激光与光纤诞生记

发布时间：2023-06-30 13:34:52 所属栏目：动态来源：

导读：高能激光和无源光纤的共同历史形象的说明了真正能够革命性突破的技术的发展都是基于相似的。

在1950年，光学是物理学中的一个落后领域。第二次世界大战推动了光学和红外技术的重大进展，但光学似乎是一个由镜片和

高能激光和无源光纤的共同历史形象的说明了真正能够革命性突破的技术的发展都是基于相似的。

在1950年，光学是物理学中的一个落后领域。第二次世界大战推动了光学和红外技术的重大进展，但光学似乎是一个由镜片和光学仪器组成的没有吸引力的世界。当Jay Last于1951年从美国罗切斯特大学光学研究所毕业时，他的教授Parker Givens说这是在固态物理学中发生的。

Last说：“光学是必要的，但它并不震撼；而固态电子学每天都在创造新的东西。”博士毕业后，他于1956年搬到加州，共同创立了仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor），这使他处于硅谷的集成电子行业的中心。在那里，它将成为半导体前沿领域的一员，这也是构成现代信息技术基础的为数不多的重大突破之一，而现代信息技术又为电力工业时代的机器和产品提供了新的功能和增强的性能。

伟大的突破本身是一系列进步的产物。首先是机器的编程，始于1804年发明的提花织机，并通过齿轮式计算器和真空管发展起来；其次是半导体电子学，从晶体管开始，发展到集成电子学，其发展速度突飞猛进。使这两种技术取得巨大突破的原因是它们有能力使自身进展成倍增长，从而开辟出巨大的新的可能性。提花织机将线反复织成精致的图案；今天的软件控制火箭发射或气候模拟的复杂操作。半导体电子技术开始出现时绝大部分是基于真空管的微型集成电路的版本，但集成电路现在已经成倍地增长为各种各样的强大的计算机器。

建立这样一个网络是光的工作，由另外两项伟大的突破来实现：激光和光纤。激光提供对光的巨大控制，使其成为单色的，并在空间和时间单位上紧密地聚焦到飞秒。光纤将原本会消散的光线导入波导，并通过几乎完全透明的玻璃制成的细如发丝的纤维将其传送到世界各地。

值得注意的是，计算机的功率和光通信的传输能力已经快速增长。自20世纪80年代以来，芯片上晶体管数量的增长遵循摩尔定律，与光纤传输能力的增长同步进行。信息化进程并非只是由单一突破性的进展推动,而是一种由四个重大突破性的进展所相互互补而演变而来,即软件、半导体电子学、激光技术和光纤技术。

光学突破的第一次震荡出现在20世纪50年代中期。第一根玻璃包覆的光纤在1956年12月首次亮相，1957年2月，一位医生在病人的喉咙里测试了一个光纤胃镜。同年晚些时候，开始了制造激光器的努力，并在1960年以第一次激光演示。光线可以在拐角处引导光。激光创造了一种新的光的形式：相干、并集中在一个狭窄的光束中。旧的光是白色的，向各个方向扩散；新的光在波长和方向上受到严格的控制。

1841年，瑞士物理学家Jean-Diel Colladon首次演示了全内反射光导，将光线对准水流；1884年，《自然》杂志上刊登了他的“光喷泉”插图。

当然，光纤和激光的历史故事已经被讲述了很多次。但它们值得再次一起研究。回顾过去，我们当然可以指出里程碑式的成就：1956年第一根玻璃包层光纤、1960年第一台激光器、1970年第一根低损耗光纤。然而，将非线性光学转变为有着重要用途科技的是一系列重要的进展，这些技术进展是由许多站在科学巨人肩膀上的人在过去几十年里取得的。

全内反射在17世纪早期就已经被人们所知，但波动理论直到19世纪早期才能够解释它。第一个实用的光导是弯曲的玻璃棒，在20世纪初使用，用热灯发出的光照亮牙科患者的口腔，这可能导致了将玻璃纤维捆绑在一起传输图像的想法。1930年，德国医学生Heinrich Lamm通过一束松散的玻璃纤维传输了白炽灯泡灯丝的明亮图像。他的目标是制造一种柔性内窥镜来观察胃部，但他无法进一步前进。

第二次世界大战后，其他人试图通过松散、裸露的纤维束传输图像，但受到高损耗的阻碍。第一个提出解决方案的是1951年的Brian O'Brien，当时他既是OSA（现在的Optica）总裁，也是罗切斯特大学光学研究所所长。凭借电气工程和物理学的学位，O'Brien认识到光纤是用于传输无线电信号的塑料介电棒的光学对应物，因为两者都是沿其长度传导电磁波的非导电波导。他意识到，用一系列较低电介质折射率的材料一层一层地包覆发射光纤可以减少光泄漏到污水处理厂的空气中。

20世纪20年代末的实验证明了受激辐射的存在。后来，为了寻找更高频率的微波光谱资源，Charles Townes发现了如何放大受激发射。微波光谱学是他在美国哥伦比亚大学的主要兴趣，1951年，他灵机一动，认为分子过渡可能提供所需的高频。1954年，他的学生James Gordon通过将激发的分子与基态的分子分离，并将激发的分子引导到一个在24 GHz微波转换处产生共振的空腔中，从而制造出了第一个脉泽源（maser source）。

1957年，Townes转向制作光学版的脉冲器，这带来了不同的挑战：使用什么发光材料、如何将原子或分子激发到高能级，以及如何设计一个谐振腔。其他人紧随其后，但这个问题是一个棘手的问题。Theodore Maiman和O’Brien一样，拥有工程和物理学学位，通过用商业摄影闪光灯发出的白光激发他熟悉的红宝石，获得了成功。

随着新激光器的增多，工程师和科学家们寻求使用它们的方法。早期的测试表明，激光可以在钻石上钻孔，测量距离并产生非线性效应。在其他潜在的应用中，最重要的是激光束通信。

（编辑：汽车网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!