国外牛人超强DIY:一支激光笔实现千里传音

你相信一根普通的激光笔能够在空气中将声音传输100英里之遥吗？我们做到了，并且相信你也能做到。
1   半导体激光器

一般光纤通信的光源都是激光，但在大气中通信时，二极管产生的非相干光有时比激光好用。主要的原因是大气密度的变化会破坏激光的相位相关性，并导致亮度的随机波动，有可能破坏光束中包含的信息。其次，远距离通信时需要大直径的光束但是将相干光扩束并不容易，这需要使用非常精密的镜头并增加重量和成本。

即使有这些缺点，用常见的激光笔进行光通信仍然是很有吸引力的事情，它们价格便宜，现成易得，功耗低，较为安全，并且容易靠pwm技术调制。最后也是最重要的一点，激光通信多酷啊！

价格最低廉的红色激光笔非常理想，它们产生的准直光束即使只有几毫米的直径，但也能在相当远的距离用肉眼观察到，气候良好时可视距离可以远达100公里。

2   激光调制-解调电路

传输音频信号的简易方法是调幅加上脉宽调制。在图中可以看到一个基于激光器的调幅-脉宽调制电路，它由Ron(K7RJ)设计，目的是尽可能用简单现成的零件加上一个激光笔传输声音。这个电路包含一个基于光电二极管的光接收机。但是由于电路的主要目的是示范调制电路，而没有在灵敏度上下功夫，也没有聚焦镜头，所以通信距离很短，只有大约100米。

想要获得更为优越的通信性能的话，可以考虑下面的电路和光学部件。

为语音带宽优化的高灵敏度光接收机。

这是个久经考验并被多次复制的电路，在2~3kHz上有很高的灵敏度，适合语音和低速数字通信，可做参考：

这是个纸板和菲涅尔透镜组装的镜头系统，简单但是性能优越，我们用它接收过172公里远的光信号。

3   激光器布线安装

低功率的激光器容易在很多地方找到，但是要将它拆出来安装不一定容易。激光笔或者激光教鞭可能是其中最容易改装的一种。需要注意的是激光笔并不是激光器与电池的简单串联，通常会有简单的限流电路。该电路通常包括几个晶体管，但是一些最便宜的激光笔只有一个简单的限流电阻。有趣的是，昂贵的激光笔在这里不一定适用，它们有复杂的保护恒流电路，这些电路将会严重影响激光器的响应速度，所以请尽可能找足够便宜简易的红色激光笔。

很遗憾从我这个激光笔里不容易拆出激光模块，所以打算在里面装进个“假电池”然后引出电源线。我找个一根直径和激光笔原先用的AAA电池一样的圆木棍，然后按长度切下一段，沿长度方向切割浅槽并嵌入电线，两端制作电极,最后将假电池装入激光笔里，将激光笔的按钮用胶带固定在开启的位置，并将假电池引出的电源线接到旁边装有驱动-调制电路的塑料小盒里。

4   短距离激光通信

刚开始玩这个的话，建议从短距离通信开始尝试，比如说自家院子，或者几百米的范围。实验时要注意激光的去向，即使是非常低功耗，看起来“无害”的激光，如果照射到远方的道路或者机场上，一瞬间的分心仍然有严重的危险。

短距离测试的一大好处就是可以直接看到激光器和激光的照射点，极大的简化了瞄准过程。建议在调试时准备双向对讲机，或者也可以在发射和接收端之间用手机联系，只要不在意话费！

一个实用的建议是准备一些容易辨认的目标，比如反光胶带，自行车尾灯，反光板之类，这些装置上带有角反射器，被激光照射时非常明亮，能够帮助你在黑暗中找到远处的目标。

这时你应该可以注意到激光的定向性即使在短距离也非常明显，发射端的一点挪动就会造成接收端光斑的巨大偏移。

5   长距离激光通信

距离进一步增加时，没法直接看到光束的照射点，从而需要依靠接收端的反馈调整激光方向。这样的距离上必须依靠精密的调整对准方向，否则差之毫厘，就谬以千里了（LED光源在这方面有优势，因为在远处的光斑很大）。

怎样将激光精确指向目标是个复杂的问题，简单起见这里将介绍两种适于业余者的方法：

5.1   使用望远镜

将激光笔捆在望远镜上，经过仔细调整之后可以将望远镜的光学轴线与激光束调整平行，这样就可以用望远镜寻找接收地点提供近似的指向，减少激光指向的不确定性。对于带有赤道仪，能够自动寻星的望远镜，还可以通过一定的改造让它依据反馈信号的强度自动定位。

望远镜的缺点是有很大的迎风面积，即使轻微的扰动也可能引起远处的光斑迅速移动，从而中断通信。

图中我们把之前做好的激光调制电路和激光模组装到了一架8英寸反射望远镜上，望远镜本身提供了一个稳定可调节的负载平台。

5.2   使用三脚架

最早的时候我们试图使用标准三脚架，但是它们往往存在调节时的过冲或反弹。最后我和Ron自制了一个调节机构，以提供远距离瞄准所需的高精度和可重复性。

这个调节机构大部分由高密度聚乙烯制成，它可以在厨房砧板上找到。这种材料具有很小的动态和静态摩擦，用在移动部件上很合适。滑块通过高精度的螺杆和螺纹连接，可以在正交方向上独立做细微的调整。为了减小螺纹咬合时的回差，开始我们用松紧带对滑块预先施加一定的拉力，后来改用了金属弹簧。

6   示例

我们多次用激光笔完成了超过100公里距离的通信，最大的纪录是172英里。

通信路线

作者Clint在实验现场观察接收地点

这个片断使用标准的激光笔传输，对准的时候使用了8寸的反射望远镜辅助。左声道是原音频，右声道是接收到的信号。

0:00-0:29：激光束上调制了1khz的音频信号。试图借助望远镜瞄准激光束。最初几秒可以听到激光束在接收器表面掠过，直到调整后信号达到峰值。

0:29-0:58：罗伯特•迈尔斯的音乐"Children"

0:58-2:20：语音通话，可以感到空气密度导致的信号闪烁相当严重，但是语音的清晰度还不错。这主要是我们的大大脑在识别语音的时候会自动补全缺失部分。

7   给爱好者的建议

建议新手从短距离通信开始并逐渐增大通信距离，这可以磨练技能并且帮助了解自己设备的能力和限制，因为新手通常会高估或者低估了自己手头的器材。

如果刚开始的时候没有成功，不要放弃。失败是成功之母，即使是一次失败的实验，它提供的收益和成功的实验一样多。

最后，既然我们能实现，那么你也可以。