这种应用于传导光线的特殊纤维就是光导纤维,光纤维很细,其直径仅为3~10微米,越细越柔软。光在光纤维内的传播是以全反射的形式进行的,光纤维内传播的光波有别于自由空间的波,打个比方,光在光纤维中如蛇行一般。光在光纤锥内传播的速度随光的波长而不同,当光的波长越大,频率越低时光就越难以通畅。因此在光电子学中也把光纤维看作一种阻止高频率光波通过的滤波器。
光纤维怎样才能把光传得远,又同时保证传送应有频带这是光纤维技术研究的主题。
光纤最早应用于微波无线电和信号中心之间的相互连结。
在本世纪70年代后期,卫星地面站就采用了光纤电缆替代同轴电缆。然而作为远程的光纤互连应用则于武器装备和军事通信中首开先河。
在军事通信系统中天线向外发射电波,这是最容易被敌方察觉的,一旦发觉随之而来的便是惨遭摧毁。为了有效地保护信号中心各种计算机等昂贵的高级通信设施,目前所采取的有效对策是将天线与信号中心分离开相距1~3公里,以保障信号中心的安全。按传统的办法采用同轴电缆完成远程互连有许多问题很难解决,且不说要耗费大量同轴电缆与同轴电线配套的放大器,还会导致信号噪声,给可靠性带来不良因素;在运输上由于同轴电线重量较重也很不便,特别是同轴电缆易遭雷电破坏。用光纤代替问轴电缆,可以直接在较高的频率范围内工作,同时损耗极低,因此完全不需要线路放大器,从而解决了传输噪声,提高了可靠性。光纤具有的高绝缘特性使天线不怕雷电袭击。
在军用通信中,首先应用光纤网路远程装置,是在1980年由美国空军建立的AN/GRC206电系统。此后许多雷达系统也采用了远程光纤的互联。如新型对空“小猎犬”导弹系统就是采用光纤来互连的。
激光的每一个特点都可以引带出一些应用,正是这些应用才使激光被列为新技术革命的主要特征之一。激光技术是当今一项极富有魅力的新技术。
激光唱机、唱片
激光唱机与激光唱片是当代激光应用技术最为成功的杰作。激光唱机和激光唱片简称“CD唱机”或“CD唱片”。CD为英文compact dise——Digital audio的缩写,意为小型数码音频唱片。与传统唱机相比,激光唱机具有许多无法比拟的优越性:能提供优良的高保真度、高纯度音质,立体声左右声道分离度达85分贝,频率响应在5~20000周(赫兹)之间,谐波失真为0.004%,不存在抖晃率问题,唱片寿命极长,几乎永不磨损,动态范围超过90分贝,已接近大型交响乐队的动态范围。可以使记录在唱片上最细微柔弱的声音真实、清晰地再现出来:强劲的低音使人感到裤腿摆动,听提琴声时松香味十足,高潮来临势如排山倒海,沉寂时连歌星启唇时的纹理也尽再现……这一切都令音乐迷们高“烧”不退,如醉如痴。
在简述激光唱机的工作原理时,不妨与传统的唱机作一比较。普通唱机的唱片表面刻有一条连续不断的音轨“纹槽”,这条连续不断的“纹槽”里记录着各种模拟音响信号。当拾音器唱针直接接触音轨纹槽时,随着纹槽的摆动幅度和深度的不断变化,拾音器即从音轨上拾取唱片的模拟信号。唱片由唱机(弹簧发条或电机)带动,按顺时针方向、等角速度旋转,唱针顺着纹槽,由唱片的外圆向内圆移动,并连续不断地读取上面的信号,这些信号经过电路处理和放大后,由扬声器放出唱片的声音。普通唱片一般,由塑料制成,由于唱针与唱片是直接接触,因此唱针容易因摩擦和磨损而产生放音失真。
激光唱机工作原理与普通唱机截然不同。它灌录在唱片上的信号是数字信号,是连续不断的“坑点”轨迹:即“0”和“1”数字符号。这些“坑点”的深度一般为0.1微米(1微米=1/1000毫米),轨迹之间的距离为1.6微米,每毫米有625条,一张CD唱片轨迹数约为2万条,全长可达5公里。
激光唱片上的“小坑”是下凹的。光拾音器上的扫描激光束是来自唱片下部,因此“坑点”对激光束来讲却是凸出的。
当激光拾音器发出的激光束扫描聚焦于唱片镀铝的“坑点”上时,便被漫反射,这时光拾音器检出的信号为“0”;激光束照射在无“坑点”处时,光线反射回光路而被检拾出,这时信号为“1”。随着唱片的转动,长短“坑点”不断地扫过激光束,反射光的密度、强弱也将相应地变化,形成连续信号流,经光电转换、电流电压转换、放大、整形后,即获得了唱片上所记录的数字声音信号。
数字声音信号中包含调制、同步、纠错等信息,故必须经解码、数字滤波和D/A(数字/模拟)变换才能获得模拟声音信号。
