激光通信
今天用光傳遞信息非常普遍。比如船舶用信號溝通，紅綠燈用紅黃綠調度。但是所有這些用普通光傳遞信息的方式都只能局限在很短的距離內。如果要用光把信息直接傳到很遠的地方，不能用普通的光，只能用激光。
那麽妳如何傳遞激光呢？我們知道電可以沿著銅線傳輸，但是光不能沿著普通的金屬線傳輸。為此，科學家們研制了壹種可以傳輸光線的細絲，叫做光纖，簡稱光纖。光纖由特殊的玻璃材料制成，直徑比人的頭發絲還細，通常為50 ~ 150微米，非常柔軟。
實際上，光纖的內芯是高折射率的透明光學玻璃，而外護套是低折射率的玻璃或塑料。壹方面，這種結構可以使光沿著內芯折射，就像自來水管中水向前流動，電線中電向前傳播壹樣，即使曲折也沒有影響。另壹方面，低折射率的護套可以防止光線外泄，就像水管不會漏水，電線的絕緣層不會導電壹樣。
光纖的出現解決了光的傳輸方式，但並不意味著有了它，任何光都可以傳輸到很遠的地方。只有亮度高、顏色純正、方向性好的激光才是最理想的傳遞信息的光源。從光纖的壹端輸入後，從另壹端輸出，幾乎沒有損耗。因此，光通信本質上是激光通信，具有容量大、質量高、材料來源廣、保密性強、持久耐用等優點。被科學家譽為通信領域的壹場革命，是技術革命中最輝煌的成果之壹。
先進的激光通信在哪裏？激光通信的優勢首先是容量大。它的容量有多大？我們平時打電話的時候，有時候會有不相幹的聲音。這種打架現象是因為壹對電話線上只能用壹根電話線。如果再串聯壹根電話線，正常的兩方通話都會受到幹擾。如果壹對電話線上同時有10對人在通話，說明20個人同時在通話，根本不可能通話。為了解決這個問題，需要用載波等方法，讓每部手機都在每個頻段。因為普通電話的頻率範圍是300 ~ 400 Hz，而壹對電話線上的最高頻率只有1500 kHz，所以壹對電話線只能同時通過十幾部電話。顯然，這樣的電信容量遠遠不能滿足當今信息社會的要求。
如果把普通電話的傳輸信息比作壹輛大車，那麽激光通信就是壹輛汽車。因為激光的頻率遠高於無線電波的頻率，所以激光通信的信息容量是電通信的654.38+0億倍。壹根比頭發絲還細的光纖可以傳輸數萬個電話或數千個電視節目。由20根光纖組成的光纜只有鉛筆那麽粗，每天能打7.62萬個電話。相比之下，由1800銅線組成的電纜直徑約為7.6厘米，但每天只能打900個電話。
特別令人驚訝的是，光纖通信特別適合於電視、圖像和數字的傳輸。據報道，壹對光纖可以在壹分鐘內傳輸全套大英百科全書。
此外，光纖是由地球上隨處可見的沙子制成的——應時。幾克應時可以制成壹根1公裏長的光纖。這樣不僅原料取之不盡，而且銅和鋁也可以大大節省。正因為如此，世界發達國家都在競相研究激光通信。所以激光通信成為競相發展的寵兒。
在通信技術史上，光纖通信技術的發展是前所未有的。縱觀通信技術史上的幾個裏程碑，電話從發明到應用，大約用了60年，電話通信至今仍被廣泛使用。無線電技術(如電報)從發明到應用也用了30年左右。雖然電視技術發展很快，但還是誕生了大約14年。激光通信，從第壹根低損耗光纖誕生到應用，只需要五年時間。如今，激光通信不僅應用廣泛，而且形成了巨大的光纖市場。
