现在，无论是科学还是技术，人们都正在运用着激光来解决一个又一个的难题。
第一节激光的神秘面纱
1．“新面孔”能源-激光
雷射，英语名Laser，全称Light Amplificationby Stimulated Emissionof Radiation，中文名为“激光”。
意思是指通过受激辐射放大和必要的反馈，产生准直、单色、相干的光束的过程及仪器。事实上，共振腔、增益介质、激发来源是产生激光的三个基本的要素。
2．成长岁月-激光的发展历程
在20世纪30年代，爱因斯坦描述了原子的受激辐射。从此之后，人们在很长的一段时间里都在猜测，“这一现象可否被用来加强光场？”
1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象，即一种稀土晶体在氖光灯泡发射的光照照射下，这种晶体的分子会发出鲜艳的且始终会聚在一起的强光。
根据这一现象，他们提出了着名的“雷射原理”。“原理”指出，当物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，将会产生这样一种不发散的强光-雷射。为此，他们公布了最新的研究成果，并发表了许多重要论文。在这以后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但均未获得成功。直至1960年5月16日，人类有史以来获得的第一束雷射被美国科学家梅曼发现，他宣布获得了波长为0.6943微米的雷射。
于是，梅曼也就理所当然地成为世界上第一个将雷射引入实用领域的科学家。
1960年7月7日，梅曼发明了世界上第一台激光器，其方案是利用一个高强闪光灯管来刺激红宝石。红宝石在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，它在受到刺激时，就会发出一种红色的光。在准备好的“表面镀有反光镜的红宝石”的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔逸出，这样，一条相当集中的纤细红色光柱便可以产生。
当这束红光在射向某一点时，这一点可以达到一种比太阳表面还要高的温度。
同年，前苏联科学家尼古拉·巴索夫发明了半导体激光器，其特点是尺寸小、效率高、响应速度快，且波长和尺寸与光纤尺寸适配，因而可直接调制。
19世纪80年代后期，半导体技术得到迅速发展，更高效且耐用的半导体雷射二极管的研制成为可能，并可应用于小功率的CD、DVD光驱和光纤数据线中。
90年代后期，高功率的雷射激发原理得到实现，这方面极好的例子就是纤维雷射和片状雷射。到了21世纪，雷射的非线性得到了很好地利用，一方面，蓝光和紫外线雷射二极管已经开始进入市场，另一方面，它被用来制造X射线脉冲（用来跟踪原子内部的过程）。
目前，雷射（即激光）已经成为工业、科学、通信及电子娱乐中的重要设备。
3．受激辐射-激光的理论依据
电子的运动状态通常可以分为不同的能级，当它从高能级向低能级跃迁时，就会释放出相应能量的电磁波，即光子。在一般的发光体中，电子所释放出的光子的特性是不相同的。其所释放光子的动作是随机的，如钨丝灯发出的光。
如果当外加的能量以电场、光子、化学等形式注入到一个能级系统并且被它所吸收的话，则会导致电子从低能级向高能级跃迁（这就是人们常说的“激光吸收”）。然后，当自发辐射产生的光子碰到那些因外加能量而跃迁的高能级电子时，则这些高能级的电子会因受到诱导而迁跃到低能级，并且释放出光子（这就是人们说的“受激辐射”）。这时，受激辐射的所有光学特性跟原来的自发辐射是一样的，包括其频率、相位、前进方向等。同时，若这些受激辐射的光子再次碰到因其他外加能量而跃上高能级的电子时，则又会再次产生更多同样的光子。直至最后，光的强度越来越大（即光线被放大了）。这时的光，与一般的光不同的是，所有的光子都有相同的频率、相位、前进方向。
人们若想做到把光放大，就需要产生一个高能级电子数目比低能量级电子数目多的环境（即粒子数反转），只有这样，才有机会让高能级电子碰上光子用以释放新的光子，而不是随机释放。
4．不可或缺-激光的构成
激光器由激励系统、激光物质和光学谐振腔三部分组成。
激励系统是指一种能产生光能、电能或化学能的装置。目前，我们使用的激励手段主要有光照、通电或化学反应等。激光物质是指那种能产生激光的物质，如红宝石、氖气、半导体、有机染料等。
一般来讲，光学谐振腔的作用是用以加强输出激光亮度的，同时调节和选定激光的波长和方向等。
5．独特力量-激光的特点
