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激光的发明和光通信的发展

时间：2011-12-31 22:45:21  来源： 打印本文

激光的发明和光通信的发展

2006/7/10/9:14    1960年5月16日，世界上第一个激光器——红宝石激光器发出了一束神奇的光，它的名字叫“激光”。最初中文的名称叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译。LASER是英文“受激辐射的光放大”的缩写。

    什么叫做“受激辐射”？它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。

    一个科学的理论从提出到实现，往往要经过一段艰难的道路。爱因斯坦提出的这个理论也是如此。它很长一段时间被搁置在抽屉里无人问津。一直到1951年，美国哥伦比亚大学的一位教授查尔斯·汤斯（Townes）对微波的放大进行了研究，经过三年的努力，他成功地制造出了世界上第一个“微波激射器”，即“受激辐射的微波放大”的理论。汤斯在这项研究中花费了大量的资金，因此他的这项成果被人们起了个绰号叫做“钱泵”，说他的这项研究花了很多的钱。后来汤斯教授和他的学生阿瑟·肖洛（Schawlow，诺贝尔物理奖的获得者）想，既然我们已经成功地研究了微波的放大，就有可能把微波放大的技术应用于光波。1958年，汤斯的肖洛在《物理评论》杂志上发表了他们的“发明”——关于“受激辐射的光放大”（即LASER）的论文。但是他们没有在此基础上继续进行研究和实验，结果这项研究的成果被第三者利用了。这位第三者的名字叫西奥多·梅曼（Maiman）。

    梅曼是美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员。他花了两年时间，终于制成了世界上第一个激光器——红宝石激光器，发出了与古往今来人类所见到的和所利用的光都不相同的特殊的光——激光。激光的发现大大鼓舞了光通信的研究工作，没有激光的发明就不会有今天的光通信或光纤通信。

    人类很早就利用光来传递信息了。烽火台，就是古代人进行光通信的设施。利用光波传递信息，一直是人们研究的目标。一百多年前，著名的电话发明家贝尔在发明电话之后，在1880年又发明了利用太阳光进行电话通信的“光电话”，最远的通话距离达到了213米。后来，人们又利用弧光灯的光来代替太阳光，使通话的距离延长，但是最多也只能传几公里。原因是这些光通过大气传播时会受到雨、雾、烟尘等的吸收；从而造成较大的消耗；还因为这些光在传播时会逐渐扩散，即使是天气晴朗时也会逐渐扩散而消失。从技术上来说，无论是太阳光还是各种火花、灯光都是“不纯”的光、它们的频率、相位等光的特性是“杂乱”的，不可能用来传送大量的信息，也不能用作远距离通信。而激光是由物质原子结构的本质决定的，这种光与人们已经广泛应用的电磁波有类似的特性。激光的光束具有很强的功率、很直的直射性，光质很“纯”，也就是光波的频率、相位等都很稳定，因此可以用来载送信息，通信的容量很大，比微波通信还要大一万倍！

    激光的发明给光通信的研究工作带来了很大的希望。虽然最初发明的激光器有严重的缺点，它不能持续地发光，连持续发光一秒钟都不行，而且还必须要在极低的温度下才能工作。这样的激光当然还不能用于通信。但是最初这促使更多的科学家对激光器作进一步的研究。到1970年，贝尔研究所的林严雄（Hayashi）等人终于成功地研制出能在室内常温下连续工作的半导体激光器，这种激光器的体积很小，只有一颗米粒那么大，并且可以用电流控制激光的强度，这就为光通信的实现创造了条件。

    与研究激光器的同一年代里，科学家们也在为寻求传导光的介质而努力。1966年，英国标准电信研究所的英藉华人高锟（K.C.KaO）发表了具有历史意义的论文，论述了光学纤维传输光的前景。当时光学玻璃纤维的传输损耗在每公里1000分贝以上，且居高不下。这篇论文分析了造成损耗的主要原因，并通过理论分析认为，如果除去玻璃中的杂南，就有可能把损耗降低到每公里20分贝左右。许多国家的科学工作者受到这篇论文的鼓舞，开始了低损耗光学纤维的研究。

    也是在1970年，美国康宁玻璃公司的三位研究人员马瑞尔（Maurer）、卡普隆（Kapron）和凯克（Keck），首先研制成功了传输损耗只有每公里20分贝的光纤。

    在室温下连续工作的半导体激光器和低损耗光纤是技术上的重大突破，使光纤通信立刻受到各国电信技术人员的重视，全面地开展研究工作，光纤通信终于得到了实现。1970年，也因此而被称为“光纤通信元年”。

    1977年，在美国芝加哥和圣塔摩尼卡（Santa Moniea）之间首次开通了商用的光纤通信系统，许多人惊奇地看到：一对只有头发丝粗细的玻璃丝（直径0.85微米），竟然能同时开通8000路电话（传输速率达45兆比/秒）。这一成果震惊了世界。但是到现在，这样容量的光纤通信系统已经不足为奇了。

    光通信或是光纤通信的通信容量、或是光纤通信传送信息的速率发展之快是十分惊人的，现在已经实际应用的光纤通信系统容量或传输速率，已经比1977年的那个系统提高了2000多位。而且还有更大的容量可以开发，光纤通信以其无可比拟的超大容量，从80年代开始已经逐渐替代电线和电缆成为现代电信网的骨干。在信息量爆炸性增长的信息社会里，光纤通信成为信息传递的主力。到2000年，全世界80%以上的信息传送业务都要由光纤通信来完成。