高錕并非光纖之父?看光纖技術(shù)的前世今生
訊石光通訊網(wǎng)
2009/10/14 9:15:03
2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授于了高錕（Charles K. Kao），Willard Boyle和George Smith三位物理學(xué)家。第二張圖片是關(guān)于2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)科學(xué)背景文章的第一頁，所謂“背景”說白了就是，某某人因?yàn)槭裁捶矫娴某删投锚?jiǎng)。Two Revolutionary Optical Technologies（兩個(gè)革命性的光學(xué)工業(yè)技術(shù)），從標(biāo)題不難看出，今年評(píng)委們似乎關(guān)注起光學(xué)技術(shù)來了。
高錕先生的得獎(jiǎng)理由是"for groundbreaking achievements concerning the transmission of lightin fibers for optical communication"，簡單的講就是他在光通信領(lǐng)域取得了突破性的成就。我們?cè)賮砜匆幌铝硗鈨晌坏牡锚?jiǎng)理由，"for the invention of an imaging semiconductor circuit – the CCD sensor"，即Willard Boyle和George Smith發(fā)明了CCD，在當(dāng)今的數(shù)碼成像設(shè)備中都可以找到它，無論是價(jià)值不菲的單反相機(jī)還是不足百元的USB攝像頭，它們的成像原理其實(shí)都是一樣的。
對(duì)比一下這兩段得獎(jiǎng)理由不難看出，光纖并不是高錕先生發(fā)明的，“光纖之父”這一稱號(hào)對(duì)于高錕先生似乎不太適合。一般認(rèn)為，高錕先生是“光纖通信之父”而非“光纖之父”。那被稱為“光纖之父”的人到底是誰呢？經(jīng)過查閱相關(guān)資料，筆者發(fā)現(xiàn)原來是一位印度裔的科學(xué)家Narinder Singh Kapany。
在現(xiàn)代社會(huì)中，光纖得到了極為廣泛的應(yīng)用，比如我們最熟悉的通信光纖，在醫(yī)院做胃部檢查時(shí)使用的胃鏡，甚至街邊小販叫賣的玻璃絲光纖玩具，這些用途完全不同的物品，它們所基于的原理卻是相同的——光的全內(nèi)反射現(xiàn)象。這個(gè)名詞可能讓您感覺費(fèi)解，沒關(guān)系，文章最后筆者將用最直白的方式來說明這一現(xiàn)象。
纖維光學(xué)其實(shí)是一種非常簡單又非常古老的技術(shù)，說其簡單您目前可能還無法認(rèn)同，不過，要說其古老，這還要從1840年說起。1840年左右，Daniel Colladon 和 Jacques Babinet幾乎是同一時(shí)間最先在巴黎提出可以依靠光折射現(xiàn)象來引導(dǎo)光線的理論。
到了1870年，英國物理學(xué)家John Tyndall在其出版的書籍中寫到，全內(nèi)反射特性是光的自然屬性，同時(shí)還進(jìn)一步說明了，光線從空氣射入水中以及從水中射入空氣時(shí)的不同，他指出，當(dāng)光線由水中射入空氣時(shí)，如果角度大于48度（與法線之間的夾角，這一角度的精確值是48°27'），那么光線將無法“逃出”水面，光線會(huì)在界面處被完全反射。