因为激光的单色性好，同时又可在一个狭小的方向内有集中的高能量，人们可利用聚焦后的激光束对各种材料进行打孔，这是非常令人惊奇的。再者，如红宝石激光器中，其输出脉冲的总能量虽然煮不熟一个鸡蛋，但是却能在3毫米的钢板上钻出一个孔。那么，为什么它会有这样神奇的功能呢？关键不是光的能量，而是在于它的功率。由于它的高功率，使它在多方面应用有了可能。具体来说，激光有以下一些特点：
（1）定向发光
激光器发射的激光，天生只朝一个方向射出，其光束的发散度极小，几乎接近平行。而普通光源是向四面八方发光的，必需给光源装上一定的聚光装置，才能让发射的光只朝一个方向传播。如汽车的车前灯和探照灯，都是有聚光作用的反光镜，它可使辐射的光线汇集起来向一个方向射出。
1962年，人类第一次使用激光照射月球。
（2）亮度极高
激光亮度极高，它可照亮远距离的物体。如红宝石激光器发射的光束，可在月球上产生约为0.02勒克斯的光照度，颜色鲜红，其激光光斑明显可见。而在激光发明之前，人工光源中，氙灯的亮度最高，近乎和太阳的亮度不相上下。但是，红宝石激光器的激光亮度是氙灯的几百亿倍。假若使用功率最强的探照灯照射月球的话，产生的照度便只有约一万亿分之一勒克斯，这时，人的眼睛是根本无法察觉的。为何激光的亮度会如此高呢？主要原因是大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，也就是它具有定向发光的特点，因而能量自然极高。
（3）颜色极纯
激光器输出的光，颜色极纯，它的单色性远远超过任何一种单色光源。光的颜色是由光的波长或频率决定的，一定的波长对应一定的颜色。且光辐射的波长分布区间越窄，则单色性越好。激光器输出的光，波长分布区间非常窄，因此它的颜色极纯。如以输出红光的氦氖激光器为例，它的波长范围可窄到2×10-9纳米（是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二）。
（4）能量密度极大
激光的能量并不算很大，但是它的能量密度却很大，作用范围很小，一般只有一个点，因此能在短时间里聚集起大量的能量。我们可以从它用做武器的角度来理解它的能量密度。一般来说，人们根据波长的长度，把电磁波谱大致分为：无线电波、微波、红外线、紫外线、可见光、伦琴射线（X射线）、γ射线几种。
6．动力之源-激光产生的条件
激光的英文是“放大受激辐射的光”的意思，可见，受激辐射是产生激光的首要条件，同时，也是必要条件。
工作物质具有亚稳态能级，这就是产生激光必须具备的第二个条件。受激辐射中，如果让受激光子一个一个地发射出来，是不能形成强大的能量的。一般来说，电子被激发到高能级后，在其上面停留的时间是短暂的。但是有些物质的电子处于第二能级（E2）的时间较长，仅次于基态能级（E1），这个能级就是我们常说的亚稳能级。所以，要形成激光的话，工作物质必须具有亚稳态能级。
产生激光的第三个条件是选择适当的物质，以使其在亚能级上的电子比低能级上的电子还多（即形成粒子数反转），这样的话，可使受激发射多于吸收。
激光产生的第四个条件是方向集中，频率单纯，而且必须有一个振荡腔。这是因为激光器中初期产生的光子是自发辐射产生的，而且它的频率和方向是杂乱无章的。
由于晶体和谐振腔都会使光子产生损耗，必须使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多很多，这样才可使其产生放大作用。这是产生激光必须具备的第五个条件。
7．各显神通-激光的应用
激光作为一种新型能源，在生活中某些领域所发挥的作用是“神通广大”的，其他任何能源都无法替代，因而其具有不可替代性。
现在，我们主要来了解以下它的几个方面的作用。
（1）激光武器
激光是20世纪60年代的新型光源，由于其方向性好、亮度高、单色性好、相干性好的特点而得到广泛应用，如激光测距、激光手术、地震监测等。同时，它在军事领域的应用也得到最为充分的发挥，如激光防空武器、激光反卫星武器、激光窃听器、激光等离子武器等。
激光武器有很多优点：
①使用激光武器进行射击时，无需进行弹道计算。
②无后坐力。因为光束基本没有质量，所以，在使用时，不存在用普通武器射击时出现的巨大后坐力和噪声。
③提高射击的命中率，有效地打击敌人。
④使用激光武器便于隐蔽自己，减少伤亡。
⑤它是一种无放射性污染，效费比高的能源武器。
⑥激光武器操作简便，机动灵活，使用范围广。
（2）信息传播中的激光技术
激光的应用范围广泛，如激光照排技术、激光唱片机、激光影碟机的发明，已经大大地改变了周围的世界，让人们的生活变得越来越多姿多彩。
①激光照排技术
现代社会中，信息的作用变得越来越重要，这是因为谁掌握信息速度越快、内容越丰富，谁就在社会的生活和竞争中，掌握了主动权，也就是说拥有了更多成功的机会。所以，在信息的传播中，加快印刷速度，缩短出版周期也就有了相当重要的意义。20世纪激光的出现，引发了印刷工业中的一场革命。其中一项重大的革命就是现在已经得到广泛应用的激光照排技术。在排版效率上，它至少是古老的铅字排版速度的5倍。目前我国已广泛应用的汉字排版技术，采用的就是激光照排术。
