让光弯曲——奇妙的光纤光学

文章来源：光波常

作者：常国庆

无论在日常生活，还是科学研究中，用玻璃制成的光纤（Optical fiber）早已成为一种无可替代的光学器件。光纤为圆柱形结构，由位于中心的芯层和围绕着芯层的包层两部分组成。光纤的工作原理基于我们在高中物理课上学过的全反射（Total internal reflection）现象—当光从折射率高的媒介向折射率低的媒介传输时，如果入射角度超过某个临界值，那么所有的光都会被反射回折射率高的媒介。在制备光纤时，选择合适的玻璃材料使芯层比包层具有更高的折射率，那么在芯层与包层界面的发生的全反射会使耦合进光纤芯层的光受到限制，只能沿着光纤传输。在自由空间，光一般沿着直线传播；利用光纤，我们可以让光前进的路线弯曲，把光传递到靠直线传播难以到达的地方，比如利用光纤束制成的内窥镜（胃镜等）。

人类历史上最早利用全反射原理让光线弯曲并不是在玻璃光纤里，而是在水柱里。1889年，借法国大革命100周年之机，巴黎举办了盛大的世界博览会，在博览会入口处修建了后来成为巴黎地标的埃菲尔铁塔。此时的巴黎以“光之城”（City of Light）闻名于世，既是由于它是18世纪欧洲启蒙运动的发源地，更是因为巴黎人最早采用了煤气街灯来照明城市。许多年之后，这届博览会到底展出了什么早已淡出人们的记忆，但那些每晚在博览会入口处摇曳多姿的喷泉，却让后世津津乐道。这些喷泉，大小不一，不停地变换着颜色，让本就魅力无穷的巴黎夜晚额外增添了几多梦幻色彩。赞叹之余，回旋在人们心中的疑问是--黑暗之中，这些五颜六色的喷泉是如何被点亮的？

点亮喷泉的灵感（和技术）来源于Daniel Colladon在1841年的一个实验演示。那一年，38岁的Colladon是瑞士日内瓦大学的教授。在这个他一生钟爱、后来无数次演示过的实验里，Colladon在一个水槽的侧面开一个小孔，在另一侧用透镜将光聚焦到小孔处。当有水柱从水槽里经小孔喷出时，由于全反射，光被限制在水柱之中。水柱由于重力作用，向下弯曲成抛物线形状，最后溅落在另一个容器里，激起无数的水珠。随着水柱的消失，束缚在里面的光被释放出来，因此容器的表面被照亮。Colladon喜欢在黑暗的屋子里演示这个实验，当那些跳跃的、无比明亮的水珠出现时，整个房间充满惊叹。

“上帝说，要有光，于是就有了光”

人类很早就意识到光是沿着直线传播，从而建立起来光线的概念。利用这一物理现象，中国的墨子早在公元前5世纪就注意到来自物体的光直线传播通过一个小孔后，能够成倒立的像。后来人们利用此原理，制成了不需要光学镜头的针孔相机。

在19世纪，光沿着直线传播的概念早已深入人心。而Colladon却能利用水柱作为天然波导，依靠全发射的光学原理，让光沿着曲线传播。设身处地地想象一下，在距今170多年前，聆听这样一场学术报告会带来何等震撼的体验。为了保护自己的知识产权，Colladon将自己的演示实验写成文章寄给老朋友、身居法国科学院要职（Perpetual secretary ）的Francois Arago。Argo当时是法国科学院院刊Comptes Rendus的主编，他记得去年（1840年）新晋院士Jacques Babinet也做过类似的实验，于是让Babinet同时发表自己的结果。Babinet在光学界大大有名，学过经典光学里的衍射现象的人，都应该记得Babinet原理。后来两人的文章同时于1842年10月24号发表在Comptes Rendus上，Colladon的文章在800到802页，而Babinet的文章在802页，不到一页长。显然，做过类似实验的Babinet，并没有觉得这很重要。Babinet在该文章中甚至提到类似的现象也可以在弯成任意形状的玻璃杆里发生，还建议可以用此办法帮助牙医做口腔照明。但是这一想法在50多年以后才变成现实。

应编辑的要求，Colladon于1884年对自己那篇1842年的文章稍加修改，发表在另一法国杂志La Nature，题目干脆就叫做“The Colladon Fountain”。这显然是为了让后世牢牢记住是他最早发现用弯曲的水流可以传输光。可偏偏事与愿违，后世光纤光学界却把这一发现归功于英国物理学家JohnTyndall。John Tyndall任教于Royal Institution in London，当时还负责的星期五晚上的科普讲座。由于原定在1854年5月19日演示的实验尚未准备就绪，Tyndall在法拉第的建议下，演示了Colladon曾经在13年以前演示过的实验。在1987年，美国光学协会和IEEE Photonics Society共同建立了以John Tyndall命名的奖项，每年颁发一次，用以奖励那些对光纤技术做出重大贡献的科研人员。自己的苦心孤诣，付诸东流，Colladon若泉下有知，恐怕只有无限悲愤。

在Babinet和Colladon的文章发表100多年之后的20世纪50年代，具有包层结构的玻璃光纤才出现。1960年激光器的发明使光纤光学作为一门崭新的学科得以迅猛发展。该学科的巅峰成就无疑是以光纤作为传输介质的光通信技术，这一技术已经深深改变了我们每个人的生活。

随着超短脉冲激光器的出现，在玻璃光纤里传输的光脉冲由于具有很高的峰值功率，因此能够和材料发生非线性相互作用。玻璃光纤中的非线性光学现象十分丰富，已经单独发展成为一个领域—非线性光纤光学。

自相位调制（Self-phase modulation）是光纤中最为常见也最为简单的非线性光学现象。1978年，在美国贝尔实验室工作的R. H. Stolen 和 Chinlon Lin首次在石英玻璃光纤里观测到自相位调制现象。与其他非线性光学现象类似，自相位调制能够产生新的光学频率，因此经常用于展宽脉冲光谱，然后通过补偿展宽后的光谱的相位，从而在时域上将脉冲压短—这已经成为获得超短脉冲的常见手段。但很多人也因此产生误解，以为自相位调制只会通过产生新的频率分量让光脉冲的光谱展宽。实际上，脉冲的光谱变宽还是变窄取决于初始脉冲的预啁啾（pre-chirp）。如果初始脉冲具有负的预啁啾，而脉冲在玻璃光纤里传输时，自相位调制引入的正啁啾会逐渐减小初始脉冲的啁啾总量，这种情况下，脉冲的光谱就会变窄。当正啁啾恰好补偿掉所有负啁啾后，此时脉冲为变换极限脉冲。

编辑：了之