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　　今日推荐：《奇妙的发明》 作者：李楠;金昌海;崔今淑。搜索书名开始观看吧～

　　

　　-----精选段落-----

　　一物理大发明

　　他们发现，在电解液下面的锗表面会形成氧化膜，如果在氧化膜上蒸镀一个金点作为电极，有可能达到同样的目的，然而，这一方案实现起来也有困难。

　　最后，他们决定在锗表面安置两个靠得非常近的触点，近到大约5×10－3厘米的样子，而最细的导线直径都有10×10－3厘米。实验能手布拉坦想出一条妙计。他剪了一片三角形塑料片，并在其狭窄而平坦的侧面上牢固地粘上金箔，然后用刀片从三角形塑料片的顶端把金箔割成两半。再用弹簧加压的办法，把塑料片和金箔一起压在锗片上。于是，他做成了世界上第一只能用于音频的固体放大器。他们命名为晶体管(transistor)。这一天是1947年12月23日。接触型晶体管诞生了。

　　接着，肖克利又想出了一个方案。他把n型半导体夹在两层p型半导体之间。1950年4月他们根据这一方案做成了结型晶体管。

　　亲爱的朋友们，以上讲了晶体管的发明经过，从这段史实中，你能否指出，是谁发明了晶体管？谁又是最主要的发明者？是巴丁？是肖克利？还是布拉坦？应该说，他们都是。功劳应归于他们这个集体，他们所在的固体物理学小组。晶体管是他们的集体创造。我们不必纠缠于争论谁的功劳大，但至少可以由此得到一条信念：科学是人类集体的事业，是人们以各种方式，包括有形的和无形的，进行协作的产物。

　　原子钟的发明

　　大家知道，在计量单位制中，除了长度和质量外，还有一个基本物理量，那就是时间。

　　微波激射器发明后，人们已经认识到可以利用其极为精确的计时功能制造原子钟。原子钟的发明是在新长度基准之外又一件量子计量技术的成果。它使计时技术发生了革命性的变化。要知道，时间的计量对人类的生活有着不可估量的意义。

　　日出而作，日入而息，铜壶滴漏，日晷影移，这是原始的时间计量。古人就据此建立了各种可靠的计时标准。

　　在人类观察到的自然现象中，以天空中发生的现象为最明显，也最有规律，所以很自然地自古以来人们就以地球自转周期作为时间的量度基准，这就是所谓的太阳日。最初秒的定义就是1秒＝1/86400平均太阳日。但是由于地球自转并不均匀也不稳定，1960年国际计量大会确认，把时间基准改为以地球围绕太阳公转为依据，即：把秒定义在1900年地球绕太阳沿轨道运行一周所需时间的1/31556925.9747。这一数据之所以有如此之高的精确度，是因为这个结果是通过为期数年的一系列天文观测获得的。

　　然而根据这个定义很难对秒本身进行直接比较。正好在这期间，时间和频率的测量技术有了很大发展，1967年第十三届国际计量大会重新规定了时间单位的定义：“秒是铯133原子基态的两超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。”

　　这么精确的数据是从哪里来的？应该说：这是原子物理学工作者长期研究的成果，是40年代、50年代发明原子钟的重大收获。

　　大家知道，对于一个周期性系统来说，其周期与频率是互为倒数的。以周期作为时间计量单位实际上就是以频率作为计算时间的依据。原子在能量差为ΔE的两个能级之间跃迁时，将会放出或吸收电磁波，其频率ν＝ΔE/h(h即普朗克常数)。如果能够控制原子只在某两个特定能级之间跃迁，就有可能获得与之相对应的特定跃迁频率。如果这一频率非常稳定，就有可能被选定充当原子频率标准。

　　我们从光谱仪就可以测出原子光谱每一根谱线的频率，不过，原子光谱的谱线往往不是一根线，而是由若干更细的线组成。只要光谱仪的分辨率提高就可以观察到，这叫做光谱的精细结构。实际上精细结构还可以再分解，如果有分辨率更高的光谱仪，特别是在磁场的作用下，可以进一步观察到精细结构里还有更精细的结构，这叫做超精细结构。原子光谱的超精细结构早在1928年就有人观察到了。实验表明，基态的超精细结构跃迁频率不易受外界磁场的影响，相当稳定，以之作为频率标准是适宜的。