發(fā)現(xiàn)光可以在“光纖”中傳輸?shù)倪@一特性后，最初利用這一特性的實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)在1920年左右，但那時(shí)科學(xué)家們的主要研究方向是通過光纖進(jìn)行圖象傳輸。具體的應(yīng)用比如醫(yī)學(xué)窺鏡，用于軍事的可彎曲潛望鏡，甚至應(yīng)用于早期的電視中，但最初的玻璃纖維在光纖傳輸方面的表現(xiàn)確實(shí)難以讓人感到滿意。比如每當(dāng)光纖“對(duì)接”或光纖界面受損時(shí)，光纖中的光就“消失”了，另外，光在傳輸中的損失也很嚴(yán)重。
隨著時(shí)間的推移，在光纖發(fā)展史上的一個(gè)重大突破出現(xiàn)在1950年左右，那時(shí)，H.H. Hopkins 和 N.S. Kapany展示了帶有包層的光纖，這使得圖像在光纖中的傳導(dǎo)表現(xiàn)大大提升。N.S. Kapany所展示的光纖與我們今天使用的光纖在結(jié)構(gòu)上可以說是一樣的。當(dāng)今的光纖其核心部分有兩層結(jié)構(gòu)，最中心部分是纖芯，是一根極細(xì)的且折光率稍高的玻璃，在纖芯周圍的是包層，覆蓋著的也是一層玻璃，只不過這層玻璃的折光率要略低于纖芯。正如我們前面所說的，這一結(jié)構(gòu)在“全內(nèi)反射”效應(yīng)的作用下，光線的傳輸就這樣實(shí)現(xiàn)了。應(yīng)該也正是因?yàn)檫@一突破性的成就，N.S. Kapany被人們稱為是“光纖之父”。
即使歷史發(fā)展到此時(shí)，人們似乎依然沒有打算把光纖應(yīng)用于通信領(lǐng)域的想法，科學(xué)家們始終在致力于提升光纖傳輸圖像的表現(xiàn)。1956年，又一個(gè)標(biāo)志性的產(chǎn)品誕生了——可彎曲的光纖內(nèi)窺鏡。在研制內(nèi)窺鏡的過程中，同是這個(gè)研究組的成員Lawrence E. Curtiss，他制造出了第一根采用玻璃為包層的光纖。光纖發(fā)展至此，無論在結(jié)構(gòu)上還是在材質(zhì)構(gòu)造上，與當(dāng)今我們使用的光纖基本上已經(jīng)完全一樣了。
終于在1963年，日本科學(xué)家西澤潤一提出了使用光纖進(jìn)行通信的概念，此外，他發(fā)明的一些技術(shù)，例如激光二極管（laser diode ），對(duì)光纖通信的發(fā)展起到了非常大的推進(jìn)作用。在1964年他發(fā)明了漸變折射率光學(xué)纖維（graded-index optical fiber），這種光纖使用半導(dǎo)體激光器在一個(gè)通道中可實(shí)現(xiàn)低損耗的長距離傳輸。
在20世紀(jì)60年代初期，高錕先生開始研究如何將光纖作為通信介質(zhì)，他指出，衰減率的產(chǎn)生除了是因?yàn)椴ＡП旧砗须s質(zhì)以外，更重要的是因?yàn)楣饫w本身的一些根本物理效應(yīng)。這一研究結(jié)果于1966年發(fā)表，并首次提出，建議使用玻璃纖維來實(shí)現(xiàn)光通信。這一概念（尤其是實(shí)現(xiàn)光通信的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)方面的觀點(diǎn)）很大程度上描繪了當(dāng)今的光纖通信概貌。
在1966年，高錕先生首次提出當(dāng)玻璃纖維的衰減率低于20dB/km時(shí)，光纖通信即可成功。但是當(dāng)時(shí)的光纖制造技術(shù)對(duì)于衰減率的控制僅能達(dá)到1000dB/km。在接下來的研究中，高錕指出，高純度的石英玻璃是制造可用于實(shí)現(xiàn)光通信的光纖的首選材料。后來人們認(rèn)識(shí)到，高錕的這些觀點(diǎn)對(duì)未來整個(gè)通信產(chǎn)業(yè)所起到的影響是革命性的。
