Puolijohdelaserin AM-modulointi
Laserin suora modulointi onnistuu helpoiten puolijohdelaserin tapauksessa. HeNe-laserin modulointi taas onnistuu parhaiten optisella tiellä sopivalla optosähköisellä komponentilla. Näitä useimmiten litiumniobaatilla toteutettuja modulaattoreita on vain kovasti vaikeasti tavallisen harrastajan saatavilla. Tällainen optinen modulaattori olisi kuitenkin mahdollista rakentaa vesipatsaan ja pietsosähköisen elementin avulla.
Puolijohdelaserin yleisin sovellus tänä päivänä on varmasti laserosoitin, joka on tarkoitettu käytettäväksi piirtoheitinesitysten elävöittämiseksi. Niinpä näiden komponenttien hinnatkin ovat pudonneet mukavasti ja saatavilla on niin irrallisia lasermoduleita kuin näitä osoittimiakin.
Laserin AM-modulointi on varsin helppoa, kunhan pitää parista asiasta huolen: ei ylimoduloida eika alimoduloida diodia !
Kokeiluihin voidaan valita joko näkyvän aallonpituuden laser
tai infrapuna-alueelle osuva laser. Näkyvän aallonpituuden lasereita
on nykyisin useita erivärisiä, mutta punainen ( n. 650 nm ) on
yleisin. Näkyvistä aallonpituuksista vähän lyhyempiaaltoinen
laser voi näyttää huomattavasti kirkkaammalta ja tämä
tietenkin helpottaa säteen näkymistä rigejä suunnattaessa
erityisen pitkillä kusoilla. Vihreä laser näkyisi parhaiten.
Tässä on K3PGP:n laatima silmän herkkyyskäyrä:
Regulaattorina toimii LM317. Tämä on se sama piiri, jolla
voi tehdä videomodulaattorin ATV:lle, PWM-modulaattorin D/E-luokan
RF-vahvistimiin, kitaravahvistimen jne... Kyseisessä kytkennässä
haetaan ensin alin jännite, jolla diodi alkaa laseroimaan ja päätetään
empiirisesti millä jännitteellä uskallamme 1 kmk:n arvoista
lasermodulia moduloida, ja asetetaan
toimintajännite tähän puoleen väliin. Tämän
DC-käyttöjännitteen päälle superponoidaan moduloiva
AC-komponentti, joka voi olla vaikkapa audiota, esim. 800 Hz tai ylläolevan
kytkennän tapauksessa välitaajuus, joka voi olla mitä vain
liki DC:stä 100 kHz:iin. Tämän karkean esiasetteluprosessin
jälkeen voidaan lähteä iteroimaan parempi moduloitavuus
ajamalla diodille kaksiääninen testisignaali, esimerkiksi 20
+ 30 kHz, sekä tarkastella oskilloskoopilla tai spektrianalysaattorilla
syntyneen DSB-signaalin lineaarisuutta. Lineaarista toiminta-aluetta saa
aika helposti sellaiset 30 dB, joka on aivan mainio SSB:n käyttöön
tai monikantoaaltotoimintaan.
Oikeaoppisempi tapa moduloida ( ja siis tylsä ) on ajaa laserdiodia
virtamuotoisesti sekä esimerkiksi rinnakkaisshuntilla moduloida diodin
läpi kulkevaa virtaa. Tällainen kytkentä voisi olla sellainen,
jossa jänniteregulaattori kytketään virtaregulaattoriksi
sarjavastuksen avulla ja teho-FET:illä rakennetaan laserin rinnalle
shuntti, joka on moduloitavissa hilan kautta. Aikaansaatava lineaarisuus
on samaa luokkaa.
DC-100 kHz viritettävä sivunauha saadaan kätevästi aikaiseksi esimerkiksi sekoittamalla 144 MHz:n signaali alas VLF:lle. Esimerkiksi käyttämällä 146 MHz:n paikallisoskillaattoria ( 2 * 73 MHz ) ja sekoittamalla 145.900 - 146.000 MHz signaali saadaan sopivan signaali kokeiluja varten. Jos laser-diodille rakennetaan säätösysteemi kokonaan uusiksi, voitaisiin 144 MHz:n signaali syöttää suoraan diodille, samaten vastaanotossa ilmaisutulos olisi suoraan 144 MHz. Nykyaikaisia laserdiodeja voidaan moduloida jopa usealla kymmenellä gigahertsillä ja muutaman gigahertsin modulointitaajuuden ovat jo tuiki tavallisia. Ilmaisussa ja vastaanotossa käytettävän Avalanche-diodin ominaisuuksien tulee luonnollisestikin olla tähän soveltuvia.