激光唱片实际上是光盘的一种,是信息存贮的载体或称之为“媒介”。光盘的基板采用玻璃或塑料,制作的关键是要在基板上形成一层记录薄膜,并刻上记录槽,整个盘面大部分区域是数据道,用于贮存信息或数据,在该区域内刻有一条螺距为1.65微米(头发丝直径约为70微米)宽1微米的螺旋形沟槽,沟槽由数不清的凹坑点组成的。各沟槽又被分为32个扇段,便于各种信息的贮存。而这只有头发丝的1/70那么细的沟槽是怎么做出来的呢?这当然还离不开激光这个神奇之光。具体方法是:先在基板上涂上一层极薄的保护胶层,把激光束聚焦成直径为1微米以下的细光对胶层曝光。为了保证螺旋形沟槽之间的间隔处处相等,还必须给激光配上一个自动聚焦系统和一个自动跟踪系统,因为在曝光时基板是匀速旋转的。曝光后再作显影和烘干处理,然后在基板上涂一层薄导电层和镍膜,此时在镍膜上已形成沟槽。将镍从玻璃基板上分离下来,再重新复制到具有记录膜的基板上去,便得到了一块完整的附有预刻槽的光盘。
光盘的基板不是随便拿一块玻璃或塑料就行的,它必须经过精密抛光,要求透光率在90%以上,而且刚性要好,能经得起高速旋转,对记录膜亲和性要好,热传导率低等。同时对记录膜材料的要求也高,希望它再现性好,灵敏度高,而且记录信息后保存寿命应在10年以上。光盘在加工过程中对环境要求也很苛刻,以至人眼难以分辨的尘埃,也会对它造成误差以至失真。此外,严格的测试和封盘都是必不可少的。
激光表演
从20世纪80年代初期开始,激光娱乐显示技术获得了较快的发展和应用,已进入许多表演场合,这一飞跃的主要因素是与新显示技术的发展、计算机硬件的相互作用以及广告、演出、宣传等对其日益增长的需求分不开的。
1979年,我国国庆30周年焰火晚会上,首次采用了激光进行天幕投射,那闪烁的光束、梦幻般的图案、绚丽的色彩为节日增添了热烈的气氛,给许多人留下了难忘的印象。
美国洛杉矶激光介质公司是激光娱乐领域中最有实力的一家,它主要是为摇滚音乐会伴映。该公司每年都要举行上千次的各类露天表演的激光音乐会,可见其受欢迎的程度。
在美国节日期间,公司常用两支15W的氩、氪激光器,把动画片从舞台射到两个大型显示屏幕上,这种激光器配有专用电子计算机来安排画面和适当调节各波长的功率比例,计算机内的程序可在存贮器中贮存约1000帧画面。该公司已研制三种系列装备计算机的激光绘图系统样机,以及有价值的表演产品。最小系统的售价仅1000美元左右。利用该产品提供的数字软件和硬件,用户能设计和控制自己的图像。该公司最令人惊奇的表演是在佐治亚州石头山公园。在那里,他们把动画片投射到1000英尺高的一堵巨大的石壁上。由计算机控制的10多种颜色的激光束,从十几个不同的地点射向石壁,并以极快的速度变换画面,同时配以激昂的音乐,使人怦然心动,取得了神奇的效果。
1988年9月夏季奥运会期间,韩国汉城上空用多束激光装点,接连表演7个晚上。表演的是激光动画、图片、特技等。
这次表演由美国麻省图像工程公司及韩国时空公司联合举办,为这届百年不遇的盛会披上了艳丽的盛装。
美国激光公司于1989年夏天在大古力水坝上以激光表演了名为“生命与水”的节目,画面投射到整个一英里宽的水坝坝面上。该系统是受美国农垦局委托设计的,它包括输出功率为70瓦的红、绿、蓝三色激光的四套激光装置,将节目存贮以数字声带放映,系首次用于激光显示业。持续半个小时的显示包括了万余帧画面。据称为迄今激光显示业中最大的节目表演项目。
美国视听影像公司用配氩氟多色激光器的激光投影机,在纽约的一个天文馆内,举行了一场别开生面的“激光音乐会”,放映了与音乐同步的瞬息多变的激光图像。这是一种行进式的摆动光波图,使人有身临其境的真实感,引起观众的极大兴趣。而激光图像公司的激光天像仪,则利用激光在拱形天花板上表演模拟天像。
自20世纪70年代中期以来,激光又介入了电影的拍摄。1983年激光介质公司制作了两部激光电影,其中一部是给阿兹台克人信奉的主神阿兹台克上帝提供生动的形象,另一部是《科学》,其内容是描写关于爱因斯坦冒险活动的故事片,影片中用激光描绘出女机器人。此外,大家所熟悉的美国一部描写未来宇宙之战的科学幻想片《星球大战》中,也运用了激光刀、激光枪,以及立体全息图像,耗资数千万美元,在银幕上产生了惊险奇幻的艺术效果,使影片获得了极大的成功。