②激光唱片机
激光唱片机简称激光唱机、CD机，同时，又被称为音频光盘机，是“综合信号激光盘系统”中的一种。实际上，它包括激光唱片和唱机这两个部分。其中，激光唱片是一张表面上镀有一层极薄金属膜、以玻璃或树脂为材料的圆盘。
它通过激光束的烧蚀作用，然后将发出的声音信号以一连串凹痕的形式，刻写存储在圆盘上，这样，就形成了与胶木唱片相似的信号轨迹。之后，人们把它放到激光唱机里，用激光束来读取激光唱片上的光信号，并使之转换为电信号。然后，再将电信号通过音响播放装置转化为声音信号。
1980年，荷兰的飞利浦公司与日本的索尼公司开发了Compact Disc Digital Audio(简称为CD)的小型教学激光唱片，也称为数字音频光盘，而且还制定了它的技术标准。起初激光唱片只用来存储音乐以供人们欣赏。
1982年，激光唱片及唱机纷纷上市，具有音质好、容量大、体积小等优点，还可以连在计算机上听。
③激光影碟机
激光影碟机的工作原理与激光唱片机相同，其不同的是它所录制、读取和播放的信号包括音响、静止动态画面以及文字等多种信号。这种光盘经常应用于教学、娱乐等。在激光影碟机的发展历史中，出现过LD、CD─G、CD─V、VCD、DVD等几种形式。
LD（激光影碟）。1978年，世界上的第一张激光影碟机问世，它所拥有的出色的视听效果令人为之惊叹。它开创了音频、视频录放的数字化时代，首次实现了激光与数字技术相结合的音频-视频信号的录放。
CD─Graphic。简称为CD─G，这种唱片在其相应的碟盘上可存储70分钟的静止画面、音乐及歌词字幕，并利用专用机，使其通过电视机与音响重现立体声音乐、歌词字幕等。近期的组合音响中都已带有视频输出。
CD─V。全名CD─Video，简称为CD电视唱片。CD─V是一种录有数字音频加模拟视频信息的音像碟，其活动的画面比CD─G更为诱人。
1987年荷兰飞利普公司颁布了CD─V的标准，1988年，世界上第一台CD电视唱片问世。
VCD。全称为Video─CD，又名CD视盘。Video─CD放出的音频与CD唱片一样，但其图像比LD和CD─V都要粗糙、模糊。
但是呢，它在视听系列产品市场上，仍然有很强的竞争力，因为它制作成本小、产品体积小，价格远远低于LD等。
VCD的视频压缩和解码技术是美国人发明的，而第一台家用VCD机（实验用机）在1992年12月由中国安徽现代电视技术研究所研制成功。它可在计算机上播放，计算机上的CD视盘可以存放录像、存放电子游戏。现在，VCD给人们的生活带来了更大的乐趣。
人们可通过操作计算机达到双向交流，能看到精彩的画面，能听到动听的声音，同时，还可参与其中，扮演角色。
DVD：全称为Digital Video DISK，即数字视频光盘机，它是1994年诞生的新型机种。从原理上来看，DVD只是产品在各个方面上有了全面的提高，与VCD并没有本质的不同。如DVD光盘储存的数据可达4个G，一个DVD电影光盘可存多部电影，这大大降低了光盘的生产成本，方便了消费者携带。在产品分辨率和声道效果上，DVD都远远优于VCD。同时，其高清晰度也对它所配套的产品提出了更高的要求。但不管怎样比较，DVD仍然是VCD的下一代产品，它代表了数字视听产品的发展方向。
（3）医学领域里的激光
医学上的应用是激光大显身手的另一领域，如外科手术中的激光刀及激光在眼科、牙科、皮肤科与整容科上的独到应用。
激光刀切割的同时也进行了灼烧，这样可恰好封闭血管，防止手术中的出血问题及减少感染危险。这是激光刀的巧妙之处。
利用激光对牙齿进行无痛钻孔和去牙蛀，可使以前令人望而生畏的牙科手术大大地轻松简单起来。它不像以前的机械打孔，激光钻孔不会产生大量的摩擦热，不会对牙的健康组织产生影响。其所蒸发掉的仅仅是被腐蚀处的黑色牙区，因此，在手术过程中，疼痛感会大大减轻。
激光在眼科上的应用是令人叹为观止的，它不仅可焊接脱开的视网膜，封闭破漏的血管，而且还能够彻底摧毁漂浮在眼睛冻胶状液体中的微小的沙粒。通常，在不需要切开眼睛的前提下，就能完成手术，而且手术的疼痛感还大为缓和，这是激光手术最大的优点。
对于当今社会的不治之症-癌症，激光也提供了有效的武器。一方面来讲，人们可利用激光刀来切除肿瘤。另一方面，激光技术的运用，在癌症的早期诊断方面也起到很大作用，及早诊断，及早治疗。
人们可借助激光准确地分辨肿瘤细胞和正常细胞，同时，激光还能提供一个新的治疗途径，即激光化疗。人们可以利用一些特殊的化学物质，进行激光化疗，这些特殊物质在激光的作用下杀死肿瘤细胞，就可以达到治疗癌症的目的。
