第二節(jié)　人類的進化與激光技術(shù)和光導(dǎo)纖維通信的興起

1960年7月7日，美國科學(xué)家西奧多·哈羅德·梅曼（1927～2007年）宣布研制出世界上第一臺固體激光器，即紅寶石固體激光器，自此以后，一門新興的邊緣學(xué)科——量子電子學(xué)得到迅速發(fā)展。

量子電子學(xué)創(chuàng)建于本世紀(jì)50年代，它的最初含義是研究、利用物質(zhì)內(nèi)部能級間的量子躍遷以實現(xiàn)電磁波的放大和振蕩及其應(yīng)用的一門學(xué)科。它是量子物理學(xué)與電子學(xué)、光學(xué)與電子學(xué)相互滲透、高度結(jié)合的產(chǎn)物。激光發(fā)明以后，它便成為量子電子學(xué)中內(nèi)容最豐富、發(fā)展最迅速和最受人重視的研究領(lǐng)域，幾乎可以把激光同量子電子學(xué)等同起來。

量子電子學(xué)發(fā)端于微波激光器的發(fā)明，激光器的發(fā)明標(biāo)志著量子電子學(xué)進入一個全新時期。伴隨激光和激光器的研究，形成了眾多的分支學(xué)科，如激光物理學(xué)、激光技術(shù)、非線性光學(xué)、光電子學(xué)、集成光學(xué)、光全息技術(shù)等。激光技術(shù)和原子能技術(shù)、電子技術(shù)一樣，成為20世紀(jì)重要的新興技術(shù)之一，對科學(xué)技術(shù)與社會發(fā)展產(chǎn)生著重要的影響。

1.激光器的發(fā)明與發(fā)展

世界上最早的微波激射器發(fā)明于1954年，是由美國物理學(xué)家查爾斯·哈德·湯斯（1915年～）和前蘇聯(lián)列別捷夫物理研究所的尼·巴索夫（1922年～）與普羅霍洛夫（1916～2002年）獨立發(fā)明的。湯斯、巴索夫和普羅霍洛夫因?qū)ξ⒉ど淦骱图す馄靼l(fā)展作出卓越貢獻(xiàn)而榮獲1964年諾貝爾獎金?？墒亲钤缣岢鰧崿F(xiàn)光頻能級間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布方法并申請過專利的是加利福尼亞大學(xué)輻射實驗室（湯斯當(dāng)時是該室主任）的研究生斯蒂芬·杰·古爾德（1941～2002年），只是由于他沒有認(rèn)識到需要選擇適當(dāng)?shù)恼袷幠Ｊ蕉鴽]有能夠成為激光技術(shù)的開拓者。

關(guān)于微波激射器與激光器的基礎(chǔ)理論，早在30多年前就由愛因斯坦奠定和提出了。

1917年，愛因斯坦在研究原子系統(tǒng)與輻射相互作用的微觀過程時，提出了受激發(fā)射的概念。受激發(fā)射是微波激射器和激光器得以發(fā)明的理論依據(jù)。

愛因斯坦受激發(fā)射理論的主要內(nèi)容是，假設(shè)某微觀粒子（原子、分子或離子）有兩個分立能級，高能級能量為E₂，低能級能量為E₁，能級上的粒子數(shù)密度分別為N₂和N₁?？紤]到粒子與電磁場相互作用時，愛因斯坦指出，受激發(fā)射存在自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射這樣三種類型能級躍遷。

愛因斯坦提出著名的質(zhì)能公式

愛因斯坦又指出，受激發(fā)射和受激吸收過程是同時存在，并且躍遷幾率相等。依玻茲曼分布規(guī)律，在熱平衡條件下，處于低能級上的粒子數(shù)N₁多于高能級上的粒子數(shù)N₂。這時受激吸收總是大于受激發(fā)射，故通常只能觀察到受激吸收而觀察不到受激發(fā)射現(xiàn)象。當(dāng)時人們還看不到受激發(fā)射理論的實際應(yīng)用，因此，未能引起人們重視。

