走近前沿新材料II：随波逐流的光线──从“光管”到光纤
唐清
中国科学院科技促进发展局
提起光纤，您不会感到陌生，首先就会想到光纤通讯、海底光缆等等。您知道吗？在光纤领域还出了一位有名的华人呢。请看下面这张2010年中国香港邮政发行的小型张，画面右侧这位笑容可掬的先生就是曾任香港中文大学校长大名鼎鼎的高琨教授（图1）。高锟（1933－2018年），生于江苏省金山县（今上海市金山区），华裔物理学家，教育家，光纤通讯与电机工程专家，曾任香港中文大学，被誉为“光纤通讯之父”。他因在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信”方面作出突破性成就而荣获2004年度诺贝尔物理学奖。在他左侧的画面上则是一束点亮的光纤。
大家知道，光纤是一种柔韧的透明纤维，是将玻璃（二氧化硅）或塑料拉成直径略大于人的头发的直径而制成。利用光纤可以实现光信号的远距离信号传输，那么，人们是如何想到利用光纤来传递信息的？利用光纤来传输光信号的现象是谁发现的呢？让我们先回到170多年前的欧洲，来回顾一下当时的人们所做的一个有趣的实验，这就是“光管”实验，也被称为“光喷泉”实验。
那是1842年的一天，一位名叫丹尼尔·科拉东（Daniel Colladon）的法国科学家正猫在巴黎的一个黑屋子里做实验。他准备了一个灌满清水的密不透光的方形水箱，这个水箱有点儿特别，其中一个侧壁上开了一个圆孔，上面镶嵌了一块透明玻璃，而与它相对的另一个侧壁上也开了一个圆孔，与镶嵌玻璃的圆孔遥遥相对，不同的是那里没有安装玻璃，而是塞着一个橡皮塞。科拉东先生把一个光源安装在水箱侧壁的玻璃窗外，打开开关，让光线穿过水箱中的水照射在水箱对面侧壁的塞着橡皮塞子的圆孔处。这时，黑屋子里看不到任何光亮啦。好了，见证奇迹的时刻到了！当科拉东先生把堵在水箱侧壁圆孔上的橡皮塞子拔开时，奇迹出现了！一道晶莹剔透闪着白色亮光的水柱从水箱中喷涌而出，就像从“布鲁塞尔第一公民”——小于连身上射出的浇灭坏人企图炸毁城市的炸药包上的导火索一样，水柱划出一条漂亮的抛物线落到地上的水盆中，神奇的是，光线并不是像我们所想象的，穿过水箱侧壁上的圆孔沿直线前进，而是被困在了水流之中，沿着水流的方向划了一个漂亮的明亮的弧线（图2）！科拉东先生将这一实验称为“光喷泉”或“光管”实验，并于1842年在一篇题为“关于抛物线液体流中的一束光的反射”的论文中首次做了描述。小伙伴儿们看到了吧，这条“光喷泉”或者“光管”就是现代光纤的最古老的原型！
12年后，一位名叫约翰·丁达尔（John Tyndall）的英国科学家，他是一位做“科普”的高手，他在伦敦的公开讲座中演示了“光喷泉”现象，惹得人们一片惊呼！说起“丁达尔效应”，学过物理学的朋友一定不会陌生，恰恰就是这位丁达尔先生发现的。“丁达尔效应”是说，当你在黑暗中用一束光照射一个装满牛奶的玻璃杯时，就会清晰地看到光穿过牛奶时所走过的明亮的路径，当然，这个原理与“光喷泉”现象不同，而是当光照射到牛奶中悬浮着的微小颗粒上所产生的“光散射效应”。
书归正传，“光喷泉”现象或者说光纤工作的原理是什么呢？那就是所谓的“全反射”效应。
“光喷泉”或者光纤正是利用全反射原理来工作的。大家知道，当一束光从水里照射到水面时（称之为“入射光”），光就会“兵分两路”，一路被水面（这是空气和水的界面）反射回水中（称之为“反射光”）；另一路则会偏离入射光一个角度，穿过水面射到空气中（称之为“折射光”）。当不断减小光线与水面的夹角时，你会发现，最终会达到这样的一种状态，那就是折射光与水面平行。继续减小这个夹角，折射光就会彻底消失，不再“兵分两路”，而是“合二为一”只剩下反射光了，这种现象就叫做“全反射”。“光喷泉”和光纤就是利用“全反射”的原理传输光信号的。养鱼的朋友会在玻璃鱼缸贴近水面处观察到鱼儿极其清晰逼真的镜像倒影，这就是“全反射”效应。在这种状态下，光束能量的损耗最小，可以传输的距离最远（图4）。
