书城教材教辅元素与光
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第18章 光(6)

(1)激光是单色光。有一些激光器会有不同频率的激光同时出现,事实上这些激光并没有一起存在,它们是互相隔离的,也是分开使用的。

(2)激光是相干光。相干光有一个特征,这就是它所有的光波都是同步的,整束光与一个“波列”相似。

(3)激光是高度集中光。激光具有高度集中的特点,它要走很长的一段距离后,才会出现分散的现象。

激光通信

光可以用来传递信息,这个相信现代社会中的每一个人都知道,如舰船用灯通信,交通灯用红、黄、绿三种颜色指挥交通。事实上这些都是用普通光传递信息,这些光的使用局限在一定范围内,超出了这个范围就起不到传递信息的作用。激光与普通光不同,它可以将信息直接传递到很远的地方。

光是如何传递的呢?现在我们都知道,电可以沿着铜线传递,光却不能沿着普通金属线传递。那么我们是否就对传递光束手无策呢?没有,科学家们研制出一种细丝,这种细丝叫做光导纤维,它能够传输光,它的简称是光纤。光纤使用的材料是特种玻璃,它的直径通常为50~150微米,比人的头发丝还要小,这种光纤不仅小而且非常柔软,很利于光的传递。

下面让我们来了解一下光纤的结构。光纤的内芯是透明光学玻璃,这种玻璃具有很高的折射率,光纤的外面包皮层是普通玻璃或塑料,这些材料具有很低的折射率。这种特殊的结构对光纤传递光很有用,它一方面能使光沿着内芯折射前进,与水在自来水管里往前流动类似,与电在导线中往前传输相同,即使路程很远,传递也不会中断;另一方面,低折射率的包皮层起到了阻止光外泄的作用,这与水管不会渗水相似,与电线的绝缘层不会导电相同。正是因为这个特殊的结构,光在光纤中才能顺利地传递。

光的传递由于光导纤维的出现顺利实现了,当然这种光纤还不能把任何光都传递到很远的地方去,传递的质量跟光源有很大关系。激光是亮度高、颜色纯、方向性好的光,它是光纤传递的最理想的光源,它进入光纤的一端后,又从另一端毫无损失地输出来。现在我们说的光通信就是激光通信,它具有容量大、质量高、材料来源广、保密性强、经久耐用等优点。激光通信是通信领域的一次大变革,它推动了通信事业的发展。

为什么说激光通信是通信领域的一次大变革呢?这是因为激光通信具有以往通信方式所没有的优点。激光通信最大的优点是容量大,激光通信的这个特点可以从某事体现出来。像我们平时打电话,打得太久就会有不相干的说话声串进来。这种现象的产生是因为一对电话线上只能通一路电话,如果这时有其他电话打进来,正常的通话就会受到干扰甚至中断。如果这时有10对人同时用一对电话线通话,那么20个人的说话声音就会让通话显得很嘈杂,通话的人就会根本听不到对方的声音。利用激光通信就不会有这样的困扰,由于激光通信具有很大的容量,所以即使很多人同时用一对电话线进行通话,他们都能清楚地听到对方的声音。

我们来打个比方,如果普通电话的传输信息量是小推车,那么激光通信的传输信息量就是汽车。正是由于激光具有与众不同的特点,所以激光通信的信息容量比电气通信的信息容量大了10亿倍。用激光通信,一根比头发丝还细的光纤能够将几万路电话或几千路电视节目顺利传输,一支铅笔那样粗细的光缆每天可以供76200人通话。而与此相比,一根直径约7.6厘米的电缆每天却只能供900人通话。通过对比,我们可以看到激光通信具有电气通信无法相比的优势。激光通信不仅用于传输声音,它还能传输电视、图像和数字,据相关人员测量,一对光纤可在1分钟内将整套《大英百科全书》传输完,这个速度是非常快的,真是让人无法想象。

光导纤维的材料非常普通,那就是地球上到处都有的沙子,在化学上的名字叫石英。制造1000米长的光纤只需要几克石英,由于石英在地球上到处都是,光导纤维的原材料可谓是用之不竭,铜材和铝材可以节省下来用于其他行业。现在世界上的发达国家都在对激光通信进行研究,他们试图让激光通信不断发展,从而节省更多的生产成本。

