材料科学的骄子

材料科学的骄子——光导纤维

1993年9月，美国政府宣布实施“国家信息基础设施计划”，也就是我们现在所熟悉的“信息高速公路”。这项大规模计划的目的是建立一个能提供海量信息的，由通信网络、多媒体联机数据库以及网络计算机组成的一体化高速网络，向人们提供图、文、声、像信息的快速传输服务，并实现信息资源的高度共享。

“信息高速公路”向人们展示了一幅幅诱人的画面：

居家办公。你可以利用家庭计算机网络和办公自动化系统，完成所承担的工作任务；而多媒体会议系统也将会议厅搬进了家里——你可以与世界各地的与会者顺畅交谈。

网络购物。通过互联网你可以浏览到世界各地的商品，并且利用电子结算或信用卡付账，可以轻松完成交易。

远程教育。有了“信息高速公路”你就不用为出门上学而烦恼了。互联网络实现了教师、媒体、学生的自主交流，任何人均可享用网上的教育资源，完成各级教育，且无需任何资格限制。

视频点播。你可以再也不必坐在电视机前等待自己喜爱节目的开始，也不用为错过一次精彩的足球赛而懊恼。交互式播放系统允许观众随时向网上视频信息库点播自己喜欢的任何节目，还可以按观众的要求选择相应的材料播放，由观众设计影视作品情节的发展。

建设“信息高速公路”的主要建筑材料是光导纤维。这种信息高速公路，彻底改变了人类的工作、学习和生活方式，使人们进入信息时代，同时也确立了光导纤维在信息时代的地位。

光导纤维简称光纤，是一种比头发丝还细的玻璃纤维或塑料纤维，主要用于传导光信号。且利用光导纤维进行远距离通信的效率非常惊人，要比电缆高10亿倍以上，那么它的工作原理又是怎样的呢？

光纤主要由芯线和包层两部分组成。利用光能够在折射率相差较大的两种物质界面产生全反射，且全部反射回折射率大的物质中的原理，一般将芯线用高折射率的材料，包层用低折射率的材料。这样进入芯线的光线在芯线与包层的界面上作多次全反射而曲折前进，不会透过界面，仿佛光线被包层紧紧地封闭在芯线内，使光线只能沿着芯线传送。就好像自来水只能在水管里流动一样，光就沿着光纤顺利前进了。

但是，光在任何物质中传导都会不断地衰减，且距离越长衰减越多。实验表明：通过长一公里的光导纤维中的光束，至少要有30%在另一端出现才有实用价值，其中的关键问题是要有超纯的质量很高的玻璃纤维材料。人们用超纯石英或特种光学玻璃拉成极细的丝，直径和一根头发丝差不多。这种玻璃的纯度极高，杂质的含量不超过几亿分之一，它相当于在1000吨纯净物质中，落入1克的杂质。高纯纤维的出现，给光纤通信事业的发展提供了极有利的条件。

那么，光纤通信是怎样进行的呢？光纤通信是先把声音转换成能代表声音变化的电信号，然后把它放大，再用这经过放大的电信号来控制激光器发光，使激光器发出来的激光的亮度也随着代表声音的电信号来变化。这样，激光器就把代表声音的电信号转换成相应的光信号。通过光导纤维传送到接收的那一头以后，由于接收设备里有一个对光非常敏感的光电管，可以把接收来的光信号转换成电信号。这样，代表声音的光信号就被转换回来，再放大以便送到听筒引起膜振动，就能听到跟发送端一样的声音了。与普通电缆相比，光纤通信的优点是显而易见的。

首先，应用光纤可以节省大量有色金属。例如，1000公里长的中同轴电缆，大约需铜5万吨，铅20万吨；采用光导纤维，只需几十公斤石英玻璃拉成1000公里的光导纤维即可。

第二，通信容量大。将来，一对光纤通信可以通上百万路的电话。光纤通信之所以会有如此大的容量，是因为光纤通信用来传送信息的红外线频率有几十万亿赫兹，比普通电缆里的载波频率高几十万倍。

第三，通信距离远。由于光传输的衰减性，一般都要在传输中建中继站。而1800路同轴电缆的中继距离是6公里左右，1920路光缆的中继距离一般在12公里以上。因此，光纤通信在建设远距离通信线路时，可以节省很多费用。

第四，应用光纤通信抗电磁干扰能力强。光导纤维是石英玻璃丝，里面传送的是光信号，这样，就是把它平行铺设在高压电线和电气铁路附近，也不会像金属电缆那样受到电磁干扰。另外，信号在远距离传输过程中，噪声不会积累。所以，光纤通信除了可以在邮电通信部门使用外，还适合在铁道、电子等部门使用。

另外，用光纤制成的光缆还有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、成本低等的优点。光纤通信与数字技术及计算机结合起来，可以用于传送电话、图像、数据、控制电子设备和智能终端等，起到部分取代通信卫星的作用。

光导纤维的特性决定了其广阔的应用空间。除广泛应用在邮电通信外，光导纤维还被应用在军事、经济、科学技术、文化和人民生活等各个方面。

在医学上，可以利用光导纤维又细又软的特点制成内窥镜，用于观察食道、胃等内脏的病变情况；光导纤维还应用在外科激光手术上，可以将激光传递至手术部位切除癌瘤组织，而不必切开皮肉，与传统的手术相比，把病人的痛苦减小到极限程度。

在照明和光能传送方面，利用光导纤维进短距离可以实现一个光源多点照明，光缆照明，可利用塑料光纤光缆传输太阳光作为水下、地下照明。由于光导纤维柔软易弯曲变形，可做成任何形状，以及耗电少、光质稳定、光泽柔和、色彩广泛，是未来的最佳灯具，如与太阳能的利用结合起来将成为最经济实用的光源。今后的高层建筑、礼堂、宾馆、医院、娱乐场所、甚至家庭依据都可直接使用光导纤维制成的天花板或墙壁，以及彩织光导纤维字画等，也可用于道路、公共设施的路灯、广场的照明和商店橱窗的广告。此外，还可用于易燃、易爆、潮湿和腐蚀性强的环境中不宜架设输电线及电气照明的地方作为安全光源。

在国防军事上，光导纤维也有广泛的应用。可以用光导纤维来制成纤维光学潜望镜，装备在潜艇、坦克和飞机上。

随着科学技术的发展，光导纤维的应用将越来越广泛。然而，现在的光导纤维大多是石英制成的，不仅加工较困难而且价格高。为此，科研人员正在设法减小有机玻璃的光衰。这样，廉价的有机玻璃就可代替石英用于光纤，这无疑又是光纤发展史上的一次重大革命。