Amplitudenmodulation von Licht mit Polarisationsfiltern

Eine echte Amplitudenmodulation einer Lichtquelle kann mit zwei Polarisationsfiltern, wie man sie in LCD Bildschirmen findet, durchgeführt werden. Diese Folien enthalten parallel verlaufende langgestreckte Moleküle. Lichtwellen können nur dann zwischen den Molekülen durchdringen, wenn sie in Richtung der zwischen den Molekülen gebildeten Schlitzen schwingen.

Licht das Quer zu den Schlitzen schwingt kann sie nicht durchdringen, sondern wird reflektiert.

Zirkular oder eliptisch polarisiertes Licht wird ebenfalls in Richtung der Schlitze linear polarisiert.

Licht, das in einem bestimmten Winkel zu den Schlitzen zwischen den Molekülen schwingt, wird in Richtung der Schlitze polarisiert. Es wird immer nur der Anteil der einzelnen Lichtwelle durchgelassen, der in Richtung der Schlitze schwingt. Der Anteil der einzelnen Lichtwelle der, quer zu den Schlitzen schwingt, wird reflektiert. Eine Welle die in einem Winkel von 45 Grad zu den Schlitzen schwingt, wird also zur Hälfte durchgelassen und zur Hälfte reflektiert.

Hinter der Polarisationsfolie ist das Licht dann in einer einzigen Richtung, in unserem Fall senkrecht, polarisiert.

Hier sind vor der Linse eines Diaprojektors zwei Polarisationsfolien hintereinander gebracht. Die rechte Polarisationsfolie, und damit die Richtung der Polarisation, lässt sich um 360 Grad drehen.

Film: Polarisationsfolien

Wenn beide Folien so ausgerichtet sind, daß sie das Licht in der gleichen Richtung polarisieren, geht das Licht ungestört durch die zweite Folie.

Wenn die beiden Folien gegeneinander um 90 Grad gedreht sind, wird das gesamte Licht an der 2. Folie reflektiert.

Während der Drehung ändert sich die Lichtstärke kontinuierlich zwischen hell und dunkel.

Film: Amplitudenmodulation 1

Film: Amplitudenmodulation 2

Bei der kontinuierlichen Drehung einer der beiden Folien werden dadurch die einzelnen Wellen des Lichtstrahles in ihrer Stärke moduliert. Deshalb handelt es sich hierbei um eine echte Amplitudenmodulation, wie man sie aus der Funktechnik kennt. Auf diese Weise können starke Lichtquellen in der Amplitude moduliert werden.

Eine einfache Helligkeitssteuerung, wie zum Beispiel bei einem Dimmer, verringert oder erhöht die Zahl der abgestrahlten Wellen, nicht aber die Stärke der einzelnen Welle. Dabei handelt es sich nicht um eine echte Amplitudenmodulation.

Wie wichtig dieser Unterschied ist, sehen wir nun. Eine amplitudenmodulierte Welle besteht aus dem Träger sowie dem unteren Seitenband LSB und dem oberen Seitenband USB.

Nehmen wir an, daß der Träger mit einer Frequenz von 1000 Hertz moduliert wird. Dann haben sowohl das untere als auch das obere Seitenband einen Frequenzabstand von 1000 Hertz vom Träger. Oberes und unteres Seitenband haben einen Frequenzabstand von 2000 Hertz voneinander. Bei Amplitudenmodulation mit 500 Hertz beträgt der Abstand der Seitenbänder zum Träger 500 Hertz.

Man kann eine amplitudenmodulierte Welle als eine Mischung aus unterschiedlichen Frequenzen ansehen, bei denen neben hochfrequenten Anteilen auch niederfrequente Schwebungen zwischen LSB, USB und Träger auftreten.