第二次世界大戰(zhàn)后，日臻成熟的微波電子技術(shù)促進了微波波譜學(xué)的發(fā)展，同時人們對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)也有了較深入的了解。而一些實驗與理論上的問題，如在光譜學(xué)的研究中所觀察到的許多超精細(xì)結(jié)構(gòu)也亟待給以解釋，這些都促成了微波量子電子學(xué)的誕生。

在此后不到幾年的時間里，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一系列磁共振現(xiàn)象。次聲波具有極強的穿透力，不僅可以穿透大氣、海水、土壤，而且還能穿透堅固的鋼筋水泥構(gòu)成的建筑物。次聲波會干擾人的神經(jīng)系統(tǒng)正常功能，危害人體健康，有此科學(xué)家認(rèn)為，暈車、暈船就是車、船在運行時伴生的次聲波引起的。

次聲波穿透人體時，不僅能使人產(chǎn)生頭暈、煩躁、耳鳴、惡心、視物模糊，吞咽困難、胃痛、肝功能失調(diào)、四肢麻木，而且還可能破壞大腦神經(jīng)系統(tǒng)，造成大腦組織的重大損傷，次聲波對心臟影響最為嚴(yán)重，最終可導(dǎo)致死亡。

例如，半個世紀(jì)前，在美國有一個物理學(xué)家曾做過“次聲波反應(yīng)試驗”，他就是羅伯特·威廉斯·伍德，他專門為英國倫敦一家新劇院做音響效果檢查。當(dāng)劇場演出開始后，羅伯特·伍德悄悄打開了儀器，儀器在悄悄地工作著。不一會兒，劇場內(nèi)一部分觀眾便出現(xiàn)了惶惶不安的神情，并逐漸蔓延至整個劇場，當(dāng)他關(guān)閉儀器后，觀眾的神情才恢復(fù)正常。原來，人體內(nèi)臟固有的振動頻率和次聲頻率相近似（0.01～20赫），倘若外來的次聲頻率與人體內(nèi)臟的振動頻率相似或相同，就會引起人體內(nèi)臟的“共振”，特別是當(dāng)人的腹腔、胸腔等固有的振動頻率與外來次聲頻率一致時，易引起人體內(nèi)臟的共振，產(chǎn)生次聲波，次聲波使人的心臟及其他內(nèi)臟劇烈抖動、狂跳，以致血管破裂，從而使人產(chǎn)生頭暈、煩躁、耳鳴、惡心等等一系列癥狀，最后致使人死亡。

因此，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)次聲波的振蕩頻率與人們的大腦節(jié)律相近，且引起共振時，能強烈刺激人的大腦，輕者恐懼、狂癲不安，重者突然暈厥或完全喪失自控能力，乃至死亡。當(dāng)次聲波振蕩頻率與人體內(nèi)臟器官的振蕩節(jié)律相當(dāng)，而且人處在強度較高的次聲波環(huán)境中時，五臟六腑就會發(fā)生強烈的共振。剎那間，大小血管就會一齊破裂，導(dǎo)致死亡。正因為次聲波對人體能造成危害，世界上有許多國家已明確將其列為公害之一，并規(guī)定了最大允許次聲波的標(biāo)準(zhǔn)，并從聲源、接受噪聲、傳播途徑入手，實施了可行的防治方法。

1946年菲利克斯·布洛赫（1905～1983年）在做實驗時，觀察到微波輻射和工作物質(zhì)間的共振信號，并初次觀察判斷粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（即N₂＞N₁）的實驗現(xiàn)象。1951年，美國科學(xué)家珀塞爾（1912～1997年）等人在做與此相同的實驗時有意識地讓磁場作180°的突然反轉(zhuǎn)，使體系處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，他們觀察到了50千赫的受激發(fā)射信號，這是在實驗上第一次觀察到受激發(fā)射現(xiàn)象。

1951年，科學(xué)家在美國華盛頓聚會討論如何發(fā)展比微波頻率更高的輻射以應(yīng)用于通信和其他領(lǐng)域的問題，湯斯對此十分感興趣。他設(shè)想用某種方法破壞熱平衡分布，使多數(shù)分子處于較高能級，然后用微波照射這些分子使其受激而輻射能量。這就可以起到放大電磁波作用，最后再把一部分發(fā)射的電磁波反饋到儀器中去激發(fā)處于高能級的分子，這樣就可能形成振蕩。湯斯認(rèn)為這種反饋作用可以在微波諧振腔中進行。他按照上述想法，和他的兩個助手經(jīng)過3年的試驗，終于研制成功了最早的微波激射器——氨分子量子振蕩器。前蘇聯(lián)的巴索夫和普羅霍洛夫幾乎和湯斯同時也獨立地研制出氨分子微波激射器。

