光子盒研究院出品

導(dǎo)讀：20世紀(jì)50年代以來(lái)，科技領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)光學(xué)革命，激光和光纖的誕生，帶來(lái)了革命性突破。事實(shí)上，激光和光纖的誕生也是第一次量子革命的范疇，因?yàn)檫@些技術(shù)的發(fā)展是基于對(duì)量子規(guī)律的觀測(cè)和應(yīng)用。本文出自O(shè)PTICA新年首刊，原文標(biāo)題為《光學(xué)革命的兩項(xiàng)突破》，文中的核心觀點(diǎn)是信息技術(shù)的發(fā)展不是由任何單一的突破推動(dòng)的。這對(duì)于開(kāi)啟第二次量子革命的今天仍有重要指導(dǎo)意義。與第一次量子革命不同，第二次量子革命是人類對(duì)量子態(tài)的主動(dòng)調(diào)控和操縱，從而實(shí)現(xiàn)量子信息技術(shù)。

激光和光纖的共同歷史說(shuō)明了真正革命性突破的發(fā)展都是相似的。

在1950年，光學(xué)是物理學(xué)中的一個(gè)落后領(lǐng)域。第二次世界大戰(zhàn)推動(dòng)了光譜學(xué)和紅外技術(shù)的重大進(jìn)展，但光學(xué)似乎是一個(gè)由鏡片和光學(xué)儀器組成的沒(méi)有吸引力的世界。當(dāng)Jay Last于1951年從美國(guó)羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所畢業(yè)時(shí)，他的教授Parker Givens說(shuō)這是在固態(tài)物理學(xué)中發(fā)生的。

Last說(shuō)：“光學(xué)是必要的，但它并不震撼；而固態(tài)電子學(xué)每天都在創(chuàng)造新的東西。”博士畢業(yè)后，他于1956年搬到加州，共同創(chuàng)立了仙童半導(dǎo)體公司（Fairchild Semiconductor），這使他處于硅谷的集成電子行動(dòng)的中心。在那里，他將成為半導(dǎo)體前沿領(lǐng)域的一員，這也是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)基礎(chǔ)的為數(shù)不多的重大突破之一，而現(xiàn)代信息技術(shù)又為電力工業(yè)時(shí)代的機(jī)器和產(chǎn)品提供了新的功能和增強(qiáng)的性能。

偉大的突破本身是一系列進(jìn)步的產(chǎn)物。首先是機(jī)器的編程，始于1804年發(fā)明的提花織機(jī)，并通過(guò)齒輪式計(jì)算器和真空管發(fā)展起來(lái)；其次是半導(dǎo)體電子學(xué)，從晶體管開(kāi)始，發(fā)展到集成電子學(xué)，其發(fā)展速度突飛猛進(jìn)。使這兩種技術(shù)取得巨大突破的原因是它們有能力使自身進(jìn)展成倍增長(zhǎng)，從而開(kāi)辟出巨大的新的可能性。提花織機(jī)將線反復(fù)織成精致的圖案；今天的軟件控制火箭發(fā)射或氣候模擬的復(fù)雜操作。半導(dǎo)體電子技術(shù)開(kāi)始時(shí)是真空管的微型版本，但現(xiàn)在已經(jīng)成倍地增長(zhǎng)為強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)器。

然而，編程和集成電子產(chǎn)品只是信息技術(shù)的一部分。如果計(jì)算機(jī)器不能相互溝通，它們?nèi)匀还δ苡邢?；運(yùn)輸它們處理和產(chǎn)生的巨大信息量需要一個(gè)全球性的、高容量的網(wǎng)絡(luò)。

建立這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)是光的工作，由另外兩項(xiàng)偉大的突破來(lái)實(shí)現(xiàn)：激光和光纖。激光提供對(duì)光的巨大控制，使其成為單色的，并在空間和時(shí)間單位上緊密地聚焦到飛秒。光纖將原本會(huì)消散的光線導(dǎo)入波導(dǎo)，并通過(guò)幾乎完全透明的玻璃制成的細(xì)如發(fā)絲的纖維將其傳送到世界各地。

值得注意的是，計(jì)算機(jī)的功率和光通信的傳輸能力已經(jīng)快速增長(zhǎng)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，芯片上晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)遵循摩爾定律，與光纖傳輸能力的增長(zhǎng)同步進(jìn)行。信息技術(shù)的發(fā)展不是由任何單一的突破推動(dòng)的，而是由軟件、半導(dǎo)體電子學(xué)、激光和光纖這四項(xiàng)重大突破的互補(bǔ)性組合演變而來(lái)。