（4）层出不穷的激光技术
激光因其单色性、相干性和方向性的特点，特别适用于材料加工。
激光材料的加工是激光应用中最有发展前途的领域，目前已经开发出了20多种激光加工技术。
激光特别适用于自动化加工，因为激光的空间控制性和时间控制性很好。现在，由激光加工系统和计算机数控技术相结合而成的高效自动化加工设备，已经是企业实行适时生产的关键技术。这种技术为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前，已经成熟的激光加工技术有激光快速成形技术、激光切割技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光存储技术、激光清洗技术、激光蚀刻技术、激光划线技术、激光微调技术、激光热处理和表面处理技术等多种。
①激光快速成形技术
激光快速成形技术集激光技术、材料技术和CAD/CAM技术（计算机辅助设计）于一体，是这三种技术相互结合的最新成果。人们可根据零件的CAD模型，利用激光束将光敏聚合材料逐层固化，使其精确堆积成样件。在不需要任何模具和刀具的情况下，便可快速精确地制造形状复杂的零件。这一技术已经在航空航天、电子、汽车等工业领域得到了广泛的应用。
②激光切割技术
这种技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中。通过其广泛而有效地运用，可大大减少加工时间、提高工件的质量、降低制作加工成本。科学研究证明，连续激光适用于非金属材料，而脉冲激光适用于金属材料。激光切割技术是连续激光的重要应用领域。现代的激光技术似乎已经实现了人们所追求的“削铁如泥般”的梦想。
③激光焊接技术
由于激光焊接技术具有溶池净化效应，可纯净焊缝金属，因而其适用于相同和不同金属材料间的焊接。这种焊接技术能量密度高，特别有利于那些熔点高、导热率及反射率高且物理特性相差很大的金属焊接。不过，如果人们用激光来切割实物和胶合板，实物和胶合板在被切开的同时也被灼烧了，从经济的角度来看，是远远不合适的。这是激光在工业领域中应用的局限和缺点。
④激光打标技术
激光打标是指人们利用高能量密度的激光对工体进行局部的照射，然后使表层的材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而使其留下永久性标记的一种打标方法。激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一，它具有精度高、效率高、通用性强、成本低和综合经济效益显着等诸多优点，是现代制造领域的关键技术之一。
这种打标方法可打出各种文字、符号和图案等，字符大小有从微米到毫米的量级，这些都对产品的防伪保护有特殊的意义。近年来发展起来的新技术-准分子激光打标，特别适用于金属打标，并可实现亚微米打标，已经广泛地应用于微电子工业和生物工程领域。
⑤激光存储技术
这是一种利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息的技术，是信息化时代的支撑技术之一。
⑥激光清洗技术
它的广泛采用能够提高精密器件的成品率，可大大减少加工器件的微粒污染。
⑦激光蚀刻技术
这种技术能够大幅降低生产的成本，特别适合于超大规模集成电路的制造，比传统的化学蚀刻技术工艺简单。
⑧激光划线技术
这是一种生产集成电路的关键技术，成品率可达99.5%以上，其划线细、精度高、加工速度快。
⑨激光微调技术
这种微调技术，可对指定的电阻进行自动精密微调，其精度、效率与传统的加工方法相比都要高，且成本要低。激光微调包括薄膜电阻与厚膜电阻的微调、混合集成电路微调和电容微调等。
⑩激光热处理和表面处理技术激光热、表处理技术有激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术、激光强化电镀技术等很多种。这些技术对改变材料的机械性能、耐腐蚀性及耐热性等都有很重要的作用。
第二节影像再现-全息照相
1．“神异玻璃”之谜
清朝的时候，有一个姓汪的官员外出，当他乘坐马车行走在一处河堤上时，天空突然阴云密布，电闪雷鸣，下起很大的雨来。这时，他急忙让车子停在一棵大柳树下躲雨。
雨过天晴以后，汪某下车小便。回来时猛然看见车窗内有好几个人影，心中不禁大吃一惊。
汪某马上揭开车帘观看，但车厢里空无一人。仔细观察后，汪某发现人影原来是在车窗玻璃上。等到他回到家，玻璃上的人影依然不散。
他的家人都以为是“神异”，于是，就把这块玻璃取下供奉起来。
这样，大约过了20年。有一天，汪家的儿童玩弓箭游戏，不小心打碎了被供奉着的“神异玻璃”。奇怪的是，在它的每一块碎片上，影像仍然是完整的。
