简易激光 光纤通信演示仪的制作与应用*

杨国平 王金娜

(嘉峪关市第五中学 甘肃 嘉峪关 735100)

1 制作背景

激光通信技术是近年来快速发展的高新技术，是现代通信的主要方式之一.目前，常见的激光通信有两类:一类是以光波为载频，光导纤维(简称光纤)作为有线传输信号的通信方式，这种方式应用最为广泛；另一类是针对大气的无线激光通信，利用激光束作为信道在空间[1](陆地或外太空)直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术，无线激光通信以激光作为信息载体,不使用光纤等有线信道的传输介质.

为了让学生更好地理解激光、光纤通信的相关知识，人教版初中物理第二十一章第4节“越来越宽的信息之路”[2]在讲到激光通信时设计了一个演示实验，用来模拟光纤通信的原理，课本实验如图1所示.

图1 课本实验

这个模拟光纤传输信息原理的演示实验，笔者认为有如下缺陷：其一，该实验只能观察到光沿着细水流传播后在地面上产生的光斑,不方便全班学生观察，实验效果不好.其二，实验用到了水、照明用电，在教室里操作不方便也不安全.其三，这是一个类比实验，不能直观地演示出光纤通信的过程与原理.

为了克服此演示实验的不足,笔者设计制作了激光、光纤传递信息的简易装置，实现了激光信号传播路径的可视化，能直观地演示出激光通信的过程与原理，取得了理想的实验效果，而且学生也能够轻松上手制作.

2 实验装置设计原理

激光、光纤通信演示仪由激光信号发射器和激光信号接收器两部分组成.发射器把音频电信号放大后，调制到激光器发射，完成电光转换.光信号通过空气或光导纤维传到接收端，光敏电阻把接收到的光信号转换为电信号电流,完成光电转换，经放大后输入蜂鸣片，还原成声音.激光、光纤通讯过程如图2所示.

图2 激光、光纤通信过程

2.1 激光信号发射器设计原理

激光发射器主要由音乐芯片、三极管、激光头和电源等组成.音乐三极管输出的音频电信号经三极管放大后调制到激光器，完成电光转换，激光器把加载有音频信号的激光发射出去，其原理如图3所示.

图3 激光信号发射器原理图

2.2 激光信号接收器设计原理

激光信号接收器主要由光敏二极管、三极管、升压电感、压电蜂鸣片、电阻、电源等组成.光敏二极管接收到激光器发射的光信号后，将携带有音频信息的光信号转换为带有音频信息的电流，完成光电转换，此过程为解调，音频信号经过三极管放大后，再经过升压电感升压后驱动蜂鸣片发声，完成电声转换，还原出音乐芯片的歌曲，其原理如图4所示.

图4 激光信号接收器原理图

3 制作材料及说明

三极管：两装置均采用SS8050型三极管.

激光头：选用波长为671 nm的DPSS红光激光头，直径5 mm，工作电压为3～6 V.可以从旧的激光笔上拆卸，也可以网上采购，价格便宜.

导光光纤(POF)：采用直径5.0 mm的PS塑料光纤,长度随意.

音乐芯片：本装置使用的型号是BJ1562，有3个脚，又叫音乐三极管，当有字面朝上时，三脚从上到下的顺序依次是信号输出2脚、正极1脚、负极3脚.

三脚升压电感：采用的型号是PK3W0912-172-763，图5是其针脚端的俯视图，1脚为长针，具体参数如图所示.

图5 针脚端视图

光敏二极管：采用2DUB型的普通光敏二极管，光通有效直径为2.5 mm.

压电蜂鸣片：本装置采用陶瓷压电蜂鸣片，直径35 mm,频率3 kHz,工作电压为3～24 V，所加电压越高，音量越高.

其他元器件：本装置还用到1 kΩ电阻1个，长约8 cm、宽约7 cm的万洞板2块，红黑细导线若干，饱和蔗糖水溶液， 7号3 V带开关电池盒2个，7号干电池4节等.

以上材料可以利用身边的废旧物品，也可以采购新品，价格都比较低廉.