在光通信發(fā)展的歷史中，高錕先生扮演過很多重要的角色，為了能讓更多人認(rèn)識(shí)到光通信技術(shù)的重要性，他不僅奔走于工程界，甚至還奔走于商業(yè)領(lǐng)域，他拜訪過著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室，也去過單純的玻璃加工廠，為了改進(jìn)光纖加工工藝，他與不同的人們包括工程師，科學(xué)家，商人等進(jìn)行探討。
1970年，康寧公司最先生產(chǎn)出了衰減率低于20dB/km光纖成品，成品達(dá)到了17dB/km的衰減率。幾年后，他們就生產(chǎn)出了衰減率僅為4dB/km的光纖，如此低損耗的光纖被應(yīng)用于電信領(lǐng)域，同是也使互聯(lián)網(wǎng)（INTERNET）的發(fā)展與普及成為可能。
光纖從最初的理論概念到真正可實(shí)現(xiàn)光通信的產(chǎn)品前前后后經(jīng)歷了100多年的時(shí)間。當(dāng)100多年前的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)并論述光的種種特性時(shí)，也許很難想到就是這些特性在近代使人類的溝通方式發(fā)生了革命性的改變，以至于深遠(yuǎn)地影響了整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程。
我們?cè)賮砜匆幌陆衲戢@得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，沒有高錕先生的研究成就也許就不會(huì)有我們今天人人都在使用的互聯(lián)網(wǎng)，光纖通信所解決的問題其實(shí)非常簡單——遠(yuǎn)距離高速傳輸海量數(shù)據(jù)，但沒有它，長途通信和互聯(lián)網(wǎng)（Internet）將只會(huì)是個(gè)空想。如果CCD沒有被發(fā)明，那我們的生活中可能將只有文字，我們還將生活的膠片時(shí)代，數(shù)碼相機(jī)，手機(jī)的拍照功能也將只會(huì)是空想。
想知道什么是光的“全內(nèi)反射”現(xiàn)象？如果您感興趣，請(qǐng)點(diǎn)擊下一頁，筆者將用最直白的方式向您描述這一光學(xué)現(xiàn)象。
好，筆者現(xiàn)在就來說一下什么是光的“全內(nèi)反射”現(xiàn)象了，不過在這之前筆者還必須跟您說一下什么是“折射率”，這兩個(gè)概念十分重要，因?yàn)楣饫w實(shí)際上就是基于這兩種現(xiàn)象工作的。
某種介質(zhì)的折射率等于光在真空中的速度除以光在介質(zhì)中的傳播速度，我們都知道光在真空中的傳播速度是最快的，像水，雖然是透明的，但光在其中的傳播速度相對(duì)于在真空中要慢一些。根據(jù)科學(xué)家們的研究，比如水，它的折射率為1.33?？茖W(xué)家們稱具有較高折射率的介質(zhì)為“光密介質(zhì)”，而具有較低折射率的介質(zhì)為“光疏介質(zhì)”。
明白了什么是“光密介質(zhì)”與“光疏介質(zhì)”，筆者再來說“全內(nèi)反射”您就很好理解了。當(dāng)光線經(jīng)過兩個(gè)不同折射率的介質(zhì)時(shí)，部分光線會(huì)在介質(zhì)的界面處發(fā)生折射，也就是說這部分光線“逃出”了原先的介質(zhì)，進(jìn)入了另一種介質(zhì)中，而其余的光線則會(huì)在原先介質(zhì)的界面處被反射，也就是說這部分光線并沒有“逃出”當(dāng)前的傳輸介質(zhì)。但是，當(dāng)入射角大于一定角度時(shí)，光的折射現(xiàn)象就消失了，不會(huì)再有光從當(dāng)前介質(zhì)中“逃出”，而是在介質(zhì)的界面處所有光線都會(huì)被反射回來，這一現(xiàn)象就是全內(nèi)反射現(xiàn)象。