翰林院侍读张亮基是汪某的外甥，他得到了这样一块碎片，因不明白，拿给他的好友姚元之看。这样，姚元之便把他自己所看到和知道的“这个神异般的玻璃故事”收入到他的《竹叶亭杂记》中。
2.全息照相的来龙去脉
照相机照出的相片一般都是平面的，用物理的话语来说，得到的仅是一张二维图像，没有立体感，很多信息都失去了。直到激光发明后，人类才第一次得到了全息照片。
那么，什么是全息照相呢？
全息照相是指一种记录被摄物体反射波的振幅和位相等全部信息的先进照相技术。其不仅可以记录物体上的反光强度，同时也可以记录位相信息。因此，一张全息摄影图片即使只剩下一小部分，也可以重现全部景物。
全息照片一般不用照相机拍摄，而要用一台激光器。用分光镜把激光束一分为二，其中一束直接照射到感光胶片即全息干板上（我们称之为参考光束），另一束（即物光束）照到被摄对象上。当光束被物体反射后，它的反射光束也就被照射到胶片上。这就是全息照相的摄制过程。
全息照片和普通照片是截然不同的两种照片。当人用肉眼去看时，全息照片上只有些乱七八糟的条纹。但是若用一束激光去照射该照片，眼前就会立刻出现逼真的立体景物。如果从不同的角度去观察，就可看到原来物体的不同侧面，让人感觉非常奇妙。若是不小心把全息照片弄碎了，也没有关系，因为人们可随意拿起其中的一小块碎片，用相同的方法观察。在每一张碎片上，原来的被摄物体仍能完好无损地显示出来。
现代科学表明，全息照相利用的是光的干涉原理，它利用两束光的干涉来记录被摄物体的信息。
3.别出心裁的应用
美国有一家制作食品的公司，他们的设计师通过独出心裁地设计，巧妙地把“光”和“甜味”结合在一起，生产出了一种令人叹服的新奇糖果，并把它取名为“全息糖果”。生产师们要在巧克力和糖果的表面镶上一条条极细的波纹，制作过程非常特别。当光线照射到这些波纹上时，它们便会自动扩散，形成一个个神奇的全息影像，神奇而有趣。
这家公司还打算与好莱坞及其他食品商合作，以便使儿童电影中的某些场面能在糖果上重现。假想一下，若是在糖果的内层加上各式全息影像，当糖果在溶化时，便出现各种不同的影像，这无疑是非常神奇而有趣的现象。
第三节大显身手-激光通信新姿态
1.远古的记忆-难忘烽火台
现在每当我们提到烽火台，就会自然地想到长城。实际上烽火台一般都是筑在长城沿线的险要处和交通要道上。如果一旦发现敌情，它便立刻发出警报。夜里燃烧加有硫黄和硝石的干柴，使到处火光通明，而白天则点燃掺有狼粪的柴草，使浓烟直上云霄，用以传递紧急军情。烽火台通信，是奴隶制国家根据政治和军事方面的需要而设立的。据史书记载，早在3000多年前，我国就开始了利用烽火台通信的方法。关于烽火通信，几乎还有一个家喻户晓的“千金买笑”的故事。
现在，人类社会的文明程度和科学技术已经得到了很大的提高，但是简单地利用光传递信息的方式仍在广泛地使用。如红黄绿交通信号灯、旗语、百叶窗和灯光的灯语等。旗语产生于西方的大航海时代，舰船之间一般都通过用旗语进行联络。直到现在，各种不同的信号旗仍然在船舶上悬挂着。
不过，不论是烽火台，还是旗语、交通红绿灯等，它们都是光通信形式的一种。它们都有一个共同点，就是利用大气来传播可见光，然后，通过人的眼睛接收。正因为如此，我们不难理解。不过，这些都不是真正意义上的光通信，真正强大的光通信应该是光纤通信。
我们所说的光纤通信指的是一切运用光作为载体而传送信息的通信方式的总称，它是一种依靠光纤作为媒质来传送信息的通信方式。
2.路漫漫其修远兮-光通信的发展之旅
尽管人类很早就已经认识到用光来传递信息（如3000多年前，我国的烽火台-它是一种用光传递远距离信息的设施），但是，在其后的很多年中，除了灯光闪烁、旗语等传递信息的方法出现，光通信几乎没有什么大的发展。灯光闪烁、旗语都是非常原始的光通信方式，不能称得上是完全意义上的光通信。
在近100年的时间里，电话的发明，被认为是人类近代光通信的开始。随着人们对通信的要求越来越高，20世纪60年代后，光通信获得了突飞猛进的发展。一般来说，今天我们所说的光通信是指“采用光波作为载波来传递信息的通信方式”。当今社会是一个信息社会，因而光通信的魅力正逐步地展现在人们的面前。
（1）电话-“光话”时代的开端
我们知道，光通信的出现比无线电通信要早。1876年，贝尔发明了光电话，这是光通信技术开始的标志。1896年，波波夫发送与接收了第一封无线电报，这象征着人类社会无线电通信的开端。在贝尔本人看来，在他的全部发明中，光电话无疑是最伟大的发明。
人们开始研究的光通信都是利用光在大气中传送信息，因为这种方式方便简单。但是，不利的天气条件严重阻碍传输信号。在大气中传送信息时，遇到下雨、下雪、阴天、雾天等天气情况，信息会受到气象条件的诸多限制，就会看不远和看不清，也就是我们常说的能见度降低。此外，从通信技术上看，太阳光、灯光等普通的可见光源都是带有“噪声”的光，即光不纯，并不适合作为通信的光源。另一个问题是必须要有高强度、可靠的光源。