1977年5月，有壹家美國大公司叫電報電話公司，在芝加哥的兩個電話局之間鋪設了世界上第壹條短距離光纖通信線路。此後，美國近百個地方建立了總長數百公裏的短距離激光通信線路。這意味著在短距離內，激光通信已經開始取代普通的電氣通信。到1983年，紐約和波士頓之間已有600公裏的光纖通信投入使用。
日本緊隨美國之後。1984年，日本建成北海道劄幌至九州福岡的長距離光纖通信幹線，全長2800公裏，連接中間30多個城市。1993 65438+2月，中日跨東海光纜成功鋪設。日本和美國之間橫跨太平洋的長654.38+0萬公裏的海底光纜也在設計中。
由於光纖通信的蓬勃發展，美國、日本、英國、法國等工業發達國家相繼建立了光纖光纜生產企業。世界三大著名光纖光纜公司——日本西電公司、康寧公司、住友公司，每年光纖產量超過1.2萬公裏。
總之，工業化國家已經建立了全國性的光纖通信網絡，完全取代了目前的銅線和電纜。這項巨大的技術工程預計在2000年完成。屆時，激光通信將給我們的星球帶來巨大的變化。比如，足不出戶就可以在家使用光纖網絡處理文件或參加會議；或者把家裏的光纖網連到購物中心，就像在超市壹樣，坐在家裏就可以買到自己需要的商品，付款只需要用電子金融購物系統結算。全國各地的醫療中心還可以從屏幕上查看病人的病情和化驗單，並據此開出藥方，真正做到“秀才不出門，能知天下事”，“運籌帷幄，決勝千裏”。
激光和光纖也能傳輸圖像。首先，直徑比人頭發絲還小的單根光纖要組合成光纖束。在傳遞信息的過程中，常用的光纖束有兩種:壹種叫光束，壹種叫像束。傳輸光束的任務是將光從壹端傳輸到另壹端。光束的結構相對簡單。它由多根單絲膠合而成，然後對其端面進行拋光研磨，以減少光線進入光纖時的反射和散射損耗，再在光束外側套上塑料護套。
由於壹根光纖只能傳輸壹個光斑，要傳輸整個圖像，必須將光纖壹根壹根排列整齊，這樣形成的光纖束稱為傳像束。
像束中，所有的光纖排列整齊，兩端位置嚴格對應，壹點也不亂，就像壹根整齊的筷子。例如，光纖的壹端在圖像光束中的第八行和第八列，因此另壹端也在第八和第八位置。
像束傳輸圖像時，先將圖像分割成網格，即壹幅圖像被無數根光纖分解成無數個像素，然後傳輸。壹根光纖負責傳輸壹個像素，無數根光纖可以將整個圖像傳輸到另壹端。如果要清晰地傳輸圖像，就要盡可能使用直徑更小的光纖，因為光纖越細，某壹個圖像傳輸光束所能容納的光束就越多，從而可以傳輸更多的像素。顯然，像素越多，圖像越清晰。
現在使用的像束由幾萬根光纖組成，要把這麽多光纖排列整齊並不容易。排列好後用壹種叫環氧樹脂的有機粘合劑把兩端粘起來，使光纖粘合固定，保證兩端光纖壹壹對應。兩端面應打磨拋光。至於中間部分，不需要粘的很牢，但是和二胡弦壹樣松，只需要在外面加壹個保護性的塑料套，這樣傳像束就很柔軟，可以隨意彎曲。
圖像光束除了傳輸圖像外，還可以傳輸壹般的符號或數字，放大或縮小圖像。
如果妳想放大圖像，妳可以讓圖像光束壹端大，另壹端小，就像壹個圓錐體。當像素從小端到大端傳輸時，整個圖像被放大。相反，如果圖像從大端發送到小端，整個圖像就會縮小。
此外，可以通過使用光纖來改變圖像。如果根據需要有意打亂光纖的排列，出射端的像素不可能落在原來對應的點上，而是落在主觀點上，圖像就會發生變化。如果像元入口端的光纖是方形的，出口端的光纖是圓形的，那麽方形像元可以變成圓形像元。