左圖：光纖，貝爾實(shí)驗(yàn)室，1976年。右圖：通用電氣的激光輔助加工，1975年。

20世紀(jì)中葉：光學(xué)復(fù)興

光學(xué)突破的第一次震蕩出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代中期。第一根玻璃包覆的光纖在1956年12月首次亮相，1957年2月，一位醫(yī)生在病人的喉嚨里測(cè)試了一個(gè)光纖胃鏡。同年晚些時(shí)候，開(kāi)始了制造激光器的努力，并在1960年以第一次激光演示。光纖可以在拐角處引導(dǎo)光。激光創(chuàng)造了一種新的光的形式：相干、并集中在一個(gè)狹窄的光束中。舊的光是白色的，向各個(gè)方向擴(kuò)散；新的光在波長(zhǎng)和方向上受到嚴(yán)格的控制。

1841年，瑞士物理學(xué)家Jean-Diel Colladon首次演示了全內(nèi)反射光導(dǎo)，將光線對(duì)準(zhǔn)水流；1884年，《自然》雜志上刊登了他的“光噴泉”插圖。

這兩項(xiàng)突破都是從19世紀(jì)末和20世紀(jì)初的新物理學(xué)中產(chǎn)生的。光纖的根源在于傳統(tǒng)的全內(nèi)反射概念，但波導(dǎo)的概念則源于麥克斯韋的電磁波理論。激光產(chǎn)生于受激發(fā)射的概念，愛(ài)因斯坦在1916年對(duì)馬克斯-普朗克的輻射定律分析中提出了這一概念。隨著理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)的擴(kuò)展，以及技術(shù)的發(fā)展，光纖和激光都慢慢成熟起來(lái)。

當(dāng)然，光纖和激光的歷史故事已經(jīng)被講述了很多次。但它們值得再次一起研究。回顧過(guò)去，我們當(dāng)然可以指出里程碑式的成就：1956年第一根玻璃包層光纖、1960年第一臺(tái)激光器、1970年第一根低損耗光纖。然而，將光學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾萍嫉氖且幌盗兄匾倪M(jìn)展，這些進(jìn)展是由許多站在巨人肩膀上的人在幾十年里取得的。

全內(nèi)反射和光纖

全內(nèi)反射在17世紀(jì)早期就已經(jīng)被人們所知，但波動(dòng)理論直到19世紀(jì)早期才能夠解釋它。第一個(gè)實(shí)用的光導(dǎo)是彎曲的玻璃棒，在20世紀(jì)初使用，用熱燈發(fā)出的光照亮牙科患者的口腔，這可能導(dǎo)致了將玻璃纖維捆綁在一起傳輸圖像的想法。1930年，德國(guó)醫(yī)學(xué)生Heinrich Lamm通過(guò)一束松散的玻璃纖維傳輸了白熾燈泡燈絲的明亮圖像。他的目標(biāo)是制造一種柔性內(nèi)窺鏡來(lái)觀察胃部，但他無(wú)法進(jìn)一步前進(jìn)。

第二次世界大戰(zhàn)后，其他人試圖通過(guò)松散、裸露的纖維束傳輸圖像，但受到高損耗的阻礙。第一個(gè)提出解決方案的是1951年的Brian O'Brien，當(dāng)時(shí)他既是OSA（現(xiàn)在的Optica）總裁，也是羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所所長(zhǎng)。憑借電氣工程和物理學(xué)的學(xué)位，O'Brien認(rèn)識(shí)到光纖是用于傳輸無(wú)線電信號(hào)的塑料介電棒的光學(xué)對(duì)應(yīng)物，因?yàn)閮烧叨际茄仄溟L(zhǎng)度傳導(dǎo)電磁波的非導(dǎo)電波導(dǎo)。他意識(shí)到，用較低折射率的材料包覆光纖可以減少光泄漏到空氣中。

問(wèn)題是要找到一種適合做包層的低折射率透明材料。1956年，美國(guó)密歇根大學(xué)的本科生Larry Curtiss將一根高折射率的玻璃棒插入一根低折射率的管子，并將它們?nèi)诨谝黄穑晒α?。在他拉?0英尺的纖維后，他可以透過(guò)纖維看到熔爐發(fā)出的光芒。他的實(shí)驗(yàn)為實(shí)用的醫(yī)療內(nèi)窺鏡打開(kāi)了大門，這是纖維光學(xué)的早期主要應(yīng)用。