在上圖中，n1代表“光密介質(zhì)”，n2代表“光疏介質(zhì)”，紅藍(lán)光線僅作分別之用，并不代表不同顏色光線的光學(xué)情況。當(dāng)紅線以小角度射入介質(zhì)時(shí)，光線會(huì)發(fā)生折射和反射兩種現(xiàn)象，但當(dāng)藍(lán)線以大角度射入介質(zhì)時(shí)，折射就消失了，此時(shí)只會(huì)發(fā)生反射。您可能會(huì)有疑問，真會(huì)這樣嗎？有圖有真相，不信請(qǐng)看下圖：
上圖幾乎是與海龜水平高度拍攝的，我們的視線與水面幾乎平行，這時(shí)的水面看起來就像是面鏡子，所以我們看到了海龜?shù)牡褂?，但如果您能有機(jī)會(huì)游到海龜?shù)南路皆倏此?，那時(shí)的情形就完全不同了，海龜?shù)牡褂皶?huì)變淺甚至消失掉，水平也不再會(huì)是一面優(yōu)質(zhì)的“鏡子”。
上圖就是我們?cè)谌粘？梢砸姷降囊环N光纖，光線由一端射入，在轉(zhuǎn)了數(shù)圈后從另一端射出，光在整個(gè)光纖中傳輸時(shí)雖然有所泄漏（左側(cè)接頭部分比較紅），但同時(shí)也說明光的傳輸是可控的。那么，光線在光纖中是如何前進(jìn)的呢？請(qǐng)看下圖：
不管這個(gè)透明的“玻璃棒”是用什么材質(zhì)做成的，有一點(diǎn)可以肯定，它的“折射率”一定大于1，而空氣與真空的折射率相同，都是1，所以當(dāng)激光束以大角度（大于臨界角）射入玻璃棒時(shí)，光束產(chǎn)生了全內(nèi)反射現(xiàn)象，光束就是這樣被反射來反射去，直至到達(dá)光纖的另一端。
最后，為大家介紹一款可以被稱為是始祖級(jí)“光內(nèi)反射演示器”的演示裝置。Daniel Colladon在1842年發(fā)表的一篇名為《光線反射于一個(gè)拋物線形狀的水柱內(nèi)》的文章中首次描述了“光導(dǎo)管”裝置（light fountain 或 light pipe），在1884年，Daniel Colladon制造了這臺(tái)“始祖級(jí)的光內(nèi)反射演示器”。在這個(gè)演示情景中，水是“光密介質(zhì)”，空氣是“光疏介質(zhì)”光在“全內(nèi)反射”效應(yīng)的作用下被引導(dǎo)入了下面的水盆中——光的前進(jìn)路線“彎曲”了。
來源：太平洋電腦網(wǎng)
高錕先生的得獎(jiǎng)理由是"for groundbreaking achievements concerning the transmission of lightin fibers for optical communication"，簡單的講就是他在光通信領(lǐng)域取得了突破性的成就。我們?cè)賮砜匆幌铝硗鈨晌坏牡锚?jiǎng)理由，"for the invention of an imaging semiconductor circuit – the CCD sensor"，即Willard Boyle和George Smith發(fā)明了CCD，在當(dāng)今的數(shù)碼成像設(shè)備中都可以找到它，無論是價(jià)值不菲的單反相機(jī)還是不足百元的USB攝像頭，它們的成像原理其實(shí)都是一樣的。
對(duì)比一下這兩段得獎(jiǎng)理由不難看出，光纖并不是高錕先生發(fā)明的，“光纖之父”這一稱號(hào)對(duì)于高錕先生似乎不太適合。一般認(rèn)為，高錕先生是“光纖通信之父”而非“光纖之父”。那被稱為“光纖之父”的人到底是誰呢？經(jīng)過查閱相關(guān)資料，筆者發(fā)現(xiàn)原來是一位印度裔的科學(xué)家Narinder Singh Kapany。
