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光纤之父 高锟

科普中国2015-12-30 21:10我要吐槽

光纤是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光导纤维由两层折射率不同的玻璃组成。内层为光内芯,直径在几微米至几十微米,外层的直径为零点几毫米。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%。根据光的折射和全反射原理,当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时,光线透不过界面,全部反射。通常,光纤一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤,光纤另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。在日常生活中,由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多,所以光纤通常被用作长距离的信息传递。

 

原理初探:丁达尔效应

 

 

1869年,丁达尔发现,若令一束汇聚的光通过溶胶,则从侧面可以看到一个发光的圆锥体,这就是丁达尔效应。

具体而言,在光的传播过程中,光线照射到粒子时,如果粒子大于入射光波长很多倍,则发生光的反射;如果粒子小于入射光波长,则发生光的散射,这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光,称为散射光或乳光。丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象。由于溶液粒子直径一般不超过1 nm,胶体粒子介于溶液中溶质粒子和浊液粒子之间,其直径在1~100 nm,小于可见光波长,因此,当可见光透过胶体时会产生明显的散射作用。而对于真溶液,虽然分子或离子更小,但因散射光的强度随散射粒子体积的减小而明显减弱,因此,真溶液对光的散射作用很微弱。此外,散射光的强度还随分散体系中粒子浓度增大而增强。而光纤的发明,正是基于对丁达尔效应的应用。

 

理论的提出与实现

 

 

光纤的发明者高锟1933年11月4日出生在江苏省金山县,中学毕业后,考入香港大学。但由于当时港大没有电机工程系,他远赴英国东伦敦伍尔维奇理工学院就读。1957年,他从伍尔维奇理工学院电子工程专业毕业。

1957年,在英国伦敦大学攻读电机工程博士学位的高锟进入国际电话电报公司,在其英国子公司——标准电话与电缆有限公司任工程师。1960年,他进入ITT设于英国的欧洲中央研究机构——标准电信实验有限公司,在那里工作了十年,其职位从研究科学家升至研究经理。正是在这段时期,高锟教授成为光纤通讯领域的先驱。从1957年开始,高锟即从事光导纤维在通讯领域运用的研究。

1964年,高锟提出在电话网络中以光代替电流,以玻璃纤维代替导线。

 

 

1966年,高锟就取得了光纤物理学上的突破性成果,在PIEE 杂志上发表论文《光频率的介质纤维表面波导》,从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性,并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性。高锟指出,以一条比头发丝还要细的光纤代替体积庞大的千百万条铜线,可用以传送容量几近无限的信息,他计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输,然而,在这一设想刚刚发表的当时,却被人笑称为“痴人说梦”。

1970年,美国康宁公司三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克用改进型化学相沉积法成功研制出成传输损耗只有20dB/km的低损耗石英光纤,高锟的设想得到了验证。

 

 

1970到1974年高锟教授在香港中文大学担任电子学系教授及讲座教授,1974年又返回ITT工作。当时,光纤领域进入前生产阶段。他在位于美国弗吉尼亚州劳诺克的光电产品部担任主任科学家,后擢升为工程主任。

1987年10月,高锟从英国回到香港,并出任香港中文大学第三任校长,并于1996年当选为中国科学院外籍院士。此外,他担任香港高科桥集团有限公司主席兼行政总裁,并致力于开发电信与信息。

参考文献

邬红宇. 纤径通衢——“光纤之父”高锟[J]. 现代物理知识. 2005(04)

振河. 高锟:用光纤牵动世界神经[J]. 大众科学. 2013(09)

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作者:科普中国责任编辑:天极科普君)
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