微波激射器的研制成功，給人類以很大的啟發(fā)，促使科學(xué)家去思考能否應(yīng)用同樣的原理在光頻波段實現(xiàn)受激發(fā)射。當(dāng)時光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，也迫切需要高單色性、高亮度和高方向性的光源，例如全息照相技術(shù)在20世紀(jì)40年代初就已經(jīng)出現(xiàn)，但因為缺少合適的單色光源而得不到發(fā)展和推廣。

從微波激射器到光激射器有許多新問題需要解決，其中一個重要問題就是光頻諧振腔的設(shè)計和制造。根據(jù)電磁學(xué)原理，為了在諧振腔內(nèi)保持單一模式振蕩，腔的尺寸應(yīng)與電磁波波長具有相同數(shù)量級。光波波長比微波波長小四、五個數(shù)量級，制造尺寸與光波波長（即8～10厘米的數(shù)量級）相當(dāng)?shù)闹C振腔在技術(shù)上幾乎是不可能的，因此，必須尋找一種新的解決辦法和途徑。

1958年，美國物理學(xué)家肖洛（1921年～）和查爾斯·哈德·湯斯在一篇著名的文章中討論了由微波激射器過渡到激光器所存在的問題，并提出了解決問題的建議。他們建議，應(yīng)用一種法布里—珀洛干涉儀形式的兩個平行平面鏡做光頻諧振腔，使振蕩維持一個或少數(shù)幾個模式。這是從微波激射器到激光器發(fā)展過程中關(guān)鍵一步。然而，梅曼沖破這一禁區(qū)，巧妙地使用強脈沖氙燈做光激勵源，于1960年制成世界上第一臺紅寶石激光器。

世界上第一臺紅寶石激光器研制成功以后，各種類型的激光器如雨后春筍相繼誕生。1961年，美國貝爾實驗室的佳萬研制成世界上第一臺連續(xù)波運轉(zhuǎn)的氣體激光器——氦-氖激光器，工作物質(zhì)為氦、氖兩種氣體按一定比例的混合物；1962年，科學(xué)家又發(fā)明了砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體PN結(jié)載流子注入式激光器，并于1970年實現(xiàn)雙異質(zhì)結(jié)注入式半導(dǎo)體激光器室溫下連續(xù)波運轉(zhuǎn)，1964年二氧化碳（CO₂）分子氣體激光器的出現(xiàn)，實現(xiàn)了紅外波段的光受激發(fā)射；1964年，發(fā)明了釔鋁石榴石晶體激光器，即YAG（Y₃Al₅O₁₂：Nd^3＋）激光器，由此順利地實現(xiàn)了固體激光器室溫連續(xù)波運轉(zhuǎn)；1966年可調(diào)諧連續(xù)染料激光器——若丹明6G染料激光器的誕生，為激光光譜學(xué)研究提供了有效工具，進一步促進了高分辨激光光譜學(xué)的發(fā)展。

激光具有高亮度、高單色性和高方向性等特點，同普通光源相比，激光在人類對光波控制方面有了很大的突破。激光從微觀上控制了原子群的發(fā)光行為，使之集體化、有組織、有規(guī)律地發(fā)光，激光和無線電波一樣都可以實現(xiàn)定向發(fā)射、放大、振蕩、調(diào)制、變頻等。激光在本性上更加接近經(jīng)典電磁波，它經(jīng)歷一個從復(fù)雜（激光的產(chǎn)生機制）到簡單（激光的宏觀本性）的復(fù)歸。

