作者:Howard Milchberg 来源:《光学》 发布时间:2014-8-5 19:30:32
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“空气”光纤或可实现超长距离通信

 

一项可实现超长距离通信的技术,甚至可应用到人类未来的火星殖民地——美国的科学家正在研制一种以空气为材质的新型光纤。该光纤摆脱了固体材料自身性能的局限,能够在太空中实现超远距离的激光通信,同时还可以应用到大气污染探测、高分辨率地图、军用激光武器等领域。

光纤通信之所以是一种高效率的通信方式,在于它利用固体材质的光缆,将光信号牢牢束缚在导波管之中,阻止光失去密度或焦点。一般情况下,光的密度会随着传播距离的增加而逐渐降低,即便是激光这种具备高度定向的光束也一样。同时,它还无法避免因为空气中其他气体的干扰而失去焦点。

据英国《每日邮报》在线版7月29日报道称,目前的光纤产品,其结构一般由透明的玻璃管芯和由低折射材料制成的包裹外皮组成。外皮的作用是当光试图逃逸出管芯时,将其反射回来。不过,固体材料有着明显的短板。一是能够控制和驾驭的能量有限,二是离不开铺设管道、安装支架等外部支持,使其无法在诸如大气层甚至太空这样的特殊环境中发挥作用。

针对这一情况,本次研究的主持者、美国马里兰大学物理学教授霍华德·米尔克伯格,将目光大胆投向了无形的空气。他和自己的团队创新出一种可以让空气具备玻璃导波管一样作用的方法。据其刊发在《光学》月刊上的论文介绍,空气导波管的结构为:一个由低密度空气组成的“外壁”,包裹着充满高密度空气的内芯。而与普通光纤一样,外壁的折射率要低于内芯。这种结构的“空气”导波管能够长距离、无损耗地传送光信号。

霍华德团队制造空气导波管的方法,是使用超强激光脉冲。激光脉冲能够在空气中电离出很细的“光丝”,而这些光丝会提高周围空气的温度,令空气扩散,并在其经过之后留下一条低密度的、内部空气折射率低于外部气体的空洞。

光丝存在的时间短得惊人,只有约一万亿分之一秒,而空洞则可以存活几毫秒,几乎是激光脉冲的一百万倍。霍华德团队认为,正因为空气导波管能够较长时间的存在,因而单个的它就可以传导激光并收集信号。

目前霍华德的团队正在致力使空气导波管的长度达到至少50米。凭借该技术,我们不仅可以对大气上层或核反应堆这样的极端环境进行化学分析,改进激光雷达的性能以绘制高分辨率的三维地形图,最终还能在太空中的任意地方随时交流——让人类未来的通信方式发生质的改变。

右图 与图中所示的传统光纤一样,空气导波管外层的折射率要低于内部,以此引导光沿着管道传播。(来源:科技日报 张梦然)

 
 
 
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