Larry Curtiss在美國(guó)密歇根大學(xué)當(dāng)物理系學(xué)生時(shí)，就有了實(shí)用醫(yī)療內(nèi)窺鏡的想法。

一家在其他光學(xué)領(lǐng)域也有創(chuàng)新的美國(guó)眼鏡制造商——美國(guó)光學(xué)公司（American Optical Company），走了一條不同的路：把許多細(xì)的纖維棒堆在一起，然后把它們拉成剛性的熔融棒。當(dāng)單個(gè)纖芯的直徑達(dá)到幾微米時(shí)，在該公司工作的Will Hicks注意到了奇怪的圖案，他的同事Elias Snitzer將其識(shí)別為模態(tài)圖案，一直下降到單模。單模光纖傳輸?shù)陌l(fā)現(xiàn)后來(lái)被證明對(duì)光纖通信非常重要。

1961年，首臺(tái)光纖激光器

20世紀(jì)20年代末的實(shí)驗(yàn)證明了受激輻射的存在。后來(lái)，為了尋找更高頻率的微波光譜學(xué)源，Charles Townes發(fā)現(xiàn)了如何放大受激發(fā)射。微波光譜學(xué)是他在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的主要興趣，1951年，他靈機(jī)一動(dòng)，認(rèn)為分子過(guò)渡可能提供所需的高頻。1954年，他的學(xué)生James Gordon通過(guò)將激發(fā)的分子與基態(tài)的分子分離，并將激發(fā)的分子引導(dǎo)到一個(gè)在24 GHz微波轉(zhuǎn)換處產(chǎn)生共振的空腔中，從而制造出了第一個(gè)脈澤源（maser source）。

1957年，Townes轉(zhuǎn)向制作光學(xué)版的脈澤器，這帶來(lái)了不同的挑戰(zhàn)：使用什么發(fā)光材料、如何將原子或分子激發(fā)到高能級(jí)，以及如何設(shè)計(jì)一個(gè)諧振腔。其他人緊隨其后，但這個(gè)問(wèn)題是一個(gè)棘手的問(wèn)題。Theodore Maiman和O’Brien一樣，擁有工程和物理學(xué)學(xué)位，通過(guò)用商業(yè)攝影閃光燈發(fā)出的白光激發(fā)他熟悉的紅寶石，獲得了成功。

Theodore Maiman（Maiman在第一臺(tái)激光器中實(shí)際使用的閃光燈是另一種更小的閃光燈。）

Maiman在1960年7月7日的新聞發(fā)布會(huì)上宣布了激光的發(fā)明，使光學(xué)成為全世界報(bào)紙的頭版。盡管小報(bào)稱其為“科幻小說(shuō)中的射線槍”，但它立即被認(rèn)為是產(chǎn)生新光源的一個(gè)突破。科學(xué)家們?cè)谫?gòu)買了新聞報(bào)道中展示的閃光燈并使用它來(lái)激發(fā)紅寶石棒后，迅速?gòu)?fù)制了他的激光。IBM很快就用閃光燈用其他材料制作激光器。同年12月，貝爾實(shí)驗(yàn)室展示了第一臺(tái)氣體和連續(xù)波激光器。1961年，美國(guó)光學(xué)公司的Snitzer從一個(gè)帶有摻釹核心的玻璃棒中產(chǎn)生了激光脈沖，這是第一臺(tái)光纖激光器。

隨著新激光器的增多，工程師和科學(xué)家們尋求使用它們的方法。早期的測(cè)試表明，激光可以在鉆石上鉆孔，測(cè)量距離并產(chǎn)生非線性效應(yīng)。在其他潛在的應(yīng)用中，最重要的是激光束通信。

激光和光通信

廣播和長(zhǎng)途電話在第二次世界大戰(zhàn)后穩(wěn)步增長(zhǎng)，通信行業(yè)希望在更高的載波頻率上傳輸信號(hào)，提供更寬的帶寬。

在20世紀(jì)50年代，在美國(guó)提供電話服務(wù)的受管制壟斷機(jī)構(gòu)貝爾系統(tǒng)公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)一個(gè)以50 GHz頻率傳輸?shù)南到y(tǒng)，該系統(tǒng)必須埋在空心金屬波導(dǎo)中，因?yàn)榇髿鈺?huì)吸收這些頻率的信號(hào)。

