半導體鐳射器

一般光纖通訊的光源都是鐳射，但在大氣中通訊時，二極體產生的非相干光有時比鐳射好用。主要的原因是大氣密度的變化會破壞鐳射的相位相關性，並導致亮度的隨機波動，有可能破壞光束中包含的資訊。其次，遠距離通訊時需要大直徑的光束但是將相干光擴束並不容易，這需要使用非常精密的鏡頭並增加重量和成本。

即使有這些缺點，用常見的鐳射筆進行光通訊仍然是很有吸引力的事情，它們價格便宜，現成易得，功耗低，較為安全，並且容易靠pwm技術調製。最後也是最重要的一點，鐳射通訊多酷啊！

價格最低廉的紅色鐳射筆非常理想，它們產生的準直光束即使只有幾毫米的直徑，但也能在相當遠的距離用肉眼觀察到，氣候良好時可視距離可以遠達100公里。

 

2   鐳射調製-解調電路

傳輸音訊訊號的簡易方法是調幅加上脈寬調製。在圖中可以看到一個基於鐳射器的調幅-脈寬調製電路，它由Ron(K7RJ)設計，目的是儘可能用簡單現成的零件加上一個鐳射筆傳輸聲音。這個電路包含一個基於光電二極體的光接收機。但是由於電路的主要目的是示範調製電路，而沒有在靈敏度上下功夫，也沒有聚焦鏡頭，所以通訊距離很短，只有大約100米。

大圖請看： http://modulatedlight.org/optical_comms/LASER_COMM_simple.gif

 

想要獲得更為優越的通訊效能的話，可以考慮下面的電路和光學部件。

為語音頻寬優化的高靈敏度光接收機。

大圖請看： http://www.modulatedlight.org/optical_comms/ka7oei_optical_rx_ver310a.gif

 

這是個久經考驗並被多次複製的電路，在2~3kHz上有很高的靈敏度，適合語音和低速數字通訊，可做參考：

_comms/Optical_enclosure_cheap_

 

這是個紙板和菲涅爾透鏡組裝的鏡頭系統，簡單但是效能優越，我們用它接收過172公里遠的光訊號。

 

3   鐳射器佈線安裝

低功率的鐳射器容易在很多地方找到，但是要將它拆出來安裝不一定容易。鐳射筆或者鐳射教鞭可能是其中最容易改裝的一種。需要注意的是鐳射筆並不是鐳射器與電池的簡單串聯，通常會有簡單的限流電路。該電路通常包括幾個電晶體，但是一些最便宜的鐳射筆只有一個簡單的限流電阻。有趣的是，昂貴的鐳射筆在這裡不一定適用，它們有複雜的保護恆流電路，這些電路將會嚴重影響鐳射器的響應速度，所以請儘可能找足夠便宜簡易的紅色鐳射筆。

更多關於鐳射器的知識，參看：

 

很遺憾從我這個鐳射筆裡不容易拆出鐳射模組，所以打算在裡面裝進個“假電池”然後引出電源線。我找個一根直徑和鐳射筆原先用的AAA電池一樣的圓木棍，然後按長度切下一段，沿長度方向切割淺槽並嵌入電線，兩端製作電極,最後將假電池裝入鐳射筆裡，將鐳射筆的按鈕用膠帶固定在開啟的位置，並將假電池引出的電源線接到旁邊裝有驅動-調製電路的塑料小盒裡。

 

4   短距離鐳射通訊

剛開始玩這個的話，建議從短距離通訊開始嘗試，比如說自家院子，或者幾百米的範圍。實驗時要注意鐳射的去向，即使是非常低功耗，看起來“無害”的鐳射，如果照射到遠方的道路或者機場上，一瞬間的分心仍然有嚴重的危險。

短距離測試的一大好處就是可以直接看到鐳射器和鐳射的照射點，極大的簡化了瞄準過程。建議在除錯時準備雙向對講機，或者也可以在發射和接收端之間用手機聯絡，只要不在意話費！

一個實用的建議是準備一些容易辨認的目標，比如反光膠帶，自行車尾燈，反光板之類，這些裝置上帶有角反射器，被鐳射照射時非常明亮，能夠幫助你在黑暗中找到遠處的目標。

這時你應該可以注意到鐳射的定向性即使在短距離也非常明顯，發射端的一點挪動就會造成接收端光斑的巨大偏移。

 

5   長距離鐳射通訊

距離進一步增加時，沒法直接看到光束的照射點，從而需要依靠接收端的反饋調整鐳射方向。這樣的距離上必須依靠精密的調整對準方向，否則差之毫釐，就謬以千里了（LED光源在這方面有優勢，因為在遠處的光斑很大）。

怎樣將鐳射精確指向目標是個複雜的問題，簡單起見這裡將介紹兩種適於業餘者的方法：

5.1   使用望遠鏡

將鐳射筆捆在望遠鏡上，經過仔細調整之後可以將望遠鏡的光學軸線與鐳射束調整平行，這樣就可以用望遠鏡尋找接收地點提供近似的指向，減少鐳射指向的不確定性。對於帶有赤道儀，能夠自動尋星的望遠鏡，還可以通過一定的改造讓它依據反饋訊號的強度自動定位。

望遠鏡的缺點是有很大的迎風面積，即使輕微的擾動也可能引起遠處的光斑迅速移動，從而中斷通訊。

圖中我們把之前做好的鐳射調製電路和鐳射模組裝到了一架8英寸反射望遠鏡上，望遠鏡本身提供了一個穩定可調節的負載平臺。

 

5.2   使用三腳架

最早的時候我們試圖使用標準三腳架，但是它們往往存在調節時的過沖或反彈。最後我和Ron自制了一個調節機構，以提供遠距離瞄準所需的高精度和可重複性。

這個調節機構大部分由高密度聚乙烯製成，它可以在廚房砧板上找到。這種材料具有很小的動態和靜態摩擦，用在移動部件上很合適。滑塊通過高精度的螺桿和螺紋連線，可以在正交方向上獨立做細微的調整。為了減小螺紋咬合時的回差，開始我們用鬆緊帶對滑塊預先施加一定的拉力，後來改用了金屬彈簧。

 

 

6   示例音訊

我們多次用鐳射筆完成了超過100公里距離的通訊，最大的紀錄是172英里。

2007年9月3日的通訊紀錄，距離107英里：

_comms/revisiting_the_107_mile_

 

通訊路線

 

作者Clint在實驗現場觀察接收地點

_comms/optical_insipiration_20070903_laser_3

這個音訊片斷使用標準的鐳射筆傳輸，對準的時候使用了8寸的反射望遠鏡輔助。左聲道是原音訊，右聲道是接收到的訊號。

0:00-0:29：鐳射束上調製了1khz的音訊訊號。試圖藉助望遠鏡瞄準鐳射束。最初幾秒可以聽到鐳射束在接收器表面掠過，直到調整後訊號達到峰值。0:29-0:58：羅伯特•邁爾斯的音樂"Children"0:58-2:20：語音通話，可以感到空氣密度導致的訊號閃爍相當嚴重，但是語音的清晰度還不錯。這主要是我們的大大腦在識別語音的時候會自動補全缺失部分。 

7   給愛好者的建議

建議新手從短距離通訊開始並逐漸增大通訊距離，這可以磨練技能並且幫助瞭解自己裝置的能力和限制，因為新手通常會高估或者低估了自己手頭的器材。

如果剛開始的時候沒有成功，不要放棄。失敗是成功之母，即使是一次失敗的實驗，它提供的收益和成功的實驗一樣多。

最後，既然我們能實現，那麼你也可以。