Modulaatiosyvyyttä ajatellen tehokkain modulaatio saavutetaan käyttämällä
esimerkiksi 800 Hz:n kanttiaaltoa diodin 100 %:n
modulaatiosyvyyden aikaansaamiseksi. HeNe-laserilla tämä
voidaan saada aikaiseksi mekaanisella katkojalla, esimerkiksi puhaltimen
siivillä. Keskimääräinen teho tietenkin putoaa tässä
useita desibelejä.
Eräs hieman eksoottinen tapa moduloida voisi olla veden heikkoja
magneettisia ominaisuuksia käyttävä systeemi, jossa lasersäde
johdatetaan vesimassan läpi, joka vesimassa
on voimakkaassa vaihtelevassa magneettikentässä. Olisi mielenkiintoista
kokeilla BPSK-modulaation aikaansaamista suoraan moduloimalla vesisäiliön
sähkömagneettista käämiä...
Lasersignaalin modulaation AM-ilmaisu
Lasersignaalin vastaanotto ja sen modulaation AM-ilmaisu tapahtuu mukavasti
nykyaikaisilla puolijohteilla. Ilmaisuun voidaan käyttää
jopa punaista LED:iä paremman puutteessa. Huomattavasti parempi ilmaisija
löytyy kuitenkin mm. videonauhurin raadosta IR-tunnistimista, joilla
ilmaistaan nauhan kulkua ja mekaniikan statusta. Tarkoitukseen erityisesti
suunniteltuja ilmaisijoita saa mm. Burr-Brown:ilta. OPT-sarjan ilmaisimet
sisältävät integroidun ilmaisindiodin ja videovahvistimen.
Kaistaleveys voidaan tyypillisesti suunnitteluvaiheessa valita yhden vastuksen
arvoa muuttamalla.
Ilmaisimia on tietenkin useita erityyppisiä, erilaisissa koteloissa
ja erilaisille aallonpituuksille optimoituina. Niitä saa jopa integroiduilla
suodattimilla varustettuina. Yleisimmän puolijohdelaserin aallonpituus,
650 nm sopii hyvin yksiin Burr-Brownin OPT210:n kanssa:
Vastaanotin täytyy rakentaa huolella suuren vahvistuksen takia, mutta myös 50 ja 100 Hz:n häiriöiden, sekä RF:n pitämiseksi pois vastaanottimesta. Myös ylimääräinen taustavalo on pidettävä kurissa. Käytettäessä ilmaisimena irrallisia diodeita, täytyy ne biasoida. Tämä tapahtuu usein etuvastuksella, mutta myös optista biasointia käytetään harrastelijaympyröissä. Jostain syystä optinen biasointi tuntuu toimivat jopa huomattavan paljon paremmin kuin sähköinen biasointi. Ehkäpä joku alan asiantuntija osaa selittää, mistä tämä ilmiö johtuu ?
Paras linkkibudjetti, jota voisi ajatella saavutettavan saadaan aikaiseksi
vaikkapa 800 Hz:n 100 % AM-modulaation kautta. Mikäli tämä
modulaatio toteutetaan sähköisesti puolijohdelaserilla, voidaan
ilmaisu toteuttaa koherentisti sopivan ohjelmiston avulla. Vastaanottimena
voisi olla vaikkapa em. OPT210 ja ilmaistu pientaajuinen spektri viedään
PC:n äänikortille prosessoitavaksi. Tässä on K3PGP:n
tämäntyyppinen mittaustulos 800 Hz:n signaalille, joka on 46
dB kohinan alapuolella ( ! ):
Puolijohdeilmaisimia voidaan jäähdyttämällä
herkistää samaan tapaan kuin mikroaaltovahvistimiakin ja niinpä
jotkut harrastajat ovat rakentaneet Peltier-elementein jäähdytettyjä
ilmaisimia. Toinen tapa saavuttaa erinomainen optinen herkkyys olisi käyttää
valovahvistinputkia. Näitä on kovin vaikea löytää
ja ne ovat varsin hinnakkaita komponentteja. Nämä PMT-putket
ovat kuitenkin herkimpiä tunnettuja valonilmaisijoita ja niitä
käytetään huippuherkissä tieteellisissä kojeissa
mm, yksittäisten fotonien laskentaan. Hieman tavallisempia valomonistinputkia
on kuitenkin käytössä ja toisinaan niihin törmää
mm. puolustusvoimien poistomyymälöissä. Muita hyviä
lähteitä voisivat olla sairaalakojeet, kiihdytinlaitteet, vanhat
filminauhoittimet jne. Allaolevassa kuvassa on juuri filminauhoittimen
PMT. Sen optinen herkkyys on parhaimmillaan sinisen värin kohdalla
ja vaatisi parikseen vihreän laserin. Sinistä laseria saa vielä
odotella.
Litiumniobaatti, kiinteä väliaine, jota käytetää
mm. optosähköisissä modulaattoreissa
HeNe-laser, helium-neon-kaasu-laser
Avalanche-diodi, vyörydiodi
PMT, photomultiplier tube, monidynodinen valomonistinputki