翻阅通信技术的历史,我们可以看到光纤通信技术以前所未有的速度发展着。现在我们来看一看通信技术史上的几个里程碑,从电话的发明到电话的应用,总共花费了60年的时间,现在电话通信已经非常普遍。从无线电技术的发明到无线电技术的应用,总共花费了30年的时间。电视技术是这些技术里发展相对较快的技术,但它从发明到应用仍然花费了14年的时间。激光通信的发展非常迅速,从第一根低损耗光导纤维的诞生到其应用,总共只花费了5年的时间。

1977年5月,美国有一家名为电报电话公司的大公司,这家公司在芝加哥市的两个电话局之间,架设了世界上第一条短距离的光导纤维通信线路,此后全美国建立了大量的短距离激光通信线路,这些线路总长几百千米。1983年,美国纽约到波士顿之间建有长达600千米的光导纤维通信网络。

在美国的激光通信迅速发展的同时,日本也加快了激光通信技术的步伐。1984年,日本在北海道的札幌和九州岛福冈之间架设了长距离的光导纤维通信干线,这个通信干线有2800千米长,它与30多个城市相连接。1993年12月,中国和日本之间的光纤电缆铺设成功,这个光纤电缆横跨东海。

激光通信在迅速发展,光导纤维的应用也已越来越广泛,光导纤维的需求量大幅度上升。现在,美、日、英、法等国家都已成立了光导纤维和光缆生产企业。现在世界上有三大著名的光纤光缆公司,即美国的西电公司、美国的康宁公司和日本的住友公司,每年都有12万千米的光导纤维产量。

激光通信给地球带来了巨大的变化,它影响着人类的生活。例如有些科学家曾做出这样的设想:利用光纤网络可以在家中将文件处理完,顺便还可以在家中参加一个会议;购物中心与家中的光纤网络相连,人就如同来到了超市,在那里可以随意选购需要的商品;医疗中心可以从屏幕上查看病人的病情,并根据病人的病情开出处方单。激光通信给人们带来了各种各样的便利,以上的设想有些已经实现,有些正在努力当中。

图像也是激光通信传递的一个对象。在传送信息的过程中,有两种常用的纤维束:一种是传光束,另一种是传像束。传光束将光从一头传到另一头,它的结构比较简单:多根单丝胶合在一起,再将其端面抛光和研磨,然后在传光束外面套上塑料护套,这样传光束就形成了。

传像束与传光束不同,一般来说一根光纤只能传送一个光点,因此要将整幅图像传送出去,就必须将光导纤维整齐地排列起来,传像束就是这样组成的光纤束。

传像束中的光纤必须整整齐齐地排列,两个端头所处的位置也应该对齐,如果这些光纤错乱,那么将起不到传送图像的作用。

由于传送图像的需要,现在广泛使用的传像束由上万根光纤组成,把这上万根光纤整齐地排列可不是一件容易的事。在把这上万根光纤整齐排列之后,再用一种有机黏合剂将光纤的两端胶合起来,使光纤稳固耐用,光纤之间也不会出现错位的情况。中间部分则不必粘牢,只需在光纤的外面加上保护的塑料套管即可,传像束经过这样一番处理之后,就会变得柔软可操作,并且还非常耐用。

除了具有传送图像的功能外,传像束还具有传送符号和数字的功能,它甚至还能对图像进行放大或缩小。如何放大图像呢?这时可以将传像束做得一端大、一端小,形成一个简单的锥体。当图像从小端传到大端时,整幅图像就被放大。当图像从大端进入小端时,整幅图像就被缩小。与此同时,光纤还具备改变图像的功能。根据需要可以将光导纤维的排列顺序有意打乱,这样出口端的图像就与原来的图像对应不上,图像也就随之改变。

激光通信对社会造成了很大的影响,光纤传像束也具有巨大的发展潜力,现在激光通信的作用已经体现了出来,相信在不久的将来,激光通信会发挥出更大的作用。

激光武器

现在的飞机上大都装有很多新式武器,如激光瞄准器等,这种瞄准器能发射出红外激光,这种激光对战争起到了很大的作用。一架飞机出现在天空中,它担任的是侦察任务,当它从空中俯瞰时发现了地面上的目标,于是它便在空中盘旋,然后使用激光瞄准器向目标发射激光束。这个激光束并不会对目标造成破坏,它实际上起到了向导的作用。