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人类的进化与激光技术和光导纤维通信的兴起

时间:2022-02-11 百科知识 版权反馈
【摘要】:受激发射是微波激射器和激光器得以发明的理论依据。当次声波振荡频率与人体内脏器官的振荡节律相当,而且人处在强度较高的次声波环境中时,五脏六腑就会发生强烈的共振。刹那间,大小血管就会一齐破裂,导致死亡。
人类的进化与激光技术和光导纤维通信的兴起_人类与自然界的进

第二节 人类的进化与激光技术和光导纤维通信的兴起

1960年7月7日,美国科学家西奥多·哈罗德·梅曼(1927~2007年)宣布研制出世界上第一台固体激光器,即红宝石固体激光器,自此以后,一门新兴的边缘学科——量子电子学得到迅速发展。

量子电子学创建于本世纪50年代,它的最初含义是研究、利用物质内部能级间的量子跃迁以实现电磁波的放大和振荡及其应用的一门学科。它是量子物理学与电子学、光学与电子学相互渗透、高度结合的产物。激光发明以后,它便成为量子电子学中内容最丰富、发展最迅速和最受人重视的研究领域,几乎可以把激光同量子电子学等同起来。

量子电子学发端于微波激光器的发明,激光器的发明标志着量子电子学进入一个全新时期。伴随激光和激光器的研究,形成了众多的分支学科,如激光物理学、激光技术、非线性光学、光电子学、集成光学、光全息技术等。激光技术和原子能技术、电子技术一样,成为20世纪重要的新兴技术之一,对科学技术与社会发展产生着重要的影响。

1.激光器的发明与发展

世界上最早的微波激射器发明于1954年,是由美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯(1915年~)和前苏联列别捷夫物理研究所的尼·巴索夫(1922年~)与普罗霍洛夫(1916~2002年)独立发明的。汤斯、巴索夫和普罗霍洛夫因对微波激射器和激光器发展作出卓越贡献而荣获1964年诺贝尔奖金。可是最早提出实现光频能级间粒子数反转分布方法并申请过专利的是加利福尼亚大学辐射实验室(汤斯当时是该室主任)的研究生斯蒂芬·杰·古尔德(1941~2002年),只是由于他没有认识到需要选择适当的振荡模式而没有能够成为激光技术的开拓者。

关于微波激射器与激光器的基础理论,早在30多年前就由爱因斯坦奠定和提出了。

1917年,爱因斯坦在研究原子系统与辐射相互作用的微观过程时,提出了受激发射的概念。受激发射是微波激射器和激光器得以发明的理论依据。

爱因斯坦受激发射理论的主要内容是,假设某微观粒子(原子、分子或离子)有两个分立能级,高能级能量为E2,低能级能量为E1,能级上的粒子数密度分别为N2和N1。考虑到粒子与电磁场相互作用时,爱因斯坦指出,受激发射存在自发发射、受激吸收和受激发射这样三种类型能级跃迁。

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爱因斯坦提出著名的质能公式

爱因斯坦又指出,受激发射和受激吸收过程是同时存在,并且跃迁几率相等。依玻兹曼分布规律,在热平衡条件下,处于低能级上的粒子数N1多于高能级上的粒子数N2。这时受激吸收总是大于受激发射,故通常只能观察到受激吸收而观察不到受激发射现象。当时人们还看不到受激发射理论的实际应用,因此,未能引起人们重视。

第二次世界大战后,日臻成熟的微波电子技术促进了微波波谱学的发展,同时人们对物质微观结构也有了较深入的了解。而一些实验与理论上的问题,如在光谱学的研究中所观察到的许多超精细结构也亟待给以解释,这些都促成了微波量子电子学的诞生。

在此后不到几年的时间里,人们陆续发现了一系列磁共振现象。声波具有极强的穿透力,不仅可以穿透大气、海水、土壤,而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物。次声波会干扰人的神经系统正常功能,危害人体健康,有此科学家认为,晕车、晕船就是车、船在运行时伴生的次声波引起的。

次声波穿透人体时,不仅能使人产生头晕、烦躁、耳鸣、恶心、视物模糊,吞咽困难、胃痛、肝功能失调、四肢麻木,而且还可能破坏大脑神经系统,造成大脑组织的重大损伤,次声波对心脏影响最为严重,最终可导致死亡