在現(xiàn)代社會(huì)中，光纖得到了極為廣泛的應(yīng)用，比如我們最熟悉的通信光纖，在醫(yī)院做胃部檢查時(shí)使用的胃鏡，甚至街邊小販叫賣的玻璃絲光纖玩具，這些用途完全不同的物品，它們所基于的原理卻是相同的——光的全內(nèi)反射現(xiàn)象。這個(gè)名詞可能讓您感覺費(fèi)解，沒關(guān)系，文章最后筆者將用最直白的方式來說明這一現(xiàn)象。
纖維光學(xué)其實(shí)是一種非常簡單又非常古老的技術(shù)，說其簡單您目前可能還無法認(rèn)同，不過，要說其古老，這還要從1840年說起。1840年左右，Daniel Colladon 和 Jacques Babinet幾乎是同一時(shí)間最先在巴黎提出可以依靠光折射現(xiàn)象來引導(dǎo)光線的理論。
到了1870年，英國物理學(xué)家John Tyndall在其出版的書籍中寫到，全內(nèi)反射特性是光的自然屬性，同時(shí)還進(jìn)一步說明了，光線從空氣射入水中以及從水中射入空氣時(shí)的不同，他指出，當(dāng)光線由水中射入空氣時(shí)，如果角度大于48度（與法線之間的夾角，這一角度的精確值是48°27'），那么光線將無法“逃出”水面，光線會(huì)在界面處被完全反射。
發(fā)現(xiàn)光可以在“光纖”中傳輸?shù)倪@一特性后，最初利用這一特性的實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)在1920年左右，但那時(shí)科學(xué)家們的主要研究方向是通過光纖進(jìn)行圖象傳輸。具體的應(yīng)用比如醫(yī)學(xué)窺鏡，用于軍事的可彎曲潛望鏡，甚至應(yīng)用于早期的電視中，但最初的玻璃纖維在光纖傳輸方面的表現(xiàn)確實(shí)難以讓人感到滿意。比如每當(dāng)光纖“對(duì)接”或光纖界面受損時(shí)，光纖中的光就“消失”了，另外，光在傳輸中的損失也很嚴(yán)重。
隨著時(shí)間的推移，在光纖發(fā)展史上的一個(gè)重大突破出現(xiàn)在1950年左右，那時(shí)，H.H. Hopkins 和 N.S. Kapany展示了帶有包層的光纖，這使得圖像在光纖中的傳導(dǎo)表現(xiàn)大大提升。N.S. Kapany所展示的光纖與我們今天使用的光纖在結(jié)構(gòu)上可以說是一樣的。當(dāng)今的光纖其核心部分有兩層結(jié)構(gòu)，最中心部分是纖芯，是一根極細(xì)的且折光率稍高的玻璃，在纖芯周圍的是包層，覆蓋著的也是一層玻璃，只不過這層玻璃的折光率要略低于纖芯。正如我們前面所說的，這一結(jié)構(gòu)在“全內(nèi)反射”效應(yīng)的作用下，光線的傳輸就這樣實(shí)現(xiàn)了。應(yīng)該也正是因?yàn)檫@一突破性的成就，N.S. Kapany被人們稱為是“光纖之父”。
即使歷史發(fā)展到此時(shí)，人們似乎依然沒有打算把光纖應(yīng)用于通信領(lǐng)域的想法，科學(xué)家們始終在致力于提升光纖傳輸圖像的表現(xiàn)。1956年，又一個(gè)標(biāo)志性的產(chǎn)品誕生了——可彎曲的光纖內(nèi)窺鏡。在研制內(nèi)窺鏡的過程中，同是這個(gè)研究組的成員Lawrence E. Curtiss，他制造出了第一根采用玻璃為包層的光纖。光纖發(fā)展至此，無論在結(jié)構(gòu)上還是在材質(zhì)構(gòu)造上，與當(dāng)今我們使用的光纖基本上已經(jīng)完全一樣了。
終于在1963年，日本科學(xué)家西澤潤一提出了使用光纖進(jìn)行通信的概念，此外，他發(fā)明的一些技術(shù)，例如激光二極管（laser diode ），對(duì)光纖通信的發(fā)展起到了非常大的推進(jìn)作用。在1964年他發(fā)明了漸變折射率光學(xué)纖維（graded-index optical fiber），這種光纖使用半導(dǎo)體激光器在一個(gè)通道中可實(shí)現(xiàn)低損耗的長距離傳輸。