在為貝爾實(shí)驗(yàn)室提供咨詢時(shí)，Townes讓他們對(duì)下一代電話系統(tǒng)的光學(xué)頻率的更大潛在傳輸能力感興趣。在早期測(cè)試顯示激光束在大氣中的傳輸不穩(wěn)定后，貝爾開(kāi)始研究光波導(dǎo)。貝爾公司傳輸研究負(fù)責(zé)人Rudolf Kompfner首先想到的是使用空心波導(dǎo)，就像50 GHz系統(tǒng)中使用的那樣。他還要求他的一名員工找出市場(chǎng)上最清晰的光纖的損耗；答案是大約1000 dB/公里，顯然對(duì)通信來(lái)說(shuō)是不夠的，所以貝爾追求空心光波導(dǎo)。

華裔物理學(xué)家高錕在英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室測(cè)量熔融石英的透明度。

位于美國(guó)的康寧玻璃廠已經(jīng)開(kāi)發(fā)出能夠承受高溫烘烤的超純石英玻璃。當(dāng)康寧公司的Robert Maurer聽(tīng)說(shuō)了高錕對(duì)超透明玻璃的研究后，他與他的同事Frank Zimar開(kāi)始了一個(gè)小項(xiàng)目：對(duì)耐熱玻璃進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)低衰減。當(dāng)這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展順利時(shí)，他雇用了年輕的科學(xué)家Donald Keck和Peter Schultz在這個(gè)項(xiàng)目上花費(fèi)更多時(shí)間。1970年，他們報(bào)告了一種在紅色氦氖激光線上的損耗為17 dB/公里的光纖。

這是一個(gè)改變游戲規(guī)則的突破，但第一根低損耗光纖對(duì)于實(shí)際使用來(lái)說(shuō)太脆弱了。1972年，康寧公司報(bào)告說(shuō)，在850納米處的損耗降低到了4 dB/公里，在核心部分添加鍺使光纖更加耐用。1976年，日本NTT茨城實(shí)驗(yàn)室的Masaharu Horiguchi和日本藤倉(cāng)電纜的Hiroshi Osanai在1.3微米的零色散波長(zhǎng)和1.55微米的光纖損耗最小值處打開(kāi)了傳輸窗口。他們的損耗在這兩個(gè)波長(zhǎng)上都低于0.5 dB/公里，這就把長(zhǎng)距離光纖的工作轉(zhuǎn)移到了這些頻段。到那時(shí)，貝爾公司已經(jīng)完成了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并悄悄地放棄了50 GHz系統(tǒng)。

又一突破：二極管激光器

如果沒(méi)有激光性能的突破，光纖損耗的突破就不會(huì)有意義。早期的氣體和固體激光器體積龐大、效率低下，因此，1962年二極管激光器的發(fā)明大大推動(dòng)了激光通信的發(fā)展。在美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）林肯實(shí)驗(yàn)室的研究人員報(bào)告了砷化鎵二極管的光發(fā)射躍升之后，它很快就出現(xiàn)了，以至于一位參加講座的人認(rèn)為他們違反了熱力學(xué)第二定律。

麻省理工學(xué)院（MIT）林肯實(shí)驗(yàn)室的早期二極管激光器特寫。

麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有這樣做，但它表明了砷化鎵GaAs是一個(gè)非常好的二極管激光器候選材料。在幾周內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)和其他三個(gè)團(tuán)隊(duì)加入了諧振器，制成了第一批二極管激光器。二極管激光器由半導(dǎo)體制成，是電子領(lǐng)域最熱門的技術(shù)，在激光通信方面開(kāi)始顯得非常有吸引力。

然而，第一批二極管激光器只能在低溫下發(fā)射短暫的脈沖。經(jīng)過(guò)十幾年的一系列進(jìn)展，才實(shí)現(xiàn)了可靠的室溫操作。第一步是由Zhores I. Alferov和Herbert Kroemer發(fā)明的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但直到1970年，Alferov的小組和貝爾實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)獨(dú)立小組才展示了二極管激光器的室溫連續(xù)波操作。又過(guò)了七年，貝爾實(shí)驗(yàn)室才生產(chǎn)出能夠在室溫下工作一百年的砷化鎵二極管激光器。

