现代通讯革命—光纤的风采

人们在日常生活中都知道光线只能直线前进，要使光线改变前进的方向，通常要借助于反射镜。有什么简单的办法能使光线弯曲前进呢？经过长期的实践研究，科学家终于找到一种特殊结构的纤维。当光线从它的一端射入，它能把入射的大部分光线传送到它的另一端，这种能传输光线的纤维叫光导纤维。玻璃材料在透明度、抗化学腐蚀、抗温度变化等方面都比其他材料优越，而且又比较容易拉丝，大量生产。所以人们一开始就选用玻璃材料来制造光导纤维，不过作为传导光线用的玻璃纤维，无论是材料和制造工艺上都比普通的玻璃纤维要求高的多。光导纤维的结构大体上有两类，一类是芯皮型结构光纤。取这种结构的光纤，把它切断在显微镜下观察，就可发现它的断面很像胡萝卜。
     中央有一个芯，芯的直径只有几十微米，芯的四周是一圈包皮。芯是用折射率高的透明玻璃材料做成的，包皮是用折射率低的玻璃或塑料做成的。这样可使光在不同折射率的两种玻璃分界面上产生全反射。外层低折射率的玻璃既作为光导纤维的光学绝缘介质，使光线不会从纤维中跑出去，同样也保持内芯外表面不致被弄脏。另一类光导纤维叫自聚焦纤维，它的传光原理和芯皮型结构的纤维不同。这类光导纤维好像是由许多微型透镜组成的，它能迫使入射光线逐渐自动的向纤维的中心轴方向靠拢，进行聚焦，因此光线就不会从光导纤维中漏出去。光导纤维的发现，是一个重大发现，将引起一系列技术革命。光纤通讯是当代新技术革命的特征之一，也是“信息社会”的一个重要标志。光纤通讯与目前通用的电气通讯相比有许多优越的地方。光线通信容量比电气通信大10亿倍，一根比头发丝细的光纤就可输传几万路电话或几千路电视。光纤通讯不特别适合于电视、图像和数字的传送。它将深入影响人类社会生活，引起信息传输和通信功能的革命，因此有人把光纤叫做“信息传输的动脉”。光线通讯还有一个重要的优点，那就是保密性特别好。
     我们知道在通讯中，敌方的“窃听”是一个严重存在的问题，简直是防不胜防。而在光纤通讯中，以光波传递信号，不仅信号之间干扰很小，而且可以实现密码通讯，这种密码通讯由于是在玻璃纤维中传递，因此保密性极高，不怕“窃听”，也不易被敌人破译。因此，它一出现，便受到保卫部门的高度重视和欢迎，它成了保密通讯中反窃听的法宝。现在，它已被用在航空、军事等方面，显示出优良的性能。美、日、英、法等国已经宣布，今后建设长途通讯干线不再使用电缆而采用光缆。预计到本世纪末，全世界光纤通讯将获得巨大的发展。我国在光纤通讯方面也做了大量工作，并取得很大成绩，已先后在上海、北京、南京等地铺设了光纤通讯线路，现在正在积极铺设上千公里的光纤通讯线路。一个光纤通讯代替电气通讯的时代已经为期不远了！医生看病时，最好让医生能亲眼看到生病的地方。然而，病人体内一些细小的部位，怎样才能使医生看得到呢？
     于是，人们又想到了镜子。不过这不是普通的镜子，而是近几年发明的“内窥镜”。制造内窥镜的主要材料，也是光导纤维。这种光导纤维与普通的光导纤维不一样，它是一种新型的复合光学材料——有机光导纤维。它的中心材料是用高度透明的有机玻璃、腈纶做的，直径一般是0.005～0.1毫米，相当于一根头发丝的 1/50；外面包的涂层是折射率低的聚四氟乙烯、聚丙烯腈等。这种复合材料具有光导纤维原来的各种优点，再加上柔软性特别好，能任意弯曲，而且可以多次弯曲，利用它制成又细又长柔软的光缆，光缆的顶端带上一个特殊的镜头，就构成了特殊医用的内窥镜。不过镜头也是用复合光导纤维做的。内窥镜好比在病人体内给医生长了一只眼睛，可以看到体内的细微病变。然而，它的功能远不止“眼睛”的功能。如果把内窥镜的镜头稍加改进，可以安上微型手术刀，就可在体外通过观察进行体内一些小手术，大大减轻了病人的痛苦，同时既安全，又迅速。内窥镜的光导纤维的特性还在被继续研究，不断完善和扩大它的功能，它将成为医疗器械中一个先进优越的系列。光导纤维还广泛应用于传感技术中。
     目前已生产的各种光纤传感器已有六七十种。根据它们的工作原理，大体可分为两大类。一类传感器是采用对外界信息较敏感和具有检测功能的光纤作为传感元件。这一类传感器称为功能型传感器。在另一类传感器中，光纤仅作为传播光线的介质，对外界信息的“感觉”的功能是依靠其他功能元件来完成的，这类传感器称为传光型传感器。传光型传感器比较简单，目前正在使用的光纤传感器中，这种类型的传感器占绝大多数。另外，科学家们还正在研究光纤传声传感器，它是一种功能型传感器。人们发现光纤即使受到一点微小的外力，也会产生弯曲，使它的传光能力发生很大变化。声音是一种机械波，它能使光纤受力产生微小弯曲。探测光线经过微小弯曲的纤维后的变化，就可知道声音强弱。这种光纤声传感器实际上就是一种光纤声纳。这种光纤声纳在军事上有着重要的应用，用它可以测定敌舰、潜艇的方位和距离。光导纤维，神啦！