雷射，光和通讯的用途

《儆醒！》杂志驻英国通讯员报道

光——它对人多么宝贵和重要！我们的生命有赖于它，因为太阳系的巨大发电厂，太阳，若不发出光来，地上的一切生物便要完结了。无疑，由于光的奇美与颜色和形式的变化无穷，人从古时已开始探究光的性质。此外，人也寻求多种方法去产生光和利用光以期获得更大裨益。

人所想到的最引人入胜的理想之一已在1960年代实现，它甚至实现了许多科学界以外的人的想象。那便是雷射的发明。1960年最初试验成功的雷射以红宝石作为光源而发出红色光线，但今日已有多种不同的物质可以使用：二氧化碳、水、氦、氩等，每种物质都可以发出它独特颜色的光来。

雷射所发的光与来自其他光源的光有什么不同？雷射现时有什么实际用途？

基本上，雷射所具备的两种特性是其他光源无法及得上的。首先，雷射的光线不像电灯泡的光线一般向四面八方发射，它是一条狭长、作铅笔状的强力光束。其次，光的本身是极端纯粹或“连贯”的——像在乐器弹出一个纯粹单一音符而非几个乐音同时发出一般。

由于这些特性，雷射遂在许多方面都用得着。雷射的指向性曾被用来衡量月球和地球之间的距离，方法是以一副60寸（152米厘）的望远镜向月球发出光束。这项距离是以1寸（25毫米）以下的单位来测定的！雷射的高度强光使它可以用作切断和焊接。它可以切开纸、布甚至钻石，强力的二氧化碳雷射可以迅速把多块厚钢板焊接在一起。至于医学方面，雷射外科刀现时已受到广泛使用。它操作起来比普通外科刀更加正确，光线本身兼有凝血作用，因此不必使用血管钳子。在眼科方面，焊接脱落的视网膜现时已一律使用氩气雷射，咽喉部的细微声带手术也曾以雷射作过实验。

可是雷射和若干其他光源现时已展开一项最令人兴奋和最广泛的用途。科学家已发明了光波通讯系统。现时所用的模型正将电话或电视的讯号由玻璃纤维传送光波取代了以电线传送电力。事实上，预料在1980年代初期便可使用光波通讯系统去作广泛的电话传声。

以光作为通讯工具怎样成为可能？这项方法带来什么裨益以及它怎样影响我们的日常生活？我们可以详细查考光波系统的发展。首先，我们要考虑一下光本身的物理性质，看看它在若干方面和已经作为通讯用途的波动有什么相似之处。

光的性质

1864年，苏格兰物理学家占士·奇勒·马克士威成功地把电力和磁力定律结合一起。他发现根据这样的结合可以预告有多种波动存在。其中之一已被认出是光波，其他的波动在当时尚属未知，但后来却发现它们是现时著名的无线电波、雷达波和X射线，它们都是肉眼所不能见的。

马克士威的理论证明所有不同种类的波动，包括光波在内，都具有类似的性质；它们都是由电力和磁力的震动或摆动所构成的。光波与无线电波的不同之处仅是震动的速度或“频率”的差异。光波的震动力量比典型的无线电波快一亿倍。

因此，正如无线电波可把音乐和影画讯号传至收音机和电视机，利用同样的原理和技术也可使光波发挥同一功用。可是由于光的频率太速，当光波连贯时，在理论上会优越得多。它具备了传送大量资料的潜能，比无线电波的能力大得多。由于希望实现这种可能性，它促使科学家们在雷射发明之后不久即着手研究光波通讯系统。

光的传送

在实用系统发展中首先遭遇的主要难题是把光从发讯装置传送至受讯装置。他们不久便了解到雷射光线在大气中直接放射（像无线电波一般）是既不可靠也不切合实际的。在长距离的进行中，雾、雨、云或雪都可以分散或阻遏光束，甚至在晴朗的天气，大气的温度变化也可以屈折或歪曲光束的进路。此外，要使光束进入或离开建筑物便要有紧密排列成行的镜子使光束转弯抹角才行。

1966年，在标准电磁通讯研究所工作的两位英国工程师，K.C.卡奥和G.A.荷克咸建议一项较佳的解决难题方法。多年来已知的事实是，光可以被幼如人发的柔软玻璃纤维所“传导”或引导，像电线传导电流一般。可是，当时制造的玻璃纤维很粗劣。它把光束分散和吸收以致光束沿着纤维进行了10尺（3米）就失去一半力量。卡奥和荷克咸提议，倘若玻璃纤维的品质能够大加改进，便可以用来传送光束至多哩以外。

基于这项意见，英国的哥宁玻璃厂、美国的贝尔实验室、日本的日本板硝子会社以及英国多个研究团体均着力研究制造玻璃纤维的方法。1970年首次获得突破性的发明，那便是哥宁厂宣布以将近纯粹的矽土玻璃制成损失量低的纤维。不久之后，其他研究团体也进一步考究新种类的玻璃和发展制造纤维的新方法。今日，普通制造的玻璃纤维可以把光导至1哩（1.6公里）外才失去一半力量；最近制造的上品纤维在同等距离的导光中只丧失三分一的光力！