例如,半个世纪前,在美国有一个物理学家曾做过“次声波反应试验”,他就是罗伯特·威廉斯·伍德,他专门为英国伦敦一家新剧院做音响效果检查。当剧场演出开始后,罗伯特·伍德悄悄打开了仪器,仪器在悄悄地工作着。不一会儿,剧场内一部分观众便出现了惶惶不安的神情,并逐渐蔓延至整个剧场,当他关闭仪器后,观众的神情才恢复正常。原来,人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似(0.01~20赫),倘若外来的次声频率与人体内脏的振动频率相似或相同,就会引起人体内脏的“共振”,特别是当人的腹腔、胸腔等固有的振动频率与外来次声频率一致时,易引起人体内脏的共振,产生次声波,次声波使人的心脏及其他内脏剧烈抖动、狂跳,以致血管破裂,从而使人产生头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状,最后致使人死亡。

因此,科学家们发现,当次声波的振荡频率与人们的大脑节律相近,且引起共振时,能强烈刺激人的大脑,轻者恐惧、狂癫不安,重者突然晕厥或完全丧失自控能力,乃至死亡。当次声波振荡频率与人体内脏器官的振荡节律相当,而且人处在强度较高的次声波环境中时,五脏六腑就会发生强烈的共振。刹那间,大小血管就会一齐破裂,导致死亡。正因为次声波对人体能造成危害,世界上有许多国家已明确将其列为公害之一,并规定了最大允许次声波的标准,并从声源、接受噪声、传播途径入手,实施了可行的防治方法。

1946年菲利克斯·布洛赫(1905~1983年)在做实验时,观察到微波辐射和工作物质间的共振信号,并初次观察判断粒子数反转(即N2>N1)的实验现象。1951年,美国科学家珀塞尔(1912~1997年)等人在做与此相同的实验时有意识地让磁场作180°的突然反转,使体系处于粒子数反转分布,他们观察到了50千赫的受激发射信号,这是在实验上第一次观察到受激发射现象。

1951年,科学家在美国华盛顿聚会讨论如何发展比微波频率更高的辐射以应用于通信和其他领域的问题,汤斯对此十分感兴趣。他设想用某种方法破坏热平衡分布,使多数分子处于较高能级,然后用微波照射这些分子使其受激而辐射能量。这就可以起到放大电磁波作用,最后再把一部分发射的电磁波反馈到仪器中去激发处于高能级的分子,这样就可能形成振荡。汤斯认为这种反馈作用可以在微波谐振腔中进行。他按照上述想法,和他的两个助手经过3年的试验,终于研制成功了最早的微波激射器——氨分子量子振荡器。前苏联的巴索夫和普罗霍洛夫几乎和汤斯同时也独立地研制出氨分子微波激射器。

微波激射器的研制成功,给人类以很大的启发,促使科学家去思考能否应用同样的原理在光频波段实现受激发射。当时光学技术的发展,也迫切需要高单色性、高亮度和高方向性的光源,例如全息照相技术在20世纪40年代初就已经出现,但因为缺少合适的单色光源而得不到发展和推广。

从微波激射器到光激射器有许多新问题需要解决,其中一个重要问题就是光频谐振腔的设计和制造。根据电磁学原理,为了在谐振腔内保持单一模式振荡,腔的尺寸应与电磁波波长具有相同数量级。光波波长比微波波长小四、五个数量级,制造尺寸与光波波长(即8~10厘米的数量级)相当的谐振腔在技术上几乎是不可能的,因此,必须寻找一种新的解决办法和途径。

1958年,美国物理学家肖洛(1921年~)和查尔斯·哈德·汤斯在一篇著名的文章中讨论了由微波激射器过渡到激光器所存在的问题,并提出了解决问题的建议。他们建议,应用一种法布里—珀洛干涉仪形式的两个平行平面镜做光频谐振腔,使振荡维持一个或少数几个模式。这是从微波激射器到激光器发展过程中关键一步。然而,梅曼冲破这一禁区,巧妙地使用强脉冲氙灯做光激励源,于1960年制成世界上第一台红宝石激光器。