　　早在1940年，美国物理学家拉比就预见到铯133的超精细结构有可能作为频率计量的基准。铯133有三个特点：一是超精细结构的裂距量大，达9.2GHz，测量的精确度也很高，可达10－5。二是碱金属原子结构都很简单，属于单电子原子，和氢原子有类似性质，原子光谱的规律最明显，而铯是碱金属稳定元素中最重要的一员，原子质量大，则多谱勒频移小，谱线宽度随之减小，因此可得更高的精确度。三是铯在自然界中仅有一种同位素，即铯133(133Cs)，这是最有利的条件。所以拉比首选铯作为原子钟的工作物质。

　　美国物理学家拉姆齐(N·F·Ramsey)当时正好在哥伦比亚大学随拉比做博士论文，题目是《用原子束方法研究分子的旋转磁矩》。他记得在拉比小组中曾讨论过用铯133的超精细结构测量频率的可能性。拉比还建议美国国家标准技术局研制原子钟，后因条件尚不成熟而搁置。

　　第二次世界大战中，由于雷达的广泛应用，微波电子技术有了长足进展，用感应法和吸收法相继发现了核磁共振，人们认识到，用原子钟来计时的时代已经不远了。

　　原子束实验装置素以结构复杂、设备庞大著称，因为它既需要加热，又需抽高真空，还要有强大的射频场和特殊要求的磁场，使分子束或原子束发射，聚焦、选场、激发和检测。怎样才能简化这些设备呢？这是物理学家大伤脑筋的问题。特别是为了减小谱线宽度，还必须采取某些特殊的措施，使事情更复杂化。根据理论分析，得知谱线宽度与振荡场区的长度成反比。这个振荡场区要求保持均匀的微波场和磁场。振荡场区的长度越长，谱线宽度就越窄，频率计量的精度就越高。但是，实践的结果并不尽如人意。振荡场区加长，又会遇到新的问题，射程长了，原子束的强度大减，而且难以保证磁场均匀，所以加大长度，谱线反而增宽。

　　拉姆齐和大家一样，也在为这个问题做各种探讨。他当时正在哈佛大学教物理光学课，正当他在为谱线增宽的问题苦思之际，迈克耳逊的测星干涉仪的设计思想启发他找到了一条绝妙的方法。

　　迈克耳逊的测星干涉仪是20世纪20年代初颇引人注目的一项成果。他在加州威尔逊山天文台的2.54米天文望远镜上加了两道反射镜，形成两翼，相距6米，利用两翼的光束互相干涉，从而测星体的角直径，结果把望远镜的角分辨率加大了几十倍，第一次测出了星体的角直径，解决了过去用望远镜一直没有解决的问题。相距6米的反射镜相当于把望远镜的口径加大6米，实际上即使成了这样庞大的望远镜，也可能无法保证干涉条纹的清晰度。后来，迈克耳逊的设计方案被人们写进了教科书，拉姆齐在教光学时当然会涉及这个问题。

　　可不可以也用类似的办法来改造原子束的振荡场呢？经过计算，证明在振荡场的两端用两条狭窄的振荡区即可代替整个振荡场，只要两端的驱动微波同相位，整个场的不均匀性就不会影响共振曲线的宽度，反而可以使宽度窄40%。这一设计思想立即使铯原子钟获得了成功的希望。1952年第一台应用分离振荡场方法的铯原子钟在美国国家标准技术局问世，频率宽度是原来的方法的十分之一，接着，英国国家物理实验室也于1955年建立了原子钟，3年后他们发表了精确的结果：铯133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射频率为9192.631770MHz。这一频率后来在1967年被第十三届国际计量大会正式用来定义时间的基准。秒的新定义就是这样产生的。

　　激光器的发明

　　这里指的是20世纪的一项重要发明——微波激射器。另一个新名词大家也许早就熟悉，所谓镭射，就是我们常常说到的激光。

　　晶体管的发明，它是第二次世界大战后最激动人心的科技产物，对20世纪后半叶人类社会的发展和物质文明的进步有极大的推进作用。然而，无独有偶，就在这个时期，又孕育了另一项重大的科技发明，那就是脉泽和激光。在脉泽和激光的发明中，运用了20世纪量子理论、无线电电子学、微波波谱学和固体物理学的丰硕成果，也凝聚了一大批物理学家的心血。这些物理学家很多是在贝尔实验室工作的，其中最为突出的一位是美国的物理学家汤斯(C·H·Townes)。