制造纤维是从经过熔炉的玻璃拉出的。在制造过程中把纤维绕在鼓上，一条纤维可以继续拉至数哩之长。在实用的场合，纤维要复上保护的塑胶罩，把100根或以上的纤维束在一起，配上附加材料和外罩遂组成“光学纤维缆”。现时这种纤维缆已是光波通讯系统的中心成分，每条纤维缆形成一条独立的通讯路。

玻璃纤维怎样导光呢？答案在于一项称为“全内向反射”的物理学原理。在两类玻璃相接的场合，界线以下的玻璃（光学）的密度较大，光束在深角度上冲击界线。这时一部分的光透过界线，另一部分的光反射下来。（参看图表）。可是，角度若是够浅，全部光束便会反射下来，界线的作用有如镜子一般。这种情形称为“全内向反射”。玻璃纤维的中心由密度较大的玻璃构成，周围以别种玻璃包着。在适当的浅角度下射入玻璃中心的光线沿着纤维或前或后地进行反射。

新式雷射

在过去10年间，与研究玻璃纤维相辅而行的是致力于光通讯系统其他部分的发展与改良。早期的雷射是庞大和效率不佳的。与玻璃纤维一致的新式长寿雷射的制造遂成为必要。此外还需计划以有效方法在把普通电码发报机译成光电码，在受报机中再加以解释。

今日，由铝、镓和砒素合金组成的小于针头的雷射可有1年以上的寿命。这种雷射在通过装置“注入”电流即发出光束，因此称为“注入型雷射”。用相同的元素也能以简单方法造成电子计算机通常所用的发光两极真空管(LED’s)。它们所发的光虽没有连贯性，但对于低容量的光波通讯系统仍然十分重要。

在这样的雷射和LED’s中，光束可在1秒钟作数百万次的电气明灭！因此，光的闪烁或“跳动”可以像极快的摩氏电码、电话或电视讯号一般沿着玻璃纤维传送。在受报机的末端，用矽土制成的特别检光器把高速传送的跳动光流转变成电气讯号。

模范系统

在研究阶段上日渐进步的事实已是信而有征，因为若干初步光波通讯系统早已应用，现时多个国家，如英、美、德、法，都从事研究高深的系统，其中以日本最为先进。

例如，自1976年三月以来，传给英国哈斯丁斯区约34,000副受像机的电视讯号是经由4,700尺（1.4公里）长的光学纤维缆传送的。电气讯号由发光两极真空管所发的光传送出去。

贝尔实验室在美国亚特兰大所设置的模范系统进行大规模试验。这个系统使用一个注入型雷射和两条2,100尺（0.6公里）长的光学纤维缆，每缆含有144条个别的玻璃纤维。光沿着每条纤维前进，因此纤维缆的能力可以同时传送40,000以上的声音！纤维缆装设在地下管之内，与城市电话系统相似。在装设时没有纤维破损。

在德国，慕尼黑的电磁通讯事业集团已设置一条实验用的光学纤维缆来传送电话和电视讯号。这个系统每日操作12小时，自1976年八月以来没有发生任何故障。

同样的系统也早已应用在其他方面如飞机、轮船和电脑联络等。由于玻璃纤维和缆的接合与连结所需的新科技和工程技术的日益精进，它在通讯方面取代了许多金属缆是大有希望的。

那末，使用光和纤维缆会得到什么裨益呢？此外，这一切对我们的日常生活又有什么影响呢？

裨益和前途

在通讯方面以玻璃纤维代替传统的铜缆有许多裨益。由于纤维中不含金属，遂不致受到电力干扰。纤维和光学纤维缆的直径相当细小。在地下导管充塞的城市中作为电话网具有极大价值。它们的重量比铜缆为轻，对于必须限制重量的飞机和人造卫星是一项宝贵的资产。最后和最重要的是，纤维可以廉价生产。

此外，光学纤维缆可以作为扩展现存通讯网的工具。对一般人说来，这意味到减缓电话费的上扬和打电话较为容易。

在长期的展望上，它的裨益更令人鼓舞。以连贯的光传送大量资料的可能性现时尚未充分开发。为了实现这种潜能，一项称为“集成光学”的新分野已在1969年展开。其中包括使雷射完全小型化以及使细小的光线回路连结光学配件。

关于新式和引人入胜的通讯方法已有许多构想。例如私人住宅装上光学纤维缆以代替电话线，以电视联络新的集中服务如电脑化的图书馆、教育中心、银行、医疗中心、商店等。借着这种设备，一个人可从自己家中拨电话给电脑化的图书馆选一本书，然后在电视幕上阅读，或者打电话给银行要求展示他最近的经济报告。家庭主妇安坐家中就可用打字电报机列出购物单在电视幕上，然后按钮转播给超级市场定购。录影电话也可使你见到在电话中与之交谈的人！

显然，光的强大通讯能力会有许多新方面在将来展开。随着光波系统开始从实验室的研究阶段进入实用阶段，它会为人带来许多裨益。当我们考虑到这一切，便会了解光本身的奇妙复杂性质。不错，创造物的无尽宝藏正是安排来满足人的独创能力和内在求知欲的。——诗篇145:16。

［第14页的图解］

（排版后的式样，见出版物）

全内向反射的原理

玻璃

部分透过的光

密度较大的玻璃

在深角度的光束

部分反射的光

玻璃

密度较大的玻璃

在浅角度的光束

全反射的光

玻璃纤维的导光方法

射入浅角度的光线沿着核心曲折地前进

玻璃罩

密度较大的玻璃核心