簡易激光 光纖通信演示儀的制作與應用*

楊國平 王金娜

(嘉峪關市第五中學 甘肅 嘉峪關 735100)

1 制作背景

激光通信技術是近年來快速發展的高新技術，是現代通信的主要方式之一.目前，常見的激光通信有兩類:一類是以光波為載頻，光導纖維(簡稱光纖)作為有線傳輸信號的通信方式，這種方式應用最為廣泛；另一類是針對大氣的無線激光通信，利用激光束作為信道在空間[1](陸地或外太空)直接進行語音、數據、圖像信息雙向傳送的一種技術，無線激光通信以激光作為信息載體,不使用光纖等有線信道的傳輸介質.

為了讓學生更好地理解激光、光纖通信的相關知識，人教版初中物理第二十一章第4節“越來越寬的信息之路”[2]在講到激光通信時設計了一個演示實驗，用來模擬光纖通信的原理，課本實驗如圖1所示.

圖1 課本實驗

這個模擬光纖傳輸信息原理的演示實驗，筆者認為有如下缺陷：其一，該實驗只能觀察到光沿著細水流傳播后在地面上產生的光斑,不方便全班學生觀察，實驗效果不好.其二，實驗用到了水、照明用電，在教室里操作不方便也不安全.其三，這是一個類比實驗，不能直觀地演示出光纖通信的過程與原理.

為了克服此演示實驗的不足,筆者設計制作了激光、光纖傳遞信息的簡易裝置，實現了激光信號傳播路徑的可視化，能直觀地演示出激光通信的過程與原理，取得了理想的實驗效果，而且學生也能夠輕松上手制作.

2 實驗裝置設計原理

激光、光纖通信演示儀由激光信號發射器和激光信號接收器兩部分組成.發射器把音頻電信號放大后，調制到激光器發射，完成電光轉換.光信號通過空氣或光導纖維傳到接收端，光敏電阻把接收到的光信號轉換為電信號電流,完成光電轉換，經放大后輸入蜂鳴片，還原成聲音.激光、光纖通訊過程如圖2所示.

圖2 激光、光纖通信過程

2.1 激光信號發射器設計原理

激光發射器主要由音樂芯片、三極管、激光頭和電源等組成.音樂三極管輸出的音頻電信號經三極管放大后調制到激光器，完成電光轉換，激光器把加載有音頻信號的激光發射出去，其原理如圖3所示.

圖3 激光信號發射器原理圖

2.2 激光信號接收器設計原理

激光信號接收器主要由光敏二極管、三極管、升壓電感、壓電蜂鳴片、電阻、電源等組成.光敏二極管接收到激光器發射的光信號后，將攜帶有音頻信息的光信號轉換為帶有音頻信息的電流，完成光電轉換，此過程為解調，音頻信號經過三極管放大后，再經過升壓電感升壓后驅動蜂鳴片發聲，完成電聲轉換，還原出音樂芯片的歌曲，其原理如圖4所示.

圖4 激光信號接收器原理圖

3 制作材料及說明

三極管：兩裝置均采用SS8050型三極管.

激光頭：選用波長為671 nm的DPSS紅光激光頭，直徑5 mm，工作電壓為3～6 V.可以從舊的激光筆上拆卸，也可以網上采購，價格便宜.

導光光纖(POF)：采用直徑5.0 mm的PS塑料光纖,長度隨意.

音樂芯片：本裝置使用的型號是BJ1562，有3個腳，又叫音樂三極管，當有字面朝上時，三腳從上到下的順序依次是信號輸出2腳、正極1腳、負極3腳.

三腳升壓電感：采用的型號是PK3W0912-172-763，圖5是其針腳端的俯視圖，1腳為長針，具體參數如圖所示.

圖5 針腳端視圖

光敏二極管：采用2DUB型的普通光敏二極管，光通有效直徑為2.5 mm.

壓電蜂鳴片：本裝置采用陶瓷壓電蜂鳴片，直徑35 mm,頻率3 kHz,工作電壓為3～24 V，所加電壓越高，音量越高.

其他元器件：本裝置還用到1 kΩ電阻1個，長約8 cm、寬約7 cm的萬洞板2塊，紅黑細導線若干，飽和蔗糖水溶液， 7號3 V帶開關電池盒2個，7號干電池4節等.