　　汤斯是美国南卡罗林纳人，1939年在加州理工学院获博士学位后进入贝尔实验室。二次大战期间从事雷达工作。他非常喜爱理论物理，但军事需要强制他置身于实验工作之中，使他对微波等技术逐渐熟悉。当时，人们力图提高雷达的工作频率以改善测量精度。美国空军要求他所在的贝尔实验室研制频率为24000MHz的雷达，实验室把这个任务交给了汤斯。

　　汤斯对这项工作有自己的看法，他认为这样高的频率对雷达是不适宜的，因为他观察的这一频率的辐射极易被大气中的水蒸气吸收，因此雷达信号无法在空间传播，但是美国空军当局坚持要他做下去。结果仪器做出来了，军事上毫无价值，却成了汤斯手中极为有利的实验装置，达到当时从未有过的高频率和高分辨率，汤斯从此对微波波谱学产生了兴趣，成了这方面的专家。他用这台设备积极地研究微波和分子之间的相互作用，取得了一些成果。

　　1948年汤斯遇到哥伦比亚大学教授拉比(I·I·Rabi)。拉比建议他去哥伦比亚大学。这正合汤斯的心愿，遂进入哥伦比亚大学物理系。1950年起在那里就任正教授。雷达技术涉及到微波的发射和接收，而微波是指频谱介于红外和无线电波之间的电磁波。在哥伦比亚大学，汤斯继续孜孜不倦地致力于微波和分子相互作用这一重要课题。

　　汤斯渴望有一种能产生高强度微波的器件。通常的器件只能产生波长较长的无线电波，若打算用这种器件来产生微波，器件结构的尺寸就必需极小，以至于实际上没有实现的可能性。

　　1951年的一个早晨，汤斯坐在华盛顿市一个公园的长凳上，等待饭店开门，以便去进早餐。这时他突然想到，如果用分子，而不用电子线路，不是就可以得到波长足够小的无线电波吗？分子具有各种不同的振动形式，有些分子的振动正好和微波波段范围的辐射相同。问题是如何将这些振动转变为辐射。就氨分子来说，在适当的条件下，它每秒振动2.4×1010次，因此有可能发射波长为114厘米的微波。

　　他设想通过热或电的方法，把能量送进氨分子中，使氨分子处于“激发”状态。然后，再设想使这些受激的分子处于具有和氨分子的固有频率相同的微波束中，氨分子受到这一微波束的作用，以同样波长的微波形式放出它的能量，这一能量又继而作用于另一个氨分子，使它也放出能量。这个很微弱的入射微波束相当于起着对一场雪崩的触发作用，最后就会产生一个很强的微波束。这样就有可能实现微波束的放大。

　　汤斯在公园的长凳上思考了所有这一切，并把一些要点记录在一只用过的信封的反面。汤斯小组历经两年的试验，花费了近3万美元。1953年的一天，汤斯正在出席波谱学会议，他的助手戈登急切地奔入会议室，大声呼叫道：“它运转了。”这就是第一台微波激射器。汤斯和大家商议，给这种方法取了一个名字，叫“受激辐射微波放大”，英文名为“Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”，简称MASER(中文音译为脉泽，意译为微波激射器)。

　　脉泽有许多有趣的用途。氨分子的振动稳定而精确，用它那稳定精确的微波频率，可用来测定时间。这样，脉泽实际上就是一种“原子钟”，它的精度远高于以往所有的机械计时器。

　　1957年，汤斯开始思索设计一种能产生红外或可见光——而不是微波——脉泽的可能性。他和他的姻弟肖洛(A·L·Schawlow)在1958年发表了有关这方面的论文，论文的题目叫《红外区和光学脉泽》，主要是论证将微波激射技术扩展到红外区和可见光区的可能性。

　　肖洛1921年生于美国纽约，在加拿大多伦多大学毕业后又获硕士和博士学位。第二次世界大战后，肖洛在拉比的建议下，到汤斯手下当博士后，研究微波波谱学在有机化学中的应用。他们两人1955年合写过一本《微波波谱学》，是这个领域里的权威著作。当时，肖洛是贝尔实验室的研究员，汤斯正在那里当顾问。