使用光纤进行通信的优点，首先是信号传输距离远且携带数据量大。大家知道，利用光缆或电缆远距离传输信号的方法，是利用一束载波叠加上所要传输的数据，载波带着数据沿着光缆或者电缆向前传播，直到终点站（信号接收方）。信号在传输过程中随着传输距离的延长而不断衰减，当信号衰减到太弱时，接收一方就无法识别了，因此信号传输都有一定的距离限制。使用光纤要比使用传统的电缆能够传输的距离长很多，同时带宽（是指在固定的时间内通过电磁波载体可携带传输数据的能力，带宽越宽，传输的数据量越大，类似于公路交通中的双车道、四车道、八车道）更高。这就好比一列火车（载波，光波或电磁波），载着旅客（数据信号）沿着一条隧道（光缆或电缆）奔向终点，光缆中的车道要比电缆中要多（带宽更宽）。采用光纤通信技术可以实现远距离通信，现在全球已建成了多条跨越大洋的海底通信电缆（图6为纪念中韩海底光缆系统开通的纪念邮票）。
使用光纤通信的另一个优点是抗干扰。在传统的电缆通信中，电信号之间相互干扰是一个严重问题，电磁波会穿透电缆外皮辐射到空中，不同电缆发出的电磁波相互干扰，严重时会导致传输信号发生改变，导致通信错误。而光纤中的光信号被严格限定在光纤内部，光信号之间互不干扰，相安无事，各行其道。
除了用于通信外，光纤还可用于照明和成像。通常把光纤集结成束，利用它们可将光传输到受限空间中，比如在做微创外科手术时利用纤维内窥镜把光引入人体内部进行照明和成像。特殊设计的光纤还可用于各种其他应用，例如光纤传感器和光纤激光器等。
最后介绍一下高琨先生所做的工作。
从1957年开始，高锟先生即从事光导纤维在通讯领域运用的研究。经过深思熟虑，他于1964年提出在电话网络中以光信号代替电信号，以玻璃纤维代替金属导线的设想。在那样一个电磁技术一统天下的时代，这个想法够超前吧！
1966年，高锟与霍克汉姆发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。他们提出，当玻璃纤维中光的衰减控制在20分贝/千米以下时（分贝是用来衡量随着传输距离延长信号发生衰减的度量单位），将玻璃纤维介质用于传输光信号就具有实用价值，因此每千米信号衰减低于20分贝就成为了光通信的关键门槛值，也称为阈值。这篇论文具有划时代的意义，只要解决好玻璃纯度和成分等问题，就能够利用玻璃制作光学纤维，从而高效传输信息。
然而，当这一设想提出之后，有人称之为匪夷所思，也有人对此大加褒扬。在当时，人们对所能找到的各种玻璃纤维材料进行测定时，沮丧地发现其信号衰减高达每千米1000分贝，有的甚至更高。有了高琨与霍克汉姆的理论作为指导，尽管争论不断，但人们已经明确了努力的方向，开始想方设法探索如何制造低损耗的光纤材料，高锟的设想在争论中也逐步由理想变成了现实：利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广泛，最终在全球掀起了一场光纤通信的革命。毫不夸张地说，如果没有高琨他们的理论作引领，光纤技术及其应用绝对不会发展得如此迅速。
高锟先生在推动光纤通信的工程化和商业化应用方面发挥了主导作用。1969年，他测量了光衰减为4分贝/千米的熔融二氧化硅材料的损耗情况，找到了第一款可用于实用光纤通讯的超透明玻璃材料。在他的全力推动下，1971年，世界上首条1公里长的光纤问世，第一套光纤通讯装置也在1981年正式启用。高琨先生当之无愧地成为了推动光纤通信产业化的开山鼻祖。
在20世纪70年代中期，高锟教授又率先对玻璃纤维的疲劳强度问题进行了研究，这是决定光纤使用寿命的重要技术问题。后来高琨先生被任命为国际电话电报公司首席执行科学家，他倡导启动了“Terabit技术”（“太比特技术”或“兆兆位技术”）计划，以解决信号处理的高频限制问题，为此高锟也被称为“Terabit技术理念之父”。高锟先生因他在光纤通信领域做出的开创性贡献而荣获2004年度诺贝尔物理学奖。
高琨先生的故事告诉大家，任何新技术的发展与应用，都不是一帆风顺的，只有坚持不懈地努力奋斗，才有希望最终到达成功的彼岸。
内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
目 录
随波逐流的光线——从“光喷泉”到光纤
神奇的储氢材料
二氧化钒——会“变身”的智能材料
磁性半导体——控电与磁的神奇材料
量子点——色彩缤纷的纳米
细菌克星——金属家族的银和铜
生物传感器——成就了披上战甲的“钢铁侠”
柔性硅材料——信息技术基石的未来
多孔材料——能够浮在水面上的金属
纳米界的足球一富勒烯
材料基因组工程——材料研发模式的创新与变革
锑化物超晶格——黑暗中的捕光者
隐身材料——让“隐身”不再局限于科幻
液晶——物质存在的第四态
有机光电器件——导电塑料
神奇的缓释控释材料
抗菌纤维
气凝胶——“冻结的烟雾”
了解更多材料大会信息，请点击阅读原文。。