（2）近代光纤通信-光也可以“走弯路”
1870年，英国物理学家廷德尔在他的实验中观察到，如果把光照射到盛满水的容器内，从出水口向外倒水，光线沿着水流传播时，出现了弯曲现象，也就是光“走了弯路”。
这是由于在水流中出现了光的反射现象，使光看起来好像不符合光的直线传播定律。实际上，这时的光仍然是沿着直线传播的，但是以折线的方式前进。从某一方面来讲，光也可以“走弯路”。
廷德尔所观察到的现象，直至1955年才得以投入到实际应用。
最初，这种光导纤维仅用在医学上。通常，现代的光纤通信，应用的是光的反射原理，即把光的全反射限制在光纤内部，用光信号取代传统通信方式中的电信号，从而实现了信息的传递过程。
（3）扫除拦路虎-光纤的诞生
人类一直以来，从未放弃过对理想的光传输介质的寻找。经过不懈的努力，终于发现了透明度很高的石英玻璃丝可以用来传光，我们把这种玻璃丝称为光学纤维，简称为“光纤”。之后人们用这种材料制造了在医疗上使用的内窥镜，如胃镜，它可以传送距离一米左右的体内情况。但是，它只能用来传送短距离信息，因为它的衰减损耗很大。通常，光的损耗程度是用每千米的分贝来衡量的。
直到20世纪60年代，即使是最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在每千米1000分贝以上。因此，在当时，有很多的科学家和发明家放弃了光纤通信的研究，认为用玻璃纤维通信希望渺茫。
（4）舍我其谁-光纤通信的飞速发展
1970年，激光器和低损耗光纤这两项关键技术已经取得突破性的进展，因此，光纤通信开始从理想变成可能。这一技术进展立即引起了各国电信科技人员的重视并竞相进行研究和实验。
这之后，美国的贝尔研究所发明了低损耗光纤的制作法，即CVD法。1977年，几乎在同时，贝尔研究所与日本电报电话公司成功研制出了寿命长达100万小时（即实际应用中可用10年左右）的半导体激光器，它是一种真正意义上实用的激光器。1977年，在美国的芝加哥市，世界上第一条光纤通信系统投入商用，速率为每秒45兆字节。
进入实用阶段以后的光纤通信，在应用发展上极为迅速，我们从其应用的光纤通信系统的多次更新换代就可以看出来。70年代的光纤通信系统主要应用多模光纤，80年代以后，开始逐渐采用单模光纤，等到进入90年代以后，人们就已经开始使用光纤放大器、波分复用（WDM）技术等新技术。广泛地应用于市内电话中继和长途的通信干线，已经成为了通信线路的骨干。
（5）共和国的“光之路”
20世纪70年代，国外的低损耗光纤获得突破性发展以后，我国也从1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作。
70年代中期，我国研制出了低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。1979年，北京和上海两地分别建成了市话光缆通信试验系统，它比世界上第一次现场试验晚了两年多。
以上的这些成果，使我国成为当时拥有光缆通信系统试验段的几个国家之一，标志着我国光通信研究有了一个良好的开端。到了20世纪80年代末，我国光纤通信的关键技术已经进入了国际先进水平的行列。
从1991年以后，国家将重点从长途电缆通信系统的建立转移到大力发展光纤通信上面来。在“八五”期间，我国已经建成了总长度达33000公里、含22条光缆干线的“八横八纵”的大容量光纤通信干线传输网。1999年1月，我国的第一条最高传输速率的国家一级干线（济南至青岛）系统建成，使其光纤通信的容量在原有的基础上扩大了8倍。
3.光通信之“源”-光源
光纤通信系统的关键器件是光源。一般来说，产生光通信系统所需要的光载波，其特性的好坏直接影响光纤通信系统的性能。通常，实用光纤通信系统对光源有以下几点要求：
（1）合适的发光波长
光源的发光波长必须在光纤的低损耗区，换一种说法就是指光源的发光波长应该与光纤的工作窗口相一致。
（2）足够的输出功率
因为光源输出功率的大小直接影响光通信系统的中继距离，因此，光源的输出功率必须足够大。通常，光源的输出功率越大，则系统的中继距离就越长。但是，这个结论是有限制条件的，也就是说，如果当光源的输出功率太大，以至于使光纤工作处于非线性状态，则是光纤通信系统所不允许的。当然，目前最主要的问题是光纤功率不够，不是光纤的功率太大。因此，为了使中继距离增大，我们还应该努力提高光源输入光纤的光功率。
（3）可靠性高，寿命长