　　1957年，正当肖洛开始思考怎样做成红外脉泽器时，汤斯来到贝尔实验室。有一天，两人共进午餐，汤斯谈到他对红外和可见光脉泽器很感兴趣，有没有可能越过远红外，直接进入近红外区或可见光区。近红外区比较容易实现，因为当时已经掌握了许多材料的特性。肖洛说，他也正在研究这个问题，并且建议用法布里-珀罗标准具作为谐振腔。两人谈得十分投机，相约共同攻关。汤斯把自己关于光脉泽器的笔记交给肖洛，里面记有一些思考和初步计算。肖洛和汤斯的论文于1958年12月在《物理评论》上发表后，引起强烈反响。这是激光发展史上具有重要意义的历史文献。汤斯因此于1964年获诺贝尔物理学奖，肖洛也于1981年获诺贝尔物理学奖。

　　在肖洛和汤斯的理论指引下，许多实验室开始研究如何实现光学脉泽，纷纷致力于寻找合适的材料和方法。他们的思想启示梅曼(T·Maiman)做出了第一台激光器。

　　梅曼用一根红宝石棒产生间断的红光脉冲。这种光是相干的，在传播时不会漫散开，几乎始终保持成一窄束光。即使将这样的光束射到32万千米之外的月球上，光点也只扩展到两三千米的范围。它的能量耗损很小，这样，人们就自然想到向月球表面发射光脉泽束，以绘制月面地形图，这种方法远比以往的望远镜有效得多。

　　大量的能量聚集在很窄的光束中，使它还能用于医学(例如在某些眼科手术中)和化学分析，它能使物体的一小点汽化，从而进行光谱研究。

　　这种光比以往产生的任何光具有更强的单色性。光束中的所有光都具有相同的波长，这就意味着这种光束经调制后可用来传送信息，和普通无线电通信中被调制的无线电载波几乎完全一样。由于光的频率很高，在给定的频带上，它的信息容量远大于频率较低的无线电波，这就是用光作载波的优点。

　　可见光脉泽就是现在大家熟悉的激光，激光的英文名字也可音译为镭射(laser)，laser是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”(受激辐射光放大)的缩写。

　　梅曼是美国休斯研究实验室量子电子部年轻的负责人。他于1955年在斯坦福大学获博士学位，研究的正是微波波谱学，在休斯实验室做脉泽的研究工作，并发展了红宝石脉泽，不过需要液氮冷却，后来改用干冰冷却。梅曼能在红宝石激光首先作出突破，并非偶然，因为他已有用红宝石进行脉泽的经验多年，他预感到用红宝石做激光器的可能性，这种材料具有相当多的优点，例如能级结构比较简单，机械强度比较高，体积小巧，无需低温冷却，等等。但是，当时他从文献上知道，红宝石的量子效率很低，如果真是这样，那就没有用场了。梅曼寻找其他材料，但都不理想，于是他想根据红宝石的特性，寻找类似的材料来代替它。为此他测量了红宝石的荧光效率。没有想到，荧光效率竟是75%，接近于1。梅曼喜出望外，决定用红宝石做激光元件。

　　通过计算，他认识到最重要的是要有高色温(大约5000K)的激烈光源。起初他设想用水银灯把红宝石棒放在椭圆形柱体中，这样也许有可能起动。但再一想，觉得无须连续运行，脉冲即可，于是他决定利用氙(Xe)灯。梅曼查询商品目录，根据商品的技术指标选定通用电气公司出产的闪光灯，它是用于航空摄影的，有足够的亮度，但这种灯具有螺旋状结构，不适于椭圆柱聚光腔。他又想了一个妙法，把红宝石棒插在螺旋灯管之中，红宝石棒直径大约为1厘米、长为2厘米，正好塞在灯管里。红宝石两端蒸镀银膜，银膜中部留一小孔，让光逸出。孔径的大小，通过实验决定。

　　就这样，梅曼经过9个月的奋斗，花了5万美元，做出了第一台激光器。可是当梅曼将论文投到《物理评论快报》时，竟遭拒绝。该刊主编误认为这仍是脉泽，而脉泽发展到这样的地步，已没有什么必要用快报的形式发表了。梅曼只好在《纽约时报》上宣布这一消息，并寄到英国的《自然》杂志去发表。

　　梅曼发明红宝石激光器的消息立即传遍全球。接着又诞生了氦氖激光器。

　　氦氖激光器是这三四十年中广泛使用的一种激光器。它是紧接着固体激光出现的一种以气体为工作介质的激光。它的诞生首先应归功于多年对气体能级进行测试分析的实验和从事这方面研究的理论工作者。到60年代，所有这些稀有气体都已经被光谱学家做了详细研究。