具有諷刺意味的是，就在同一時(shí)間，長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖窗口的開(kāi)放將理想的波長(zhǎng)從砷化鎵的850納米波段轉(zhuǎn)移到了1310納米波段，在這個(gè)波段，石英光纖的色散為零，衰減較低。幸運(yùn)的是，對(duì)于化合物半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，改變二極管中元素的混合物可以改變其發(fā)射線。在這種情況下，在砷化鎵中加入銦和磷可以增加它的波長(zhǎng)，所以沒(méi)過(guò)多久就可以生產(chǎn)出在1310納米發(fā)射的InGaAsP激光器，后來(lái)也可以在1550納米發(fā)射。雖然有一些小的折衷，但為砷化鎵開(kāi)發(fā)的工藝對(duì)InGaAsP的大部分長(zhǎng)波長(zhǎng)都是有效的。

接踵而至的技術(shù)突破：?jiǎn)文９饫w

高錕的最初提議要求使用單模光纖，因?yàn)楦鶕?jù)他在50 GHz埋入式毫米波導(dǎo)方面的經(jīng)驗(yàn)，多模傳輸可能導(dǎo)致嚴(yán)重的噪聲問(wèn)題。然而，單模傳輸所需的小纖芯使其很難連接兩段光纖而不漏掉大部分的光。一根850納米的階梯指數(shù)光纖的纖芯直徑必須小于約5微米，才能用于單模操作，這使得光耦合有損失。

將傳輸轉(zhuǎn)移到1310納米改變了規(guī)則。在該波長(zhǎng)下，單模芯的直徑約為9微米，而且機(jī)械連接的公差也得到了改善。但最大的好處是消除了模態(tài)色散和減少衰減，這限制了數(shù)據(jù)傳輸率和傳輸距離，在20世紀(jì)80年代初，單模系統(tǒng)從45 Mbit/s和10公里躍升到400 Mbit/s和30公里；到20世紀(jì)90年代，最高數(shù)據(jù)速率為2.5 Gbit/s，技術(shù)突破的浪潮開(kāi)始形成。

傳輸系統(tǒng)的偉大基礎(chǔ)：光纖放大器和WDM

20世紀(jì)80年代的長(zhǎng)距離光纖傳輸依賴于相隔30至50公里的電光中繼器。每個(gè)中繼器將輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子形式，進(jìn)行電子放大，然后用電子輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)激光，將信號(hào)送入下一個(gè)跨度。石英光纖已經(jīng)接近其可能的最小衰減，而且無(wú)法找到更好的纖維材料。半導(dǎo)體光放大器（沒(méi)有諧振器的二極管激光器）似乎是合乎邏輯的下一步，但它們的信號(hào)質(zhì)量被證明是不夠的。

David Payne在他的實(shí)驗(yàn)室。

這一問(wèn)題的解決方案來(lái)自于激光家族的另一個(gè)分支：光纖激光器。

英國(guó)南安普敦大學(xué)的David Payne發(fā)現(xiàn)，添加到光纖芯中的鉺可以在1550納米的波段內(nèi)發(fā)射，而那里是二氧化硅最透明的地方。在980納米的泵浦下，它是一個(gè)很好的光纖放大器，這是一個(gè)由InGaAs二極管激光器有效產(chǎn)生的波長(zhǎng)。

更好的是，鉺有一個(gè)廣泛的增益帶，所以它可以放大1550納米左右的一系列波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用（WDM）。將光纖傳輸轉(zhuǎn)移到1550納米涉及一些復(fù)雜的工程，以獲得正確的細(xì)節(jié)。整個(gè)鉺帶的增益是不均勻的，因此需要精密的光學(xué)器件來(lái)調(diào)整增益，以實(shí)現(xiàn)所有波長(zhǎng)的均勻功率。轉(zhuǎn)移到1550納米還需要對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償，在1310納米時(shí)色散為零。但處理這些復(fù)雜問(wèn)題使單根光纖的帶寬增加了近百倍，而此時(shí)其他改進(jìn)措施已將光纖帶寬提高了4倍，達(dá)到10 Gbit/s。

這個(gè)時(shí)機(jī)似乎很完美，因?yàn)樵?0世紀(jì)90年代，互聯(lián)網(wǎng)流量正在飛速增長(zhǎng)，用戶和運(yùn)營(yíng)商都需要更多的帶寬。這種增長(zhǎng)使得電信市場(chǎng)在20世紀(jì)90年代蓬勃發(fā)展。此前默默無(wú)聞的光學(xué)公司的股票飆升，市場(chǎng)大師們預(yù)測(cè)了一個(gè)光輝的未來(lái)。然而，最終，光學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步做了一個(gè)沒(méi)有人認(rèn)為可能的事情：提供了太多的帶寬。