Als Folge entspricht das Bild einer amplitudenmodulierten Welle exakt dem Bild einer Schwebung. Es handelt sich um eine Schwebung zwischen dem Träger und den beiden Seitenbändern. Beide Seitenbänder haben den gleichen Frequenzabstand, zum Beispiel 1000 Hertz zum Träger. Als Folge hat sowohl die Schwebung des Trägers mit dem oberen Seitenband als auch die Schwebung mit dem unteren Seitenband eine Frequenz von 1000 Hertz. Deshalb laufen beide Schwebungen synchron und ergeben das Bild einer Schwebung zwischen nur 2 Wellen.

Diese Grundlagen gelten für das gesamte elektromagnetische Spektrum.

Bei amplitudenmodulierten Radiofrequenzsignalen tritt immer auch eine niederfrequente Schwebung im hörbaren Bereich auf. Diese haben eine Wirkung auf die Nervenzellen, wenn sie genügend stark sind und in dem Frequenzbereich liegen, in dem die Nervenzellen arbeiten.

Die Wirkung tritt nur im Fernfeld, also mindestens 2-3 Wellenlängen von der Antenne entfernt gleichmäßig auf, weil sich im Nahfeld noch keine geordneten Wellen ausbilden. Bei Kurzwellensendern mit Wellenlängen zwischen 10 und 100 Metern ist die Energie im Fernfeld wegen der Entfernung zur Antenne auch bei starken Sendern so gering, daß sie keine Wirkung haben.

Anders sieht es im Mikrowellenbereich mit Wellenlängen von einem Meter bis zu einem Millimeter aus. Hier beginnt das Fernfeld bereits in der Nähe der Antenne und hat eine hohe Energiedichte. Deshalb wird bei großen Sendeleistungen mit hohen Frequenzen meistens Frequenzmodulation anstatt Amplitudenmodulation verwendet.

Bei der Amplitudenmodulation von Licht und Infrarotstrahlung sind folgende Punkte von Interesse.

Das Licht eines Lasers ist bereits polarisiert, so daß nur eine Polarisationsfolie im Laserstrahl gedreht werden braucht. Allerdings muß der Strahl bei hoher Leistung des Lasers aufgeweitet werden um die Folie nicht zu beschädigen. Laserstrahlen höherer Leistung können auch durch Drehung von Kalkspatkristallen ( Nicolsches Prisma ) ohne Aufweitung amplitudenmoduliert werden.

Auch ein LCD Bildschirm kann zur Amplitudenmodulation von Licht verwendet werden. Man entfernt alle Bauteile ( Beleuchtung, Mattscheiben, Spiegel und so weiter ) außer der beiden Polarisationsfolien und der Flüssigkristallzelle und montiert diese vor der Lichtquelle.

Die Amplitude des Lichtes kann nun durch Ansteuern des Bildschirms elektrisch moduliert werden. Allerdings sind LCD Bildschirme nur für geringe Frequenzen ausgelegt.

Jede beliebige Lichtquelle lässt sich so in der Amplitude modulieren. Sie muß dafür weder kohärent noch einfarbig sein. Die Modulationsfrequenz ist dabei als niederfrequente Schwebung dem gesamten Licht überlagert.

Natürliches Licht besteht aus sehr vielen einzelnen Wellenzügen unterschiedlicher Frequenz. Jeder einzelne Wellenzug wird mit diesem Verfahren mit der gleichen Frequenz in der Amplitude moduliert so daß die entstehende Schwebung zwischen Träger und Seitenbändern bei jedem einzelnen Wellenzug die gleiche Frequenz hat.

Das amplitudenmodulierte Licht wird, wenn es auf ein nichtlineares Medium trifft, in ein niederfrequente Signal mit der Modulationsfrequenz umgewandelt beziehungsweise gleichgerichtet.

Akustische Schwebungen sind den meisten Menschen bekannt. Hierbei ist die Luft das nichtlineare Medium das aus der Schwebung die niederfrequente Schwingung erzeugt.

Auch der menschliche Körper besitzt nichtlineare Eigenschaften. Allerdings gibt es in der Literatur über nichtlineare Optik immer nur einige Hinweise auf den Mechanismus der optischen Gleichrichtung und der Differenzfrequenzbildung.

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