　　不过，氦氖激光器要应用到激光领域，还需要这个领域的专家进行有目的的探索。又是汤斯的学派开创了这一事业。他的另一名研究生，来自伊朗的贾万(Javan)有自己的想法。贾万的基本思路就是利用气体放电来实现粒子数反转。

　　贾万首选氦、氖气体作为工作介质是一极为成功的选择。最初得到的激光光束是红外谱线1.15微米。氖有许多谱线，后来通用的是6328埃，为什么贾万不选6328埃，反而选1.15微米呢？这也是贾万高明的一着。他根据计算，了解到6328埃的增益比较低，所以宁可选更有把握的1.15微米。如果一上来就取红线6328埃，肯定会落空的。

　　贾万和他的合作者在直径为1.5厘米、长为80厘米的石英管两端贴有13层的蒸发介质膜的平面镜片，放在放电管中，用无线电频率进行激发。为了调整两块平面镜的取向，竟花费了6～8个月的时间。1960年12月12日终于获得了红外辐射。

　　1962年，贾万的同事怀特和里奇获得了6328埃的激光光束。这时激光的调整已积累了丰富经验。里格罗德等人改进了氦氖激光器。他们把反射镜从放电管内部移到外部，避免了复杂的工艺。窗口做成按布鲁斯特角固定，再把反射镜做成半径相等的共焦凹面镜。

　　氦氖激光器一直到现在还在应用，在种类繁多的各种激光器中，氦氖激光器也许是最普及、应用最广泛的一种。在红宝石激光器和氦氖激光器之后，接踵而至的是效率更高、功率更大的激光器——二氧化氮激光器和经久耐用、灵巧方便的半导体激光器，它们像雨后春笋一般涌现了出来，成了现代高科技的重要组成部分。

　　光导纤维的发明

　　光通信是一门既古老又年轻的科学技术。说它古老，是因为早在古代就有利用光传递信息的记录。我国的周朝，就曾经用“烽燧”来传递敌人入侵的信息，距今已三千余年。航行中利用旗语和灯光传递信息，也有几百年了。1880年发明电话的贝尔就曾经进行过光通信的实验。

　　可见，用光传递信息远比用电传递信息的历史来得悠久，当然所有这些都只是在空气中传递光的信息。说它年轻，是因为光通信真正成为现实，还是近三十多年的事情，只是在激光器出现之后，电缆通信和无线电通信已显示出许多不足，采用光学方法代替电学方法传递信息才成为当务之急。于是，以光导纤维(简称光纤)为核心的光纤通信技术就应运而生。

　　作为一门高新科技，光纤通信可以说是物理学、化学、电子学、材料科学等学科的综合产物，在当代高新科技中具有特殊的地位。我国国家科学发展规划，把光纤通信和计算机、生物工程等项目并列为技术革命的重点，就可见其重要性。

　　光纤通信是现代信息传输的重要方法之一。它的特点是：容量大，保密特性好，抗干扰性能强，中继距离大，节省铜材等。

　　光纤一般是由同心圆柱形的双层透明介质，主要是石英玻璃之类的介质组成，石英玻璃实际上就是二氧化硅(SiO2)。介质的内层叫纤芯，外层叫包层，纤芯的折射率高于包层，光纤拉成细丝，其直径约为数微米，包层直径为125微米。多根光纤组成光缆，结构与电缆差不多，其制造方法和环境要求也与电缆类似。

　　值得特别向读者介绍的是，英籍华裔科学家高锟(Charles Kao)的开创性工作对这项重大课题的解决具有决定性的意义。

　　1966年，高锟和他的合作者霍克汉(G·A·Hockham)在进行一系列理论和实验研究之后，发表了一篇著名论文，提出用光纤进行长距离通信的建议。他们预言光波导材料的衰减率有可能从当时的每千米1000分贝(即1000dB/km)降低到每千米20分贝(即20dB/km)，他们证明单模光纤每秒有可能传送10亿位数字信号，并论证了单模光纤的要求和特性。这两位科学家以敏锐的洞察力，勾画出了尚未出现的技术蓝图。他们认为最艰难的任务是研制损耗低于20dB/km的光纤材料。这一指标在1966年实在难以实现，但是在高锟的激励下，仅仅过了4年，就有人宣布达到了这个指标。从此，光纤通信技术蓬勃发展，而高锟和霍克汉的这篇著名论文就成了光纤通信领域的里程碑。