一般说来，光源的工作寿命长，通信才可靠。一个通信系统中有10个光源，若其中一个光源发生故障的话，会使整个系统中断工作。目前来看，通信工程所提出的要求是光源的平均工作寿命为106小时（大约为100年的时间），一般情况下是不允许中断通信的。
从故障的概率来看，通信系统发生中断通信故障的时间应该间隔约10万小时（即10年左右）或以上，这也应该是实用通信工程对元器件的要求。
（4）输出效率高
输出效率是指输出的光功率与所消耗的直流电功率的比值。一般来说要求输出效率尽量高，即耗电尽量省，且要在低电压下工作。
这样的话，对无人中继站的供电就比较方便了。目前社会上输出效率的标准是大于10％，将来希望达到50％。
（5）光谱宽度窄
光源的发光波长范围指的是光谱宽度。人们要求光谱尽量短，因为人们总是希望光波也能够和无线电波一样，只在一个频率振荡，但是实际上这是很难做到的。通常，光源的光谱宽度直接影响到系统的传输带宽，若其与光纤的色散效应相结合，就会产生噪声，影响系统的传输容量和中继距离。
（6）聚光性好
它要求光源发光尽量集中，将其会聚到一点，并尽可能多地把光送进光纤，即耦合效率高。
这样便会使进入光纤的功率大，则系统中继距离就可增加。
（7）调制方便
调制即是把话音等信息附载在光波上，一般来说，决定系统成败的关键是如何高效地用电信号来调制光波。主要是频率的搬移。
（8）价格低廉
光源价格低廉，可以批量生产。光纤通信系统在价格上通常低于其他现有系统，因为价格与光源的可靠性和批量生产性直接相关。另外，价格低廉的光源还拥有体积小、重量轻以及便于在各种场合应用等诸多优点。
通常，在光纤通信中，常用的光源有三种，即半导体激光器、半导体发光二极管和非半导体激光器。一般在实际的光纤通信系统中，比较常选用的是前两种，也就是半导体激光器、半导体发光二极管。而非半导体激光器，像固体激光器、气体激光器等，体积太大，只用于一些特殊的场所。尽管它们是最早制成的相干光源，但不适宜与体积小的光纤配合使用。
第四节名人点击-阿尔伯特·爱因斯坦
“我们全都获益匪浅，全世界都感谢他的教诲，那专属他个人的东西，早已传遍广大人群。他像行将陨灭的彗星，光华四射，把无限的光芒同他的光芒永相结合。”
——歌德
1955年4月18日，20世纪人类最伟大的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦病逝。他在留给后人的生前遗嘱中写道，在他死之后，把他的骨灰撒在不为人知的地方，不建坟墓，不立纪念碑，不发讣告，火化时免除所有的花卉布置及音乐典礼、免除所有公共集会。根据遗嘱，爱因斯坦火化时，只有他的大儿子汉斯·爱因斯坦，遗嘱执行人、经济学家纳坦，他最忠实的合作者杜卡斯，助手诺伊施泰因，图书管理员范托娃及他的妻子等12人在场。小教堂里一片寂静，没有奏乐，没有花卉。在结束仪式时，爱因斯坦的遗嘱执行者纳坦代表全世界的人们和他自己念了上面这首歌德悼念席勒的诗，表达了对“这一位时代最伟大的科学巨人”深深的敬意和哀思。
1.“时代伟人”——爱因斯坦
阿尔伯特·爱因斯坦，英文名Albert Einstein，1879年3月14日出生于德国西南的乌耳姆城，1955年4月18日在美国病逝。爱因斯坦是美国国籍的犹太人，是现代物理学的开创者和奠基人、相对论“质能关系”的提出者及“决定论量子力学诠释”的扞卫者。
1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。
其实，爱因斯坦小时候并不活泼，到了三岁多还不会讲话。
他的父母亲很担心他是哑巴，曾经带他去医院做过检查。还好，事实并不是他们想象的那样。尽管这样，爱因斯坦每讲一句话都必须经过认真地思考，非常吃力，直到九岁时讲话还不很通畅。
爱因斯坦在念小学和中学时，举止缓慢，不爱跟人交往，功课很平常，所以老师和同学都不喜欢他。特别是教他希腊文和拉丁文的老师曾经公开骂他，“爱因斯坦，你长大后肯定不会成器”，并因为担心他在课堂上影响其他的学生，竟想把他赶出校门。小时候的爱因斯坦常常爱找他的叔叔问问题。叔叔雅各布是一位工程师，在他的电器工厂里专门负责技术方面的事务。叔叔非常喜爱数学，每当爱因斯坦问他问题时，他总是用很浅显通俗的语言把数学知识讲给他听。可以说，爱因斯坦较早地受到了科学和哲学的启蒙，他的叔叔功不可没。
爱因斯坦的父亲则是一个乐观和心地善良的人，尽管生意做得并不好，但是每个星期都有一个晚上要邀请来慕尼黑念书的穷学生吃饭，也就是说，救济他们。在这些学生中，有一对犹太兄弟麦克斯、伯纳德，来自立陶宛，他们和长着黑头发和棕色眼睛的羞答答的小爱因斯坦成了好朋友。他们都是学医的，喜欢阅读书籍，兴趣广泛。
麦克斯常常借一些通俗的自然科学普及读物给他看，可以说是爱因斯坦的“启蒙老师”。