激光电影
继立体电影和全景电影之后,目前电影业最热门的要算是激光电影了,由于激光电影内容新鲜刺激,票价也可令人接受,所以上映激光电影的影剧院场场爆满,人们争先恐后,都想先睹为快,看一看激光电影到底是怎么回事,它与普通电影又有什么区别。
大家知道,普通电影是由胶片(俗称“拷贝”)来存贮图像的,通过放映机在宽大的银幕上再现图像。而激光电影的图像是存贮在一张小小的光盘上,就像激光唱机的唱片一样,只是直径大了一些,约为30厘米。放映用类似激光唱机的激光影像机(俗称“影碟机”)进行图像的再现。与激光唱机相比,整个系统复杂了一些。
放映的方法有两种:一种是激光电影影剧院采用的,由影碟机配一套与投影电视相同的3只阴极射线管,分别将红、绿、蓝三基色射向荧光屏,再通过适当的光学系统投向银幕,以获得色彩逼真的画面,剧场前后4只喇叭使观众享受到高保真的音响效果;另外一种则是由影碟机直接驳接家用彩色电视机,适用于普通家庭。就像用录像机放映录像带一样,激光电影在放映过程中,可使画面停止、前进或后退,而且进退速度可以调节,不必担心像录像带那样可能会受到损害。更令人惊奇的是它还可以分别用不同语言播放,这是因为在光盘的声道上已事先刻录好了这些语言的信息,在放映时可以任意选择,这就大大方便了节目的国际交流。
光盘不但体积比起电影胶片拷贝要小得多,而且价格也低得多。例如,一般放映4个小时的电影拷贝,一个人几乎无法搬动,堆起来有1米来高,制作费高达2万余元。而放映同样时间的激光电影只需一个光盘(两个面),非常轻巧,成本只有500元左右。
不过,像许多新事物一样,激光电影也有不尽人意的地方。
尽管放映激光电影的银幕采用了可增加亮度的一种特殊的“微珠银幕”(即在布上镶嵌了许多小玻璃珠子),但其亮度仍不如普通电影。另外尺寸也不够大,普通电影的银幕面积大的已达10×20(米2),而微珠银幕还只有3×4(米2)左右。所以,激光电影的放映只能在小厅进行,观看人员一般为几十人至上百人,特别适合于小型会议、电化教学以及亲友聚会等场合。大屏幕平面直角彩色电视机的出现,与激光影碟机配合起来真是珠联璧合,相得益彰,为现代化的家庭锦上添花。所以说,尽管激光电影的效果还比不上普通电影,但其优点还是主要的。
激光防伪
创一个名牌产品需要几年乃至几代人坚持不懈的努力,因为在消费者心目中树起一个良好的信誉形象需要时间的考验。所以,在商界就称名牌为“金字招牌”,因为牌子出名与财源滚滚简直就是同义词。
正由于此,故仿造名牌产品、盗窃商标等活动在世界各地都很猖獗。据1986年统计,工商业上的行骗平均每年高达5500万英镑,相当于世界贸易额的3%到6%。根据这份报告,英国于1986年增设了仿造情报局,其任务之一就是受理产品被仿造的诉讼案件,许多蒙受损失的企业(特别是香料、首饰、计算机、玩具以及其他流行商品的制造商),迫切要求为他们提供一种能鉴别真伪的编码技术。几年过去了,仿造情报局绞尽了脑汁,提出和试验过数百种方案,终因商品的不同、成本的限制、技术的障碍等原因而一筹莫展,最终还是彩虹模压全息图的出现才解救了危机。
目前,模压全息已作为一种行之有效的防伪手段越来越广泛地应用于这一领域。如瑞士的生产园艺专用设备的RP(Ralstonpurina)公司、美国生产香皂、洗涤剂的Procte&Gamble公司、巴尔摩生产化妆品的Noxell公司、纽约生产美容、定发型香波的Reylom公司以及不少生产玩具的公司,还有日本的松下录像带、西铁城手表,中国的章光牌101毛发再生精等都采用了全息防伪标记。由于国外汽车零件市场很大又竞争激烈,关键部位的零件质量如何是顾客生命攸关的大事,为了确保安全,钞票全息公司正在研究将全息标志用于汽车零件的包装盒。巴黎是时装的圣城,皮尔·卡丹等服装设计大师的杰作已被视为珍贵的艺术品,目前已开始用全息图作为服装设计者的鉴证,这又为出自名家高手的时装锦上添花。
全息图在开始应用时,是像不干胶商标或胶带纸似的贴在商品或包装上面的,很容易被人揭掉而另作他用。为此美国、德国便发展了一种一次性使用的全息粘贴技术。一旦把它贴上后,就再也不能完好地揭下。因为在揭下时,全息图像也被破坏并且不能复原,这进一步促进了模压全息在保安、防伪方面的应用。
激光打印机