　　高锟1933年生于上海，1957年获伦敦大学物理学士学位，1965年获博士学位，1957～1960年任英国标准电话和电缆公司工程师，1960～1970年转到英国标准电信实验室(STL)任职。就在这里，他和霍克汉在微波技术专家卡博瓦克(T·Karbowiak)的领导下，对微波波导开展研究，并在卡博瓦克引导下，转向光波波导的研究。

　　应该说明，纤维光学并非他们首创。大家知道，光从光密媒质(折射率大)射向光疏媒质(折射率小)时，如果入射角大于临界角，就会发生全反射。光导纤维就是根据这个原理。早在1910年，著名物理学家德拜(P·Debye)和他的合作者洪德罗斯(Hondros)就对介质波导做了详尽的理论分析。到了50年代，用玻璃做成可弯曲的光束管道，可以使医生能够看到人体内部，这就是所谓的内窥镜，直到现在还有广泛应用。然而，内窥镜采用的光纤是玻璃制品，其衰减率大于1000dB/km，只适用于长度不超过1～2米的仪器传光传像，根本不能用于长距离通信。即使在1960年发明了激光器之后，用激光器作光源，由于光纤的衰减率如此之大，也无法利用光纤进行长距离通信。

　　激光器的发明使人们对历史悠久的光学刮目相看。完全有理由相信，以激光为主体的光通信时代即将到来，这一认识促使人们加强对光通信的研究。当时微波已经是远距离通信，包括电视和电话的重要媒介。而微波既可经空气传送，也可经波导传输。人们很自然地想到激光也应该能够像微波那样，经空气直接传送或经空腔光学波导传输。人们普遍认为，只要把微波技术扩展到光传输，就可实现远距离光通信。例如，美国贝尔电话公司的贝尔实验室就在致力于这方面的研究，当时高容量电话系统是靠微波在一系列塔架之间从空气中传送，就像多年来一直在用的微波电视传送一样，贝尔实验室的科学家用激光器做了一个模拟器，建在新泽西州的赫尔姆戴尔(Helmdel)的主实验室和附近的克罗福德山实验室的屋顶之间，经过多次试验，没有取得预期效果。他们很快发现，空气并不像看起来那样纯净，雨、雪或浓雾都能使信号强度大大衰减，例如：经过2.6km的路程信号竟衰减了60dB以上。显然，从空中直接传送光信号很难满足高容量通信的需要。

　　贝尔实验室同时还在进行另一套试验方案。从1950年开始，微波工程师米勒(S·E·Miller)就带领一个小组在克罗福德山研制一种空腔波导，专门用于60GHz的微波(频率为60GHz的微波，其波长约为5毫米，所以也叫毫米波)，这种微波在空气中衰减很快，因此采用波导管进行传输。他们的毫米波导管内径是5cm，传输的是单模，以毫米波为载体，把语言数字化，并通过毫米波导管传输，其能力为160Mbit/s(兆比特/秒)。米勒小组相信，把空腔波导概念推广到光波领域，有可能形成下一代新的通信技术。许多有名望的通信工程师也都是这样想的。

　　然而，问题并不像人们想象的那样简单。大家知道，光波波长约为1微米，比毫米波波长小千倍，如果光波波导按比例缩小，就必须把空腔波导管的直径做成10微米以下，而这个要求是难以实现的。如果波导管的直径过大，传送的光波只能是多模的，这样就很不利于光的传播。但米勒小组并不把这当成障碍，理论上讲，他们只需要在波导管中增加许多透镜，周期性地让激光束沿着波导管重新聚焦，就可以克服这一困难。为了消除固体透镜表面不可避免的反射，贝尔实验室试验成功了气体透镜，用波导管中心冷空气和管壁热空气折射率的不同进行聚焦，虽然仍有一些工程问题，但是基本概念已经很清楚了。于是，美国的贝尔实验室就准备在条件成熟后推出以空腔波导为传输手段的光通信技术。这时已是60年代中期了。

　　英国的标准电信实验室(STL)的里弗斯(A·H·Reeves)对通信技术的发展途径有独特的见解。他由于在1937年发明了脉码调制而闻名于世。里弗斯在激光出现时已经是58岁的人了。他富有远见和创造性，在梅曼发明第一台激光器之前就对光通信发生了兴趣，并向正在领导STL微波波导研究的工程师卡博瓦克提出光学研究任务。上面我们提到的高锟和霍克汉就在卡博瓦克的小组中工作。开始他们也是跟美国同行那样，把透镜放在空腔光波导管中进行实验，他们用柔性塑料制成固体介质波导管。这种固体介质波导管在微波系统中可以使用。如果它们的直径按波长的比例缩小，应该也能在光波长范围内工作。然而，用比头发丝还要细的塑料棒传送光波实际上会遇到许多难以解决的问题。

