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纪念光纤通信50年:人类社会的伟大技术革新

2016-08-26 10:28
雷本祖
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  1841年,Daniel Colladon和Jacques Babinet两位科学家分别演示了光的全反射原理,他们做了一个简单的实验:

  在装满水的木桶上钻个孔,然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到,放光的水从水桶的小孔里流了出来,水流弯曲,光线也跟着弯曲。

  光居然被弯弯曲曲的水俘获了。

  人们发现,光能沿着从水桶中喷出的细流中传输;人们还发现,光能顺着弯曲的水流前进。这是为什么呢?难道光线不再直进了吗?

  这一现象叫光的全内反射作用,即光从水中射向空气,当入射角大于某一角度时,折射光线消失,全部光线都反射回水中。表面上看,光好像在水流中弯曲前进。实际上,在弯曲的水流里,光仍沿直线传播,只不过在内表面上发生了多次全反射,光线经过多次全反射向前传播。

  1880年,贝尔(Alexander Graham Bell)发明了“光话机”。贝尔将太阳聚成一道极为狭窄的光束,照射在很薄的镜子上,当人们发出声音的“声波”让这面薄镜产生振动时,“反射光”强度的变化使得感应的侦测器产生变动,改变“电阻”值。而接收端则利用变化的“电阻”值产生电流,还原成原来的“声波”。当贝尔测试“光话机”成功时,他写下了:

  我听到光线的笑声、咳嗽声和歌唱声。

  他的这项发明仅能传播约200米,因为由空气传递的光束,光线强度仍会随距离迅速减弱。

  当时贝尔虽曾预测这项发明:

  在科学世界里,这将远比电话、留声机和麦克风更有趣。

  由于光线在空气中的衰减速度很快,因此,人们想到了利用物质传导光,正如Daniel Colladon和Jacques Babinet的演示那样,让“光波”在由桶底流出的水柱中传播。

  但是,在1841年那个水桶演示之后的近60年里,光的全内反射原理仅仅用于短距离传播领域,比如,应用于医学,牙科医生用弯曲的玻璃棒来把灯光导入病人的口腔为手术照明。

  尽管玻璃纤维从文艺复兴时期就开始被广泛应用,玻璃工人可以生产出精美的花瓶和工艺品。但是,要解决光导长距离传输必须将玻璃棒拉成十分坚固和柔韧的玻璃纤维。

  1887年,一位英国科学家,Charles Vernon Boys,在一根加热过的玻璃棒附近放了一张弓,当玻璃棒足够热时,把箭射出去,箭带动热玻璃在实验室里拉出了一道长长的纤细的玻璃纤维。

  玻璃光导越来越细,成为了光纤

  这无疑让光纤通信又前进了一大步,不过,和1841年那次水桶演示后发生的情况一样,实验终归是实验,迈向下一步我们又足足等了50年。

  直到1938年,美国Owens Illinois Glass公司与日本日东纺绩公司才开始生产玻璃长纤维。

  但是,这个时候生产的光纤是裸纤,没有包层。

  我们知道,光纤的传播是利用全内反射原理,全内反射角由介质的折射系数决定,裸纤会引起光泄漏,光甚至会从粘附在光纤上的油污泄漏出去。

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