在20世紀(jì)60年代初期，高錕先生開始研究如何將光纖作為通信介質(zhì)，他指出，衰減率的產(chǎn)生除了是因?yàn)椴ＡП旧砗须s質(zhì)以外，更重要的是因?yàn)楣饫w本身的一些根本物理效應(yīng)。這一研究結(jié)果于1966年發(fā)表，并首次提出，建議使用玻璃纖維來實(shí)現(xiàn)光通信。這一概念（尤其是實(shí)現(xiàn)光通信的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)方面的觀點(diǎn)）很大程度上描繪了當(dāng)今的光纖通信概貌。
在1966年，高錕先生首次提出當(dāng)玻璃纖維的衰減率低于20dB/km時(shí)，光纖通信即可成功。但是當(dāng)時(shí)的光纖制造技術(shù)對(duì)于衰減率的控制僅能達(dá)到1000dB/km。在接下來的研究中，高錕指出，高純度的石英玻璃是制造可用于實(shí)現(xiàn)光通信的光纖的首選材料。后來人們認(rèn)識(shí)到，高錕的這些觀點(diǎn)對(duì)未來整個(gè)通信產(chǎn)業(yè)所起到的影響是革命性的。
在光通信發(fā)展的歷史中，高錕先生扮演過很多重要的角色，為了能讓更多人認(rèn)識(shí)到光通信技術(shù)的重要性，他不僅奔走于工程界，甚至還奔走于商業(yè)領(lǐng)域，他拜訪過著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室，也去過單純的玻璃加工廠，為了改進(jìn)光纖加工工藝，他與不同的人們包括工程師，科學(xué)家，商人等進(jìn)行探討。
1970年，康寧公司最先生產(chǎn)出了衰減率低于20dB/km光纖成品，成品達(dá)到了17dB/km的衰減率。幾年后，他們就生產(chǎn)出了衰減率僅為4dB/km的光纖，如此低損耗的光纖被應(yīng)用于電信領(lǐng)域，同是也使互聯(lián)網(wǎng)（INTERNET）的發(fā)展與普及成為可能。
光纖從最初的理論概念到真正可實(shí)現(xiàn)光通信的產(chǎn)品前前后后經(jīng)歷了100多年的時(shí)間。當(dāng)100多年前的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)并論述光的種種特性時(shí)，也許很難想到就是這些特性在近代使人類的溝通方式發(fā)生了革命性的改變，以至于深遠(yuǎn)地影響了整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程。
我們?cè)賮砜匆幌陆衲戢@得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，沒有高錕先生的研究成就也許就不會(huì)有我們今天人人都在使用的互聯(lián)網(wǎng)，光纖通信所解決的問題其實(shí)非常簡單——遠(yuǎn)距離高速傳輸海量數(shù)據(jù)，但沒有它，長途通信和互聯(lián)網(wǎng)（Internet）將只會(huì)是個(gè)空想。如果CCD沒有被發(fā)明，那我們的生活中可能將只有文字，我們還將生活的膠片時(shí)代，數(shù)碼相機(jī)，手機(jī)的拍照功能也將只會(huì)是空想。
想知道什么是光的“全內(nèi)反射”現(xiàn)象？如果您感興趣，請(qǐng)點(diǎn)擊下一頁，筆者將用最直白的方式向您描述這一光學(xué)現(xiàn)象。
好，筆者現(xiàn)在就來說一下什么是光的“全內(nèi)反射”現(xiàn)象了，不過在這之前筆者還必須跟您說一下什么是“折射率”，這兩個(gè)概念十分重要，因?yàn)楣饫w實(shí)際上就是基于這兩種現(xiàn)象工作的。