　　1963年卡博瓦克安排高锟和霍克汉研究介质光波导，当时30岁的高锟正在写关于波导研究的博士论文，霍克汉刚大学毕业两年，卡博瓦克认为光导纤维是有前途的，但是他担心材料损耗，所以他鼓励高锟和霍克汉研究他自己设计的一种新颖的平面波导，在这种平面波导中光大体上是沿着外侧传播。高锟和霍克汉测试了卡博瓦克的波导，发现它对弯曲非常敏感，而这正是毫米波导管和空腔光波导管都无法避免的问题。

　　1964年末，新南威尔士大学授予卡博瓦克电气工程的教授职位，这是晋升的大好机会，于是卡博瓦克离开了英国的标准电信实验室，把光学研究课题交给高锟。高锟和霍克汉并没有拘泥于原有的方案，而是把注意力转向光导纤维。他们知道，玻璃纤维细小而且宜于弯曲，比起贝尔实验室的空腔光导管来有很多优越的地方。

　　高锟和霍克汉吸取了斯尼彻(E·Snitzer)的意见，认识到如果包层的折射率比纤芯正好小1%，就可以在较大的光纤中进行单模传输，包层不仅增加了纤维的直径，而且改变了波导的特性，使单模有可能在直径10倍于波长的纤芯中传送。

　　高锟集中精力于难以解决的光学损耗问题，他向光学专家请教，发现杂质导致绝大部分吸收，如果使玻璃变纯将大大减少损耗，剩下的就是约1dB/km的散射损耗，这个数字是缪勒(C·Maurer)在一篇文章中导出的，缪勒后来领导康宁(Corning)玻璃公司做出了首批低耗纤维。霍克汉则致力于研究光纤所需的均匀性。大多数波导系统对直径的微小变化极为敏感，而这变化在真正制造过程中几乎不可避免，但是霍克汉证明机械公差10%足以给出大约1GHz的带宽。

　　1965年11月他们向在伦敦的电气工程师协会(IEE)递交了共同署名的论文，略加修改后，发表在1966年7月的IEE会刊上。论文题名为《用于光频的介质纤维表面波导》。他们在结论中明确地提出了用光导纤维的方案。在高锟两人的论文激励下，美国康宁公司在1970年率先研制出了衰减率低于20dB/km的石英光导纤维，恰好这一年适合于光纤通信之用的光源——双异质结半导体激光器问世。这两项技术的突破立即掀起了研制和使用光纤通信的高潮。此后，光纤的衰减率不断降低，1974年为2dB/km，1979年最低达到了0.2dB/km，而半导体激光器的寿命则大大增加，刚开始只有几小时，1975年为10万小时，1979年则达100万小时。1977年贝尔实验室首先完成了光纤通信的现场试验，全面制备了光纤通信的配套器件，完善了生产工艺，从此光纤通信进入了实用阶段。

　　80年代初，世界各地开通的光纤通信线路已达上千条，除用作电话通信外，也用于数据传输、闭路电视、工业控制、监测以及军事目的。1988年第一条跨越大西洋海底，连接美国东海岸同欧洲大陆的光纤开通。1989年4月，从美国西海岸经夏威夷及关岛，联结日本及菲律宾的跨太平洋海底光缆开通了服务，后来又有第二条跨大西洋海底光缆投入使用。在陆地上的推广应用更是日新月异。许多国家相继宣布，干线大容量通信线路以后不再新建同轴电缆，完全铺设光缆。我国干线系统中比较著名的有南沿海工程，沪宁汉干线，芜湖至九江，京汉广干线等。短距离系统更是不计其数。在武汉、上海、西安、北京、天津等地建立了几家规模较大，水平较高的光纤、光缆制造厂，另外还有一批与之配套的光电子器件工厂及研究所，为光纤通信在我国广泛推广应用打下了基础。

　　时至今日，无线电外差通信正向光外差通信发展，通信设备技术正由微电子集成向光电子集成发展，单频、单波长、单通道正向多波长、多通道、微波负载、波密集光通信发展，电缆通信正在被光缆通信取代。