世界上第一台红宝石激光器研制成功以后,各种类型的激光器如雨后春笋相继诞生。1961年,美国贝尔实验室的佳万研制成世界上第一台连续波运转的气体激光器——氦-氖激光器,工作物质为氦、氖两种气体按一定比例的混合物;1962年,科学家又发明了砷化镓(GaAs)半导体PN结载流子注入式激光器,并于1970年实现双异质结注入式半导体激光器室温下连续波运转,1964年二氧化碳(CO2)分子气体激光器的出现,实现了红外波段的光受激发射;1964年,发明了钇铝石榴石晶体激光器,即YAG(Y3Al5O12:Nd3+)激光器,由此顺利地实现了固体激光器室温连续波运转;1966年可调谐连续染料激光器——若丹明6G染料激光器的诞生,为激光光谱学研究提供了有效工具,进一步促进了高分辨激光光谱学的发展。

激光具有高亮度、高单色性和高方向性等特点,同普通光源相比,激光在人类对光波控制方面有了很大的突破。激光从微观上控制了原子群的发光行为,使之集体化、有组织、有规律地发光,激光和无线电波一样都可以实现定向发射、放大、振荡、调制、变频等。激光在本性上更加接近经典电磁波,它经历一个从复杂(激光的产生机制)到简单(激光的宏观本性)的复归。

激光技术从发明到应用的周期比以往任何新技术都短,电话从发明到应用周期大约为50年,飞机为20年,晶体管缩短为3年,而激光仅为几个月。激光由于具有许多独特的性质,所以它在科学技术和国民经济中有广泛应用。用激光作载波传递信息,为通信开辟了广阔天地。激光用于信息存储具有密度高、容量大、速度快的特点。光盘已经投入使用,还有可能制成运算速度极高的激光计算机。激光对半导体、集成电路、电子元件的微细加工处理已对电子工业发挥了重要作用,它在超大规模集成电路研制中也取得显著进展。

此外,激光测距与跟踪、激光制导、激光显示等已广泛应用于军事和国民经济各个领域。激光在物理学、化学、生物学等学科的基础研究和应用研究中也发挥了重要作用。例如,以激光引发核聚变,实现受控热核反应是目前一些国家正在致力研究的一项重大课题,目前已取得一些进展。用激光分离铀同位素已进入中间试验阶段。据初步估算,激光分离同位素比传统扩散法分离同位素的投资可节省近30%。激光应用于工业、农业、军事、医学等方面,也已经取得很好的效果。

在中国,激光已开始用于加工、医学、精密计量和测距等许多方面。1972年9月,中国成功地进行了卫星激光测距试验,以后又在北京、上海、昆明建立卫星激光测距站。中国从20世纪70年代开始进行激光核聚变和激光分离同位素的试验研究工作,并已取得可喜成果。

2.光通信与光导纤维的沿革

近代光通信的历史比无线电通信还早,亚历山大·斯捷潘诺维奇·波波夫(1859~1906年)发送与接收第一封无线电报是在1896年,而早在1880年,英国电话的发明者贝尔(1847~1922年)已经研究并成功地发送与接收了光电话。

1881年,贝尔宣读了一篇题为《利用光线进行声音的产生与复制》的论文,报道了他的光电话装置。第一次世界大战期间制成的光电话,在一般晴朗天气情况下有效通信距离可达5英里。1930年至1932年间,日本在东京的日本电气公司与每日新闻社之间实现了3.6公里的光通信,但在大雾大雨天气里效果很差。第二次世界大战期间,光电话发展成为红外线电话,因为红外线肉眼看不见,更有利于保密。

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电话发明者贝尔

光通信虽然历史悠久,但是它在近代科技发展中远没有无线电通信发展那样迅速而广泛,这主要是因为早期光通信系统没有找到像无线电波那样的相关光频电磁波,因而通信质量不高。激光出现以后,光通信的面貌发生了根本性的变化。激光像普通无线电波一样,可以进行调制和解调,可以把各种信号载到光波上发射出去而实现光通信。