激光技術(shù)從發(fā)明到應(yīng)用的周期比以往任何新技術(shù)都短，電話從發(fā)明到應(yīng)用周期大約為50年，飛機為20年，晶體管縮短為3年，而激光僅為幾個月。激光由于具有許多獨特的性質(zhì)，所以它在科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟中有廣泛應(yīng)用。用激光作載波傳遞信息，為通信開辟了廣闊天地。激光用于信息存儲具有密度高、容量大、速度快的特點。光盤已經(jīng)投入使用，還有可能制成運算速度極高的激光計算機。激光對半導(dǎo)體、集成電路、電子元件的微細(xì)加工處理已對電子工業(yè)發(fā)揮了重要作用，它在超大規(guī)模集成電路研制中也取得顯著進展。

此外，激光測距與跟蹤、激光制導(dǎo)、激光顯示等已廣泛應(yīng)用于軍事和國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。激光在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究中也發(fā)揮了重要作用。例如，以激光引發(fā)核聚變，實現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)是目前一些國家正在致力研究的一項重大課題，目前已取得一些進展。用激光分離鈾同位素已進入中間試驗階段。據(jù)初步估算，激光分離同位素比傳統(tǒng)擴散法分離同位素的投資可節(jié)省近30％。激光應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)等方面，也已經(jīng)取得很好的效果。

在中國，激光已開始用于加工、醫(yī)學(xué)、精密計量和測距等許多方面。1972年9月，中國成功地進行了衛(wèi)星激光測距試驗，以后又在北京、上海、昆明建立衛(wèi)星激光測距站。中國從20世紀(jì)70年代開始進行激光核聚變和激光分離同位素的試驗研究工作，并已取得可喜成果。

2.光通信與光導(dǎo)纖維的沿革

近代光通信的歷史比無線電通信還早，亞歷山大·斯捷潘諾維奇·波波夫（1859～1906年）發(fā)送與接收第一封無線電報是在1896年，而早在1880年，英國電話的發(fā)明者貝爾（1847～1922年）已經(jīng)研究并成功地發(fā)送與接收了光電話。

1881年，貝爾宣讀了一篇題為《利用光線進行聲音的產(chǎn)生與復(fù)制》的論文，報道了他的光電話裝置。第一次世界大戰(zhàn)期間制成的光電話，在一般晴朗天氣情況下有效通信距離可達(dá)5英里。1930年至1932年間，日本在東京的日本電氣公司與每日新聞社之間實現(xiàn)了3.6公里的光通信，但在大霧大雨天氣里效果很差。第二次世界大戰(zhàn)期間，光電話發(fā)展成為紅外線電話，因為紅外線肉眼看不見，更有利于保密。

電話發(fā)明者貝爾

光通信雖然歷史悠久，但是它在近代科技發(fā)展中遠(yuǎn)沒有無線電通信發(fā)展那樣迅速而廣泛，這主要是因為早期光通信系統(tǒng)沒有找到像無線電波那樣的相關(guān)光頻電磁波，因而通信質(zhì)量不高。激光出現(xiàn)以后，光通信的面貌發(fā)生了根本性的變化。激光像普通無線電波一樣，可以進行調(diào)制和解調(diào)，可以把各種信號載到光波上發(fā)射出去而實現(xiàn)光通信。

20世紀(jì)60年代，有的實驗室用氦-氖氣體激光器做了傳輸電視信號和20路電話的實驗，有的公司利用砷化鎵半導(dǎo)體激光器做發(fā)射機，硅光電二極管做接收元件，制成了語言信道試驗性通信系統(tǒng)，最大傳輸距離為600米。這時期傳輸距離較長的是利用工作于紅外區(qū)域的砷化鎵激光器發(fā)射電視信號，把光電管置于軍用探照燈焦點上用以接收信號，結(jié)果在夜晚及白晝都成功地在30海里的距離外收到了電視信號。到了20世紀(jì)80～90年代，激光通信已經(jīng)從實驗室階段進入應(yīng)用發(fā)展階段。

激光通信的主要障礙是氣候因素的影響和大氣層內(nèi)信號的衰減。光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)，使人們成功地解決了傳輸問題，使激光通信走上了穩(wěn)步發(fā)展階段。其實，利用細(xì)長纖維導(dǎo)管傳輸光線和圖像的概念早在一個世紀(jì)以前就已提起過。1854年，英國物理學(xué)家約翰·丁鐸爾（1820～1893年）在英國皇家學(xué)會的一次演講中指出，光線能夠沿盛水的彎曲管道進行反射而傳輸，以后他用實驗觀察證實了這個想法。但由于條件限制，當(dāng)時沒能深入研究。

