激光的發明和光通信的發展

激光的發明和光通信的發展

——1960年5月16日，世界上第一個激光器——紅寶石激光器發出了一束神奇的光，它的名字叫“激光”。最初中文的名稱叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯。LASER是英文“受激輻射的光放大”的縮寫。

——什么叫做“受激輻射”？它基于偉大的科學家愛因斯坦在1916年提出了的一套全新的理論。這一理論是說在組成物質的原子中，有不同數量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光，而且在某種狀態下，能出現一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。

——一個科學的理論從提出到實現，往往要經過一段艱難的道路。愛因斯坦提出的這個理論也是如此。它很長一段時間被擱置在抽屜里無人問津。一直到1951年，美國哥倫比亞大學的一位教授查爾斯.湯斯（Townes）對微波的放大進行了研究，經過三年的努力，他成功地制造出了世界上第一個“微波激射器”，即“受激輻射的微波放大”的理論。湯斯在這項研究中花費了大量的資金，因此他的這項成果被人們起了個綽號叫做“錢泵”，說他的這項研究花了很多的錢。后來湯斯教授和他的學生阿瑟.肖洛（Schawlow，諾貝爾物理獎的獲得者）想，既然我們已經成功地研究了微波的放大，就有可能把微波放大的技術應用于光波。1958年，湯斯的肖洛在《物理評論》雜志上發表了他們的“發明”——關于“受激輻射的光放大”（即LASER）的論文。但是他們沒有在此基礎上繼續進行研究和實驗，結果這項研究的成果被第三者利用了。這位第三者的名字叫西奧多.梅曼（Maiman）。

——梅曼是美國加利福尼亞州休斯航空公司實驗室的研究員。他花了兩年時間，終于制成了世界上第一個激光器——紅寶石激光器，發出了與古往今來人類所見到的和所利用的光都不相同的特殊的光——激光。激光的發現大大鼓舞了光通信的研究工作，沒有激光的發明就不會有今天的光通信或光纖通信。

——人類很早就利用光來傳遞信息了。烽火臺，就是古代人進行光通信的設施。利用光波傳遞信息，一直是人們研究的目標。一百多年前，著名的電話發明家貝爾在發明電話之后，在1880年又發明了利用太陽光進行電話通信的“光電話”，最遠的通話距離達到了213米。后來，人們又利用弧光燈的光來代替太陽光，使通話的距離延長，但是最多也只能傳幾公里。原因是這些光通過大氣傳播時會受到雨、霧、煙塵等的吸收；從而造成較大的消耗；還因為這些光在傳播時會逐漸擴散，即使是天氣晴朗時也會逐漸擴散而消失。從技術上來說，無論是太陽光還是各種火花、燈光都是“不純”的光、它們的頻率、相位等光的特性是“雜亂”的，不可能用來傳送大量的信息，也不能用作遠距離通信。而激光是由物質原子結構的本質決定的，這種光與人們已經廣泛應用的電磁波有類似的特性。激光的光束具有很強的功率、很直的直射性，光質很“純”，也就是光波的頻率、相位等都很穩定，因此可以用來載送信息，通信的容量很大，比微波通信還要大一萬倍！

——激光的發明給光通信的研究工作帶來了很大的希望。雖然最初發明的激光器有嚴重的缺點，它不能持續地發光，連持續發光一秒鐘都不行，而且還必須要在極低的溫度下才能工作。這樣的激光當然還不能用于通信。但是最初這促使更多的科學家對激光器作進一步的研究。到1970年，貝爾研究所的林嚴雄（Hayashi）等人終于成功地研制出能在室內常溫下連續工作的半導體激光器，這種激光器的體積很小，只有一顆米粒那么大，并且可以用電流控制激光的強度，這就為光通信的實現創造了條件。

——與研究激光器的同一年代里，科學家們也在為尋求傳導光的介質而努力。1966年，英國標準電信研究所的英藉華人高錕（K.C.KaO）發表了具有歷史意義的論文，論述了光學纖維傳輸光的前景。當時光學玻璃纖維的傳輸損耗在每公里1000分貝以上，且居高不下。這篇論文分析了造成損耗的主要原因，并通過理論分析認為，如果除去玻璃中的雜南，就有可能把損耗降低到每公里20分貝左右。許多國家的科學工作者受到這篇論文的鼓舞，開始了低損耗光學纖維的研究。

——也是在1970年，美國康寧玻璃公司的三位研究人員馬瑞爾（Maurer）、卡普隆（Kapron）和凱克（Keck），首先研制成功了傳輸損耗只有每公里20分貝的光纖。

——在室溫下連續工作的半導體激光器和低損耗光纖是技術上的重大突破，使光纖通信立刻受到各國電信技術人員的重視，全面地開展研究工作，光纖通信終于得到了實現。1970年，也因此而被稱為“光纖通信元年”。

——1977年，在美國芝加哥和圣塔摩尼卡（Santa Moniea）之間首次開通了商用的光纖通信系統，許多人驚奇地看到：一對只有頭發絲粗細的玻璃絲（直徑0.85微米），竟然能同時開通8000路電話（傳輸速率達45兆比/秒）。這一成果震驚了世界。但是到現在，這樣容量的光纖通信系統已經不足為奇了。

——光通信或是光纖通信的通信容量、或是光纖通信傳送信息的速率發展之快是十分驚人的，現在已經實際應用的光纖通信系統容量或傳輸速率，已經比1977年的那個系統提高了2000多位。而且還有更大的容量可以開發，光纖通信以其無可比擬的超大容量，從80年代開始已經逐漸替代電線和電纜成為現代電信網的骨干。在信息量爆炸性增長的信息社會里，光纖通信成為信息傳遞的主力。到2000年，全世界80%以上的信息傳送業務都要由光纖通信來完成。

激光的發明和光通信的發展

——1960年5月16日，世界上第一個激光器——紅寶石激光器發出了一束神奇的光，它的名字叫“激光”。最初中文的名稱叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯。LASER是英文“受激輻射的光放大”的縮寫。

——什么叫做“受激輻射”？它基于偉大的科學家愛因斯坦在1916年提出了的一套全新的理論。這一理論是說在組成物質的原子中，有不同數量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光，而且在某種狀態下，能出現一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。

——一個科學的理論從提出到實現，往往要經過一段艱難的