某種介質(zhì)的折射率等于光在真空中的速度除以光在介質(zhì)中的傳播速度，我們都知道光在真空中的傳播速度是最快的，像水，雖然是透明的，但光在其中的傳播速度相對(duì)于在真空中要慢一些。根據(jù)科學(xué)家們的研究，比如水，它的折射率為1.33?？茖W(xué)家們稱具有較高折射率的介質(zhì)為“光密介質(zhì)”，而具有較低折射率的介質(zhì)為“光疏介質(zhì)”。
明白了什么是“光密介質(zhì)”與“光疏介質(zhì)”，筆者再來說“全內(nèi)反射”您就很好理解了。當(dāng)光線經(jīng)過兩個(gè)不同折射率的介質(zhì)時(shí)，部分光線會(huì)在介質(zhì)的界面處發(fā)生折射，也就是說這部分光線“逃出”了原先的介質(zhì)，進(jìn)入了另一種介質(zhì)中，而其余的光線則會(huì)在原先介質(zhì)的界面處被反射，也就是說這部分光線并沒有“逃出”當(dāng)前的傳輸介質(zhì)。但是，當(dāng)入射角大于一定角度時(shí)，光的折射現(xiàn)象就消失了，不會(huì)再有光從當(dāng)前介質(zhì)中“逃出”，而是在介質(zhì)的界面處所有光線都會(huì)被反射回來，這一現(xiàn)象就是全內(nèi)反射現(xiàn)象。
在上圖中，n1代表“光密介質(zhì)”，n2代表“光疏介質(zhì)”，紅藍(lán)光線僅作分別之用，并不代表不同顏色光線的光學(xué)情況。當(dāng)紅線以小角度射入介質(zhì)時(shí)，光線會(huì)發(fā)生折射和反射兩種現(xiàn)象，但當(dāng)藍(lán)線以大角度射入介質(zhì)時(shí)，折射就消失了，此時(shí)只會(huì)發(fā)生反射。您可能會(huì)有疑問，真會(huì)這樣嗎？有圖有真相，不信請(qǐng)看下圖：
上圖幾乎是與海龜水平高度拍攝的，我們的視線與水面幾乎平行，這時(shí)的水面看起來就像是面鏡子，所以我們看到了海龜?shù)牡褂?，但如果您能有機(jī)會(huì)游到海龜?shù)南路皆倏此?，那時(shí)的情形就完全不同了，海龜?shù)牡褂皶?huì)變淺甚至消失掉，水平也不再會(huì)是一面優(yōu)質(zhì)的“鏡子”。
上圖就是我們?cè)谌粘？梢砸姷降囊环N光纖，光線由一端射入，在轉(zhuǎn)了數(shù)圈后從另一端射出，光在整個(gè)光纖中傳輸時(shí)雖然有所泄漏（左側(cè)接頭部分比較紅），但同時(shí)也說明光的傳輸是可控的。那么，光線在光纖中是如何前進(jìn)的呢？請(qǐng)看下圖：
不管這個(gè)透明的“玻璃棒”是用什么材質(zhì)做成的，有一點(diǎn)可以肯定，它的“折射率”一定大于1，而空氣與真空的折射率相同，都是1，所以當(dāng)激光束以大角度（大于臨界角）射入玻璃棒時(shí)，光束產(chǎn)生了全內(nèi)反射現(xiàn)象，光束就是這樣被反射來反射去，直至到達(dá)光纖的另一端。
最后，為大家介紹一款可以被稱為是始祖級(jí)“光內(nèi)反射演示器”的演示裝置。Daniel Colladon在1842年發(fā)表的一篇名為《光線反射于一個(gè)拋物線形狀的水柱內(nèi)》的文章中首次描述了“光導(dǎo)管”裝置（light fountain 或 light pipe），在1884年，Daniel Colladon制造了這臺(tái)“始祖級(jí)的光內(nèi)反射演示器”。在這個(gè)演示情景中，水是“光密介質(zhì)”，空氣是“光疏介質(zhì)”光在“全內(nèi)反射”效應(yīng)的作用下被引導(dǎo)入了下面的水盆中——光的前進(jìn)路線“彎曲”了。
來源：太平洋電腦網(wǎng)
新聞來源：訊石光通訊網(wǎng)