雷射，光和通訊的用途

《儆醒！》雜誌駐英國通訊員報導

光——它對人多麼寶貴和重要！我們的生命有賴於它，因為太陽系的巨大發電廠，太陽，若不發出光來，地上的一切生物便要完結了。無疑，由於光的奇美與顏色和形式的變化無窮，人從古時已開始探究光的性質。此外，人也尋求多種方法去產生光和利用光以期獲得更大裨益。

人所想到的最引人入勝的理想之一已在1960年代實現，它甚至實現了許多科學界以外的人的想像。那便是雷射的發明。1960年最初試驗成功的雷射以紅寶石作為光源而發出紅色光線，但今日已有多種不同的物質可以使用：二氧化碳、水、氦、氬等，每種物質都可以發出它獨特顏色的光來。

雷射所發的光與來自其他光源的光有什麼不同？雷射現時有什麼實際用途？

基本上，雷射所具備的兩種特性是其他光源無法及得上的。首先，雷射的光線不像電燈泡的光線一般向四面八方發射，它是一條狹長、作鉛筆狀的強力光束。其次，光的本身是極端純粹或「連貫」的——像在樂器彈出一個純粹單一音符而非幾個樂音同時發出一般。

由於這些特性，雷射遂在許多方面都用得著。雷射的指向性曾被用來衡量月球和地球之間的距離，方法是以一副60吋（152米厘）的望遠鏡向月球發出光束。這項距離是以1吋（25毫米）以下的單位來測定的！雷射的高度強光使它可以用作切斷和焊接。它可以切開紙、布甚至鑽石，強力的二氧化碳雷射可以迅速把多塊厚鋼板焊接在一起。至於醫學方面，雷射外科刀現時已受到廣泛使用。它操作起來比普通外科刀更加正確，光線本身兼有凝血作用，因此不必使用血管鉗子。在眼科方面，焊接脫落的視網膜現時已一律使用氬氣雷射，咽喉部的細微聲帶手術也曾以雷射作過實驗。

可是雷射和若干其他光源現時已展開一項最令人興奮和最廣泛的用途。科學家已發明了光波通訊系統。現時所用的模型正將電話或電視的訊號由玻璃纖維傳送光波取代了以電線傳送電力。事實上，預料在1980年代初期便可使用光波通訊系統去作廣泛的電話傳聲。

以光作為通訊工具怎樣成為可能？這項方法帶來什麼裨益以及它怎樣影響我們的日常生活？我們可以詳細查考光波系統的發展。首先，我們要考慮一下光本身的物理性質，看看它在若干方面和已經作為通訊用途的波動有什麼相似之處。

光的性質

1864年，蘇格蘭物理學家占士·奇勒·馬克士威成功地把電力和磁力定律結合一起。他發現根據這樣的結合可以預告有多種波動存在。其中之一已被認出是光波，其他的波動在當時尚屬未知，但後來卻發現它們是現時著名的無線電波、雷達波和X射線，它們都是肉眼所不能見的。

馬克士威的理論證明所有不同種類的波動，包括光波在內，都具有類似的性質；它們都是由電力和磁力的震動或擺動所構成的。光波與無線電波的不同之處僅是震動的速度或「頻率」的差異。光波的震動力量比典型的無線電波快一億倍。

因此，正如無線電波可把音樂和影畫訊號傳至收音機和電視機，利用同樣的原理和技術也可使光波發揮同一功用。可是由於光的頻率太速，當光波連貫時，在理論上會優越得多。它具備了傳送大量資料的潛能，比無線電波的能力大得多。由於希望實現這種可能性，它促使科學家們在雷射發明之後不久即著手研究光波通訊系統。

光的傳送

在實用系統發展中首先遭遇的主要難題是把光從發訊裝置傳送至受訊裝置。他們不久便了解到雷射光線在大氣中直接放射（像無線電波一般）是既不可靠也不切合實際的。在長距離的進行中，霧、雨、雲或雪都可以分散或阻遏光束，甚至在晴朗的天氣，大氣的溫度變化也可以屈折或歪曲光束的進路。此外，要使光束進入或離開建築物便要有緊密排列成行的鏡子使光束轉彎抹角才行。

1966年，在標準電磁通訊研究所工作的兩位英國工程師，K.C.卡奧和G.A.荷克咸建議一項較佳的解決難題方法。多年來已知的事實是，光可以被幼如人髮的柔軟玻璃纖維所「傳導」或引導，像電線傳導電流一般。可是，當時製造的玻璃纖維很粗劣。它把光束分散和吸收以致光束沿著纖維進行了10呎（3米）就失去一半力量。卡奧和荷克咸提議，倘若玻璃纖維的品質能夠大加改進，便可以用來傳送光束至多哩以外。

基於這項意見，英國的哥寧玻璃廠、美國的貝爾實驗室、日本的日本板硝子會社以及英國多個研究團體均著力研究製造玻璃纖維的方法。1970年首次獲得突破性的發明，那便是哥寧廠宣布以將近純粹的矽土玻璃製成損失量低的纖維。不久之後，其他研究團體也進一步考究新種類的玻璃和發展製造纖維的新方法。今日，普通製造的玻璃纖維可以把光導至1哩（1.6公里）外才失去一半力量；最近製造的上品纖維在同等距離的導光中只喪失三分一的光力！

製造纖維是從經過熔爐的玻璃拉出的。在製造過程中把纖維繞在鼓上，一條纖維可以繼續拉至數哩之長。在實用的場合，纖維要覆上保護的塑膠罩，把100根或以上的纖維束在一起，配上附加材料和外罩遂組成「光學纖維纜」。現時這種纖維纜已是光波通訊系統的中心成分，每條纖維纜形成一條獨立的通訊路。