以上材料可以利用身邊的廢舊物品，也可以采購新品，價格都比較低廉.

4 實驗裝置制作

首先，根據電路圖把元器件分別插到兩個萬洞板上，位置要合適，分布要均勻，便于焊接，需要穿線的地方用電鉆打洞.

其次，把上述元器件按照原理圖用導線和電烙鐵焊接起來.焊接時要注意三極管、音樂芯片、升壓電感的針腳順序，以及光敏二極管、激光頭、壓電蜂鳴片的電流方向，接反了無法工作或者會被燒壞.

最后，焊接好后，再次檢查各元器件的連接方向是否正確，焊接是否牢固，然后再裝電池開始實驗，裝電池時開關要斷開.

焊接好的實物裝置如圖6所示，分別叫做激光信號發射器和激光信號接收器.

圖6 激光、光纖演示儀實物圖

5 演示儀的應用

5.1 激光無線通信實驗

閉合兩裝置的開關，蜂鳴片發出微弱的電流聲，激光器發出紅光，說明兩裝置工作正常.將激光器發出的紅光對準光敏二極管，距離由幾厘米到幾十厘米都可以，蜂鳴片就會播放音樂，一般情況下對的越準距離越近聲音越大，實現了激光的無線通信.

5.2 光纖通信實驗

繼上述實驗，用塑料光纖的兩頭分別對準激光器和光敏二極管，就會聽到蜂鳴片播放音樂，從而實現了光纖傳輸音頻信號.塑料光纖可以任意彎曲，但不能折.

5.3 光纖全反射實驗

閉合激光信號發射器的開關，激光器發出紅光，用塑料光纖的一端對準激光器，另一端對著任意位置，如桌面、墻壁、黑板等，就會看到紅色的光斑，驗證了塑料光纖對光線的全反射.如果此時將塑料光纖的彎曲部分放入飽和的蔗糖溶液中，就會發現光纖另一端的紅色光斑會消失，由此，在學生心中留一懸念，光在什么條件下才會發生全反射？引導學生開展更深一步的實驗探究.

以上實驗過程可掃描圖7的二維碼觀看筆者錄制的實驗視頻，觀看密碼：123456.

圖7 實驗視頻碼

6 演示儀的特色

目前，文獻介紹的激光通信模擬實驗演示儀都是大中專院校通信及相關專業的實驗設備,價格昂貴，結構復雜,無法作為初中物理教學的教具.在初中物理課堂上,還沒有能夠直觀清晰地展現激光通信的實驗儀[3].而筆者制作的激光、光線通信演示儀，正好填補了這一空白.

6.1 能拓展完成多個實驗有助于學生完成知識遷移

本演示儀在實驗過程中性能穩定，實驗前無需調試，能直觀地展現激光、光纖通信、光的全反射等多個常見的物理現象,并將激光通信與電學，以及無線電廣播的發射和接收等多方面的知識融會貫通，既豐富了學生知識,又擴展了學生的思維，同時實現了激光通信到無線電廣播知識的遷移.

6.2 結構簡單取材方便成本低廉便于學生動手制作

本演示儀由于結構簡單、取材方便、制作容易、現象明顯,非常適合學生課外科技實踐活動.學生可以在電路板上焊接，也可以在多孔位的接線端子上進行連接，以低成本的實驗裝置體驗了先進的通信技術，在活動中加深理解電光、光電轉換、光的全反射現象,是一項有趣又有效的科技創新活動.

6.3 引導學生開展探究性的實驗促進物理學科的深度學習

例如：在演示光的全反射實驗時，引導學生思考，如果把飽和蔗糖水溶液換成飽和食鹽水溶液或者其他溶液，此時會不會發生全反射呢？也可以改變蔗糖水溶液的濃度進一步探究；在演示激光無線通信實驗時，兩裝置距離越近聲音越大，距離越遠聲音越小，亦可引導學生思考，是不是激光信號在空氣中發生了衰減？如果兩裝置之間用紙張、玻璃或者塑料等物體隔開，還能不能接收到信號？教師應順勢引導學生收集整理這些疑問，以疑問為契機，化被動為主動，激勵學生認真鉆研教材,查閱資料，制作器材，不斷探究，在反復、螺旋式的創新實驗探究中，加強對學生的培養，提升物理學科素養，促進物理學科的深度學習.