在爱因斯坦12岁那一年，麦克斯送给他一本施皮尔克的平面几何教科书，爱因斯坦看了之后感觉非常受益，以至于他在晚年时还念念不忘。当他回忆起这本神圣的小书时，他说：“这本书里有许多断言，如‘三角形的三个高交于一点，它们本身虽然并不是显而易见的，但是可以很可靠地加以证明，以致于任何怀疑似乎都不可能’”。他说，这种断言给他留下了一种难以形容的明晰性和可靠性的印象。之后，从一部卓越的通俗读物中，他还非常幸运地知道了自然科学领域里的主要成果和方法。这些，不仅增进了爱因斯坦的知识，而且还拨动了年轻人好奇的心弦，引起了他对一些问题的深思。
1896年10月，爱因斯坦考进了苏黎世工业大学，在师范系学习数学和物理学。他时常对学校的注入式教育十分反感，认为这使人没有兴趣、没有时间思考其他问题。幸运的是，在苏黎世的联邦工业大学，真正窒息科学动力的强制教育要比其他大学少得多。在苏黎世工业大学，爱因斯坦充分地利用学校中的自由空气，把精力和时间集中放在自己所热爱的学科上。爱因斯坦有着非常惊人的自学本领、分析问题的习惯和独立思考的能力。他广泛地阅读了赫尔姆霍兹、赫兹等物理学大师的着作，其中，最让他痴迷的是麦克斯韦的电磁理论。
1900年，爱因斯坦从苏黎世工业大学毕业。因为他对老师态度的冷漠和对某些功课的不热心，他被拒绝留校任教。由于找不到工作，爱因斯坦只能靠做代课教师和家庭教师谋生。在失业一年半以后，他的同学马塞尔·格罗斯曼向他伸出了援助之手，马塞尔·格罗斯曼说服了他的父亲把爱因斯坦介绍到瑞士专利局去做一个技术员，解决了他的工作问题。
1902年2月21日，爱因斯坦取得了瑞士国籍，迁居伯尔尼。之后不久，他正式受聘于专利局，任三级技术员，其工作职责是审核申请专利权的各种技术发明创造。1903年，他和他的大学同学米列娃·玛丽克（他的第一任妻子）结婚。之后在1900～1904年的每一年，爱因斯坦都写出一篇论文，发表在德国的《物理学杂志》上，如关于液体表面、统计力学、电解热力学的一些基本理论。1904年，爱因斯坦通过探讨统计力学所预测的涨落现象，发现了能量涨落取决于玻尔兹曼常数。他把这一结果用于力学体系、热现象、辐射现象，从而发现了“维恩位移定律”。
爱因斯坦在人类科学史上创造了一个又一个的奇迹，1905年是他厚积薄发的一年。在3月到9月这半年中，他利用在专利局每天八小时工作以外的业余时间，前后共写了六篇论文，发表了关于光量子说、布朗运动理论、分子大小测定法及狭义相对论这四篇重要文章，可以说在三个领域内做出了四个具有划时代意义的贡献。爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个推测性观点》这篇论文中，首次揭示了微观客体的波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。
1921年，爱因斯坦作为“光电效应定律的发现者”一举获得了诺贝尔物理学奖。“相对论”的发现是爱因斯坦的另一重大贡献，他的狭义相对论预言了不少新的效应，不但可以解释经典物理学所能解释的全部现象，而且还可以解释一些经典物理学所不能解释的物理现象。
在这短短的半年时间里，爱因斯坦在科学上所取得的突破性成就，可以说是“石破天惊，前无古人”的。有人说，即使他只完成了三个领域中任何一方面的发现，或在此时放弃物理学研究，爱因斯坦也会在物理学发展史上留下极其重要的一笔。所有爱因斯坦的这些理论的发现和提出，迎来了物理学更加光辉灿烂的新纪元，拨散了笼罩在当时的“物理学晴空上的乌云”。
2.激光理论的预见者-爱因斯坦与受激辐射
有人说，爱因斯坦一生完全可以五次登上诺贝尔奖的领奖台，他的任何一个发现-光量子理论、相对论（广义和狭义）、统计物理中的玻色（爱因斯坦凝聚）以及关于激光理论（受激辐射的发现）等都可以使他成为一个成功的物理学家。下面我们主要来看看爱因斯坦和他的受激辐射理论吧。
在物理学的磁场中，由于场效应的作用，处于高能状态的粒子受到感应后会跃迁至低能状态，并同时发出光的辐射，这种辐射就是我们常说的“受激辐射”。辐射光和感应它的光子同方向、同位相、同频率并且同偏振面。
其实早在1916年，爱因斯坦就以深刻的洞察力首次提出了受激辐射的概念，预言了激光的理论基础。高能状态的原子，当受到频率正好与它的跃迁频率一致的外来光子的作用时，它就会从高能级跃迁到低能级，并且发出与外来光子完全相同的另一光子。这种新发出的光子不仅频率与外来光子一样，而且它的发射方向、位相和速率、偏振态也都同外来光子一样。这样，一个光子就变成了两个光子。当其处在适合的条件下时，它就会像雪崩一样得到放大和加强，产生一种强大的能量。不过，值得注意的是，激光所需要的“光”是一般自然条件下得不到的“相干光”。
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