20世纪60年代,有的实验室用氦-氖气体激光器做了传输电视信号和20路电话的实验,有的公司利用砷化镓半导体激光器做发射机,硅光电二极管做接收元件,制成了语言信道试验性通信系统,最大传输距离为600米。这时期传输距离较长的是利用工作于红外区域的砷化镓激光器发射电视信号,把光电管置于军用探照灯焦点上用以接收信号,结果在夜晚及白昼都成功地在30海里的距离外收到了电视信号。到了20世纪80~90年代,激光通信已经从实验室阶段进入应用发展阶段。

激光通信的主要障碍是气候因素的影响和大气层内信号的衰减。光导纤维的出现,使人们成功地解决了传输问题,使激光通信走上了稳步发展阶段。其实,利用细长纤维导管传输光线和图像的概念早在一个世纪以前就已提起过。1854年,英国物理学家约翰·丁铎尔(1820~1893年)在英国皇家学会的一次演讲中指出,光线能够沿盛水的弯曲管道进行反射而传输,以后他用实验观察证实了这个想法。但由于条件限制,当时没能深入研究。

1927年,英国科学家约翰·洛吉·贝尔德(1888~1946年)首次提出利用光全反射现象制成石英纤维可解析图像,并且获得了两项专利。

1951年,荷兰和英国的科学家开始进行柔软纤维镜的研制,1953年,荷兰的科学家把一种折射率为1.47的塑料涂在玻璃纤维上,形成比玻璃纤维芯折射率低的套层,得到了光学绝缘的单根纤维。但由于塑料套层不均匀,光能量损失太大。1960年国际市场上出现了应用光学纤维面板的产品。

早期的光导纤维质量较差,光经过100米光纤传输后,信号强度衰减到只有原来的百亿分之一,难以应用。经过科学家和工程师的多年努力,现在已有质量很纯、光学性能均匀的光导纤维,光在其中的衰减也在逐渐减少。现在应用的光导纤维是根据全反射原理制成的,它一般有两层,内层的折射率比外层高,内层是芯线,直径一般为几十微米,信号在其中传播,外层是包皮,它既保护芯线,又与芯线配合使光束产生全反射。

利用光导纤维进行激光通信的设想是美籍华人高锟(1933年~)博士于1966年首先明确提出来的,随着第一个光纤系统于1981年成功问世,高锟“光纤之父”美誉传遍世界。

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1996年高锟在“高锟星”命名典礼上

1968年日本有两家公司联合宣布研制成了一种新型无套层光纤,它能聚集和成像,称作聚焦纤维。同期,美国宣布制成液体纤维,它是利用石英毛细管充以高透明液体(如四氯化硅)构成的。这两种光纤的光耗损很难降低,故实用价值不大。这一时期,美国在提高材料质量上下工夫,美国康宁公司于1970年用高纯石英首次研制成功耗损率为20分贝/公里的套层光纤,使通信光纤研究跃进了一大步。一根光纤可以传输150万路电话和2万套电视。

实际光通信系统使用的不是单根光导纤维,而是由许多光纤聚集在一起组成的光缆。一根直径为1厘米的光缆,里面有近百根光导纤维。光缆和电缆一样可以架在空中,埋入地下,也可以铺设在海底,它的出现使激光通信进入实际应用阶段。日本电报电话公司已制成多芯光缆,它的外径是28毫米,由每根直径只有20~30微米的1512根光导纤维组成,可与同轴电缆进行商业竞争。世界上第一根海底光缆已经建成。英国邮政总局在苏格兰海湾西部敷设一根直径为2吋(约50毫米)长9.5公里的海底光缆。大规模使用光纤进行通信的实验是在日本进行的。1976年,日本在大阪附近的奈良县开始筹建世界上第一个完全用光缆实现光通信的实验区,到1978年7月已拥有300个用户,整个实验区设一个信息接收和分配中心、三个分中心。

目前,美国、日本、等国都已将光纤通信列入长远规划。美国计划到2020年时,40%的电话局局际干线和20%的电话用户回路将改用光纤。可以预期光导纤维的应用将使通信技术发生革命性变化。

如果把光通信应用于地球之外的宇宙空间就是宇宙激光通信。宇宙空间没有大气或尘埃,激光在那里传输时比在大气中的衰减小得多,因此激光用于宇宙通信既优越又经济,已受到各国的普遍重视。

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