　　射电天文望远镜的发明

　　物理学和天文学的结合产生了天体物理学，在19世纪末达到了鼎盛时期，当时人们广泛使用天文望远镜观测从天体发来的光谱信息。人们分析这些光谱从而大大扩展了对天体的认识。进入20世纪，无线电开始得到了应用。出乎科学家的预料，无线电工程刚刚发展，就成了天文学的重要工具。到了20世纪中叶，以射电天文望远镜为主要工具的射电天文学已经成为天文学的一个重要分支学科，许多重要天文发现由此产生。一座座射电天文望远镜不分昼夜，在世界各地指向太空，不停地捕捉来自宇宙的信息，其本领远远超过光学望远镜！我们现在就来对射电天文学的发展做些简单的介绍。从中可以看到有关的一些物理学家为射电天文学的发展所做的多项创造性贡献。首先要提到的是宇宙无线电波的发现者，他名叫央斯基(K·G·Jansky)。

　　央斯基是美国人，1928年大学毕业后来到贝尔实验室工作。他当时的任务是研究短波通信的干扰问题。1931年的一天央斯基在研究短波通信干扰时注意到了一种非常微弱的吱吱声。虽然这样微弱的干扰对无线电通信没有实际影响，他完全可以对其置之不理。但是，央斯基本着对宇宙的好奇心，没有放弃这一异常现象。起初，他以为这种噪声可能与太阳有关系。经过反复考察，他发现这些噪声每天总是提前4分钟发生。他一时不明白这一现象的起因。正好央斯基有一位从事天文学的朋友，他在和这位朋友的交往中学到了许多天文知识。他知道：恒星日比太阳日要短4分钟。这使央斯基想起，这个按时出现但却总要晚4分钟的宇宙无线电波不是来自太阳，一定是同某个恒星有关系。央斯基锲而不舍地紧紧地跟踪这微弱的噪声。经过一年的监测，终于找到了这个射电源的方位。他绘出了射电源在宇宙上的坐标。原来，这个射电源在银河系中心附近。

　　这是人类第一次探测到来自太空的无线电波。从此，人类打开了探测宇宙奥妙的又一个窗口……射电天文学从此诞生了。在这之后，射电天文学迅速发展，先后发现了宇宙背景辐射、星际分子、脉冲星和类星体。人们利用射电天文望远镜把自己的视野扩展到100亿光年以外的深远宇宙空间。

　　提起射电天文学的创建和发展，不能不说到英国剑桥大学卡文迪什实验室和在那里工作的两位著名物理学家，他们是赖尔(Martin Ryle)和休伊什(Antony Hewish)。赖尔在射电天文学方面做出了先驱性工作，特别是发明了所谓的综合孔径技术，休伊什则是在发现脉冲星的过程中起了决定性的作用，他们共同获得了1974年诺贝尔物理学奖。

　　赖尔1918年9月27日生于英格兰的一个书香门第的家庭里，很小就对天文学有特殊的爱好。他喜欢独自思考，善于动手，学过木工手艺，长大后参加过制造帆船和航海活动。赖尔的祖父是一位业余天文爱好者，拥有一架10厘米的折光望远镜。据说赖尔小时候曾因思考广袤空间为什么能永恒存在而夜不入寐。在中学时代，他对无线电非常感兴趣，自己动手制造发射机，参加业余无线电爱好者活动站。1936年赖尔进入牛津大学基督教会学院学习物理。他对卡文迪什实验室阿普顿(E·V·Appleton)教授的电离层研究很感兴趣，立志要进到卡文迪什实验室参加电离层研究。1939年，他一毕业就被阿普顿的合作者拉特克列夫(J·A·Ratcliffe)教授招到卡文迪什实验室的电离层无线电研究小组，准备跟随拉特克列夫做博士论文。可是还没有开始就爆发了第二次世界大战。这时战争的需要压倒一切，而雷达和天线的研制又是最急迫的任务。于是，赖尔发挥他对无线电的特长为加强国防出力。在卡文迪什实验室，他开始接触到雷达天线的工作，做了许多模拟试验，还进行过新式天线的设计。不久赖尔应征加入英国空军部研究所，后转电讯研究所工作，他先是从事波长1.5米机载拦截雷达天线系统的研制，并发展了机载定向天线。还参与用于鉴别敌我飞机的机载雷达应答器的研制。1941年初，赖尔负责一个小组，研制厘米波雷达的测试设备，制造了原型的厘米波信号发生器、波长计、功率计和脉冲监视器。

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