玻璃纖維怎樣導光呢？答案在於一項稱為「全內向反射」的物理學原理。在兩類玻璃相接的場合，界線以下的玻璃（光學）的密度較大，光束在深角度上衝擊界線。這時一部份的光透過界線，另一部份的光反射下來。（參看圖表）。可是，角度若是夠淺，全部光束便會反射下來，界線的作用有如鏡子一般。這種情形稱為「全內向反射」。玻璃纖維的中心由密度較大的玻璃構成，周圍以別種玻璃包著。在適當的淺角度下射入玻璃中心的光線沿著纖維或前或後地進行反射。

新式雷射

在過去10年間，與研究玻璃纖維相輔而行的是致力於光通訊系統其他部份的發展與改良。早期的雷射是龐大和效率不佳的。與玻璃纖維一致的新式長壽雷射的製造遂成為必要。此外還需計劃以有效方法在把普通電碼發報機譯成光電碼，在受報機中再加以解釋。

今日，由鋁、鎵和砒素合金組成的小於針頭的雷射可有1年以上的壽命。這種雷射在通過裝置「注入」電流即發出光束，因此稱為「注入型雷射」。用相同的元素也能以簡單方法造成電子計算機通常所用的發光兩極真空管(LED’s)。它們所發的光雖沒有連貫性，但對於低容量的光波通訊系統仍然十分重要。

在這樣的雷射和LED’s中，光束可在1秒鐘作數百萬次的電氣明滅！因此，光的閃爍或「跳動」可以像極快的摩氏電碼、電話或電視訊號一般沿著玻璃纖維傳送。在受報機的末端，用矽土製成的特別檢光器把高速傳送的跳動光流轉變成電氣訊號。

模範系統

在研究階段上日漸進步的事實已是信而有徵，因為若干初步光波通訊系統早已應用，現時多個國家，如英、美、德、法，都從事研究高深的系統，其中以日本最為先進。

例如，自1976年三月以來，傳給英國哈斯丁斯區約34,000副受像機的電視訊號是經由4,700呎（1.4公里）長的光學纖維纜傳送的。電氣訊號由發光兩極真空管所發的光傳送出去。

貝爾實驗室在美國亞特蘭大所設置的模範系統進行大規模試驗。這個系統使用一個注入型雷射和兩條2,100呎（0.6公里）長的光學纖維纜，每纜含有144條個別的玻璃纖維。光沿著每條纖維前進，因此纖維纜的能力可以同時傳送40,000以上的聲音！纖維纜裝設在地下管之內，與城市電話系統相似。在裝設時沒有纖維破損。

在德國，慕尼黑的電磁通訊事業集團已設置一條實驗用的光學纖維纜來傳送電話和電視訊號。這個系統每日操作12小時，自1976年八月以來沒有發生任何故障。

同樣的系統也早已應用在其他方面如飛機、輪船和電腦聯絡等。由於玻璃纖維和纜的接合與連結所需的新科技和工程技術的日益精進，它在通訊方面取代了許多金屬纜是大有希望的。

那末，使用光和纖維纜會得到什麼裨益呢？此外，這一切對我們的日常生活又有什麼影響呢？

裨益和前途

在通訊方面以玻璃纖維代替傳統的銅纜有許多裨益。由於纖維中不含金屬，遂不致受到電力干擾。纖維和光學纖維纜的直徑相當細小。在地下導管充塞的城市中作為電話網具有極大價值。它們的重量比銅纜為輕，對於必須限制重量的飛機和人造衛星是一項寶貴的資產。最後和最重要的是，纖維可以廉價生產。

此外，光學纖維纜可以作為擴展現存通訊網的工具。對一般人說來，這意味到減緩電話費的上揚和打電話較為容易。

在長期的展望上，它的裨益更令人鼓舞。以連貫的光傳送大量資料的可能性現時尚未充分開發。為了實現這種潛能，一項稱為「集成光學」的新分野已在1969年展開。其中包括使雷射完全小型化以及使細小的光線回路連結光學配件。

關於新式和引人入勝的通訊方法已有許多構想。例如私人住宅裝上光學纖維纜以代替電話線，以電視聯絡新的集中服務如電腦化的圖書館、教育中心、銀行、醫療中心、商店等。藉著這種設備，一個人可從自己家中撥電話給電腦化的圖書館選一本書，然後在電視幕上閱讀，或者打電話給銀行要求展示他最近的經濟報告。家庭主婦安坐家中就可用打字電報機列出購物單在電視幕上，然後按鈕轉播給超級市場定購。錄影電話也可使你見到在電話中與之交談的人！

顯然，光的強大通訊能力會有許多新方面在將來展開。隨著光波系統開始從實驗室的研究階段進入實用階段，它會為人帶來許多裨益。當我們考慮到這一切，便會了解光本身的奇妙複雜性質。不錯，創造物的無盡寶藏正是安排來滿足人的獨創能力和內在求知慾的。——詩篇145:16。

［第14頁的圖解］

（排版後的式樣，見出版物）

全內向反射的原理

玻璃

部份透過的光

密度較大的玻璃

在深角度的光束

部份反射的光

玻璃

密度較大的玻璃

在淺角度的光束

全反射的光

玻璃纖維的導光方法

射入淺角度的光線沿著核心曲折地前進

玻璃罩

密度較大的玻璃核心