4 实验装置制作

首先，根据电路图把元器件分别插到两个万洞板上，位置要合适，分布要均匀，便于焊接，需要穿线的地方用电钻打洞.

其次，把上述元器件按照原理图用导线和电烙铁焊接起来.焊接时要注意三极管、音乐芯片、升压电感的针脚顺序，以及光敏二极管、激光头、压电蜂鸣片的电流方向，接反了无法工作或者会被烧坏.

最后，焊接好后，再次检查各元器件的连接方向是否正确，焊接是否牢固，然后再装电池开始实验，装电池时开关要断开.

焊接好的实物装置如图6所示，分别叫做激光信号发射器和激光信号接收器.

图6 激光、光纤演示仪实物图

5 演示仪的应用

5.1 激光无线通信实验

闭合两装置的开关，蜂鸣片发出微弱的电流声，激光器发出红光，说明两装置工作正常.将激光器发出的红光对准光敏二极管，距离由几厘米到几十厘米都可以，蜂鸣片就会播放音乐，一般情况下对的越准距离越近声音越大，实现了激光的无线通信.

5.2 光纤通信实验

继上述实验，用塑料光纤的两头分别对准激光器和光敏二极管，就会听到蜂鸣片播放音乐，从而实现了光纤传输音频信号.塑料光纤可以任意弯曲，但不能折.

5.3 光纤全反射实验

闭合激光信号发射器的开关，激光器发出红光，用塑料光纤的一端对准激光器，另一端对着任意位置，如桌面、墙壁、黑板等，就会看到红色的光斑，验证了塑料光纤对光线的全反射.如果此时将塑料光纤的弯曲部分放入饱和的蔗糖溶液中，就会发现光纤另一端的红色光斑会消失，由此，在学生心中留一悬念，光在什么条件下才会发生全反射？引导学生开展更深一步的实验探究.

以上实验过程可扫描图7的二维码观看笔者录制的实验视频，观看密码：123456.

图7 实验视频码

6 演示仪的特色

目前，文献介绍的激光通信模拟实验演示仪都是大中专院校通信及相关专业的实验设备,价格昂贵，结构复杂,无法作为初中物理教学的教具.在初中物理课堂上,还没有能够直观清晰地展现激光通信的实验仪[3].而笔者制作的激光、光线通信演示仪，正好填补了这一空白.

6.1 能拓展完成多个实验有助于学生完成知识迁移

本演示仪在实验过程中性能稳定，实验前无需调试，能直观地展现激光、光纤通信、光的全反射等多个常见的物理现象,并将激光通信与电学，以及无线电广播的发射和接收等多方面的知识融会贯通，既丰富了学生知识,又扩展了学生的思维，同时实现了激光通信到无线电广播知识的迁移.

6.2 结构简单取材方便成本低廉便于学生动手制作

本演示仪由于结构简单、取材方便、制作容易、现象明显,非常适合学生课外科技实践活动.学生可以在电路板上焊接，也可以在多孔位的接线端子上进行连接，以低成本的实验装置体验了先进的通信技术，在活动中加深理解电光、光电转换、光的全反射现象,是一项有趣又有效的科技创新活动.

6.3 引导学生开展探究性的实验促进物理学科的深度学习

例如：在演示光的全反射实验时，引导学生思考，如果把饱和蔗糖水溶液换成饱和食盐水溶液或者其他溶液，此时会不会发生全反射呢？也可以改变蔗糖水溶液的浓度进一步探究；在演示激光无线通信实验时，两装置距离越近声音越大，距离越远声音越小，亦可引导学生思考，是不是激光信号在空气中发生了衰减？如果两装置之间用纸张、玻璃或者塑料等物体隔开，还能不能接收到信号？教师应顺势引导学生收集整理这些疑问，以疑问为契机，化被动为主动，激励学生认真钻研教材,查阅资料，制作器材，不断探究，在反复、螺旋式的创新实验探究中，加强对学生的培养，提升物理学科素养，促进物理学科的深度学习.