在此后的許多年里，運(yùn)營(yíng)商可以用幾分錢的價(jià)格購(gòu)買泡沫時(shí)期安裝的暗階躍折射率單模光纖，以提供更多的帶寬。他們得到了實(shí)惠，因?yàn)榇蠖鄶?shù)光纖可以傳輸許多波分復(fù)用通道。起初，他們使用每個(gè)波長(zhǎng)10 Gbit/s，但相干傳輸和數(shù)字信號(hào)處理的引入首先將容量提高到每個(gè)通道100 Gbit/s，最近又提高到400或800 Gbit/s以應(yīng)對(duì)云計(jì)算和流媒體視頻。需要新的大模面積光纖來(lái)傳輸最高容量的信號(hào)，但它們基本上是古老的階躍折射率單模光纖的改進(jìn)版，事實(shí)證明，它是先進(jìn)傳輸系統(tǒng)的一個(gè)偉大基礎(chǔ)。

回顧歷史，激光、光纖成為技術(shù)社會(huì)的基石

在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，激光和光纖領(lǐng)域取得了一系列的進(jìn)步。

仔細(xì)觀察歷代光纖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以看到光纖、發(fā)射器、接收器、傳輸格式和系統(tǒng)本身的持續(xù)演變。新的技術(shù)已經(jīng)被加入：相干傳輸和數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)取代了色散管理以提高傳輸能力；此外，它們還延長(zhǎng)了已經(jīng)埋在地下的光纖的可用壽命，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榘惭b費(fèi)用通常比電纜本身要高。

激光技術(shù)也在不斷發(fā)展。在早期，大多數(shù)激光器將不超過(guò)百分之幾的輸入能量變成輸出?，F(xiàn)在，二極管和光纖激光器可以將一半以上的輸入能量轉(zhuǎn)化為輸出光束。光學(xué)泵浦和非線性光學(xué)技術(shù)增加了可用波長(zhǎng)的種類。我們探索得越多，學(xué)到的東西就越多，激光和光纖可以為我們做得越多；這些都是不斷推進(jìn)的突破。

現(xiàn)代激光器和光纖不是單一發(fā)明的產(chǎn)物，而是幾代科學(xué)家和工程師的累積創(chuàng)造。貢獻(xiàn)者站在巨人的肩膀上；其他貢獻(xiàn)者現(xiàn)在反過(guò)來(lái)也站在巨人的肩膀上。這篇文章只能列舉少數(shù)的奠基人。

有些進(jìn)展比本文論述的時(shí)代要早。Snitzer在1961年發(fā)明了光纖激光器，但這項(xiàng)技術(shù)要到二極管激光器成熟到足以提供泵浦源時(shí)才能發(fā)揮其作用；貝爾實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)60年代展示了空心波導(dǎo)中的相干光通信，但它只是在2010年左右隨著數(shù)字信號(hào)處理的出現(xiàn)而變得實(shí)用；康寧公司用于提純炊具用熔融石英的材料科學(xué)是低損耗光纖的基礎(chǔ)；固體物理學(xué)的研究為半導(dǎo)體電子學(xué)打開(kāi)了大門，這又為復(fù)合半導(dǎo)體和二極管激光器打開(kāi)了大門……

通過(guò)對(duì)光學(xué)的革新，激光和光纖為今天光學(xué)的大部分工作奠定了基礎(chǔ)。在醫(yī)學(xué)上，激光和光纖可以進(jìn)行敏感的測(cè)量或進(jìn)行挽救生命的手術(shù)。在工業(yè)上，它們可以在生產(chǎn)線上定位物體，焊接厚厚的金屬板。激光已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了來(lái)自遙遠(yuǎn)宇宙的引力波，并創(chuàng)造了迷人而強(qiáng)大的工具，如頻率梳。

而給我們帶來(lái)激光和光纖的突破，不僅徹底改變了光學(xué)；它們也使光學(xué)成為我們技術(shù)社會(huì)的一個(gè)重要元素。

參考鏈接：

https://www.optica-opn.org/home/articles/volume_34/january_2023/features/two_breakthroughs_that_revolutionized_optics/