1927年，英國科學(xué)家約翰·洛吉·貝爾德（1888～1946年）首次提出利用光全反射現(xiàn)象制成石英纖維可解析圖像，并且獲得了兩項專利。

1951年，荷蘭和英國的科學(xué)家開始進行柔軟纖維鏡的研制，1953年，荷蘭的科學(xué)家把一種折射率為1.47的塑料涂在玻璃纖維上，形成比玻璃纖維芯折射率低的套層，得到了光學(xué)絕緣的單根纖維。但由于塑料套層不均勻，光能量損失太大。1960年國際市場上出現(xiàn)了應(yīng)用光學(xué)纖維面板的產(chǎn)品。

早期的光導(dǎo)纖維質(zhì)量較差，光經(jīng)過100米光纖傳輸后，信號強度衰減到只有原來的百億分之一，難以應(yīng)用。經(jīng)過科學(xué)家和工程師的多年努力，現(xiàn)在已有質(zhì)量很純、光學(xué)性能均勻的光導(dǎo)纖維，光在其中的衰減也在逐漸減少?，F(xiàn)在應(yīng)用的光導(dǎo)纖維是根據(jù)全反射原理制成的，它一般有兩層，內(nèi)層的折射率比外層高，內(nèi)層是芯線，直徑一般為幾十微米，信號在其中傳播，外層是包皮，它既保護芯線，又與芯線配合使光束產(chǎn)生全反射。

利用光導(dǎo)纖維進行激光通信的設(shè)想是美籍華人高錕（1933年～）博士于1966年首先明確提出來的，隨著第一個光纖系統(tǒng)于1981年成功問世，高錕“光纖之父”美譽傳遍世界。

1996年高錕在“高錕星”命名典禮上

1968年日本有兩家公司聯(lián)合宣布研制成了一種新型無套層光纖，它能聚集和成像，稱作聚焦纖維。同期，美國宣布制成液體纖維，它是利用石英毛細(xì)管充以高透明液體（如四氯化硅）構(gòu)成的。這兩種光纖的光耗損很難降低，故實用價值不大。這一時期，美國在提高材料質(zhì)量上下工夫，美國康寧公司于1970年用高純石英首次研制成功耗損率為20分貝/公里的套層光纖，使通信光纖研究躍進了一大步。一根光纖可以傳輸150萬路電話和2萬套電視。

實際光通信系統(tǒng)使用的不是單根光導(dǎo)纖維，而是由許多光纖聚集在一起組成的光纜。一根直徑為1厘米的光纜，里面有近百根光導(dǎo)纖維。光纜和電纜一樣可以架在空中，埋入地下，也可以鋪設(shè)在海底，它的出現(xiàn)使激光通信進入實際應(yīng)用階段。日本電報電話公司已制成多芯光纜，它的外徑是28毫米，由每根直徑只有20～30微米的1512根光導(dǎo)纖維組成，可與同軸電纜進行商業(yè)競爭。世界上第一根海底光纜已經(jīng)建成。英國郵政總局在蘇格蘭海灣西部敷設(shè)一根直徑為2吋（約50毫米）長9.5公里的海底光纜。大規(guī)模使用光纖進行通信的實驗是在日本進行的。1976年，日本在大阪附近的奈良縣開始籌建世界上第一個完全用光纜實現(xiàn)光通信的實驗區(qū)，到1978年7月已擁有300個用戶，整個實驗區(qū)設(shè)一個信息接收和分配中心、三個分中心。

目前，美國、日本、等國都已將光纖通信列入長遠(yuǎn)規(guī)劃。美國計劃到2020年時，40％的電話局局際干線和20％的電話用戶回路將改用光纖?？梢灶A(yù)期光導(dǎo)纖維的應(yīng)用將使通信技術(shù)發(fā)生革命性變化。

如果把光通信應(yīng)用于地球之外的宇宙空間就是宇宙激光通信。宇宙空間沒有大氣或塵埃，激光在那里傳輸時比在大氣中的衰減小得多，因此激光用于宇宙通信既優(yōu)越又經(jīng)濟，已受到各國的普遍重視。