總之，光纖傳像束具有巨大的發展潛力，在未來的光學信息處理技術中將越來越顯示出其獨特的作用。
(2)材料加工
加工金屬材料時，鉆孔、切割、焊接和淬火是最常用的操作。自激光問世以來，在加工的強度、質量和範圍上都開創了全新的局面。除了金屬材料，激光還可以加工許多非金屬材料。
激光鉆孔機在激光鉆孔機出現之前，各種機械零件都是用電動鉆孔機或者沖床鉆孔。然而，機械鉆孔不僅效率低，而且鉆孔的表面也不夠光滑。
激光打孔的原理是利用激光束聚光使金屬表面的焦點溫度迅速上升，溫升可達每秒100萬度。在熱量消散之前，光束熔化金屬，直到它蒸發，留下小孔。激光打孔不受被加工材料硬度和脆性的限制，打孔速度極快，快到幾千分之壹秒甚至幾百萬分之壹秒就能鉆出小孔。
比如需要在壹張金屬板上鉆上百個肉眼難以察覺的微孔，用電動鉆孔機顯然無法勝任，但用激光鉆孔機1 ~ 2秒就能完成。如果用放大鏡仔細檢查這些微孔，可以發現微孔表面非常整齊幹凈。
激光鉆孔也可用於加工手表鉆石。每秒可鉆20 ~ 30個孔，比機械加工效率高幾百倍，而且質量高。同時，激光鉆孔和我們下面要講的激光切割是壹樣的，加工過程是非接觸式的，也就是不像機械加工那樣用鋼鉆逐漸鉆透金屬材料。因此，激光操作可以在自動連續加工或超凈、真空特殊環境中發揮作用。
知道了激光打孔的原理，激光切割機就很容易理解為什麽激光可以切割金屬材料:只要移動工件或者移動激光束，使鉆出的孔排成壹行，就可以自然切割材料。而且，無論哪種材料，如鋼板、鈦板、陶瓷、應時、橡膠、塑料、皮革、化學纖維、木材等。，激光就像壹把光劍，削鐵如泥，削木如灰，刃口非常光滑。
激光焊接機激光可以用於焊接，因為它的功率密度高。所謂高功率密度，就是每平方厘米可以集中極高的能量。激光的功率密度有多高？我們可以做壹個比較:工廠通常用於焊接的乙炔火焰可以將兩塊鋼板焊接在壹起，這種火焰的功率密度可以達到每平方厘米1000瓦；而氬弧焊設備的功率密度更高，可以達到每平方厘米10000瓦。但這兩種焊接火焰根本不能和激光相比，因為激光的功率密度比它們高千萬倍。如此高的功率密度不僅可用於焊接普通金屬材料，也可用於焊接硬脆陶瓷。
傳統的激光淬火的淬火方法非常簡單。先將刀刃燒紅，然後突然浸入冷水中。經過這種冷熱處理後，刀片的硬度大大提高。但是這樣淬火明顯不方便，效果也不壹定理想。
激光淬火是用激光掃描工具或零件需要淬火的部位，使掃描區域溫度上升，而未掃描的部位保持室溫。由於金屬散熱快，激光束壹掃，這部分的溫度就急劇下降。溫度下降越快，硬度越高。如果掃描的零件噴上速冷劑，硬度比普通淬火好很多。
(3)激光照排
照排其實就是引入了光學攝影的原理。用活字排版必須以原稿為準，排版時必須檢測各種不同大小和字體的字體和符號。另壹方面，照相排版要簡單得多。它通過排字機上的鏡頭改變文字的大小和形狀。至於為什麽可以用鏡片改變文字的大小和形狀，其實相當於拿了壹面“哈哈鏡”。
照相排版時，只需將所需的文字、符號通過鏡頭成像在相紙上，然後顯影、定影，形成照相底片。然後，就像照片壹樣打印出來。
照相排版可以使用兩種光源，只是說普通光源，相比之下激光排版省時省力。由於激光亮度高，光色好，可以大大提高圖像的清晰度，打印出來的書質量自然也高。它的原理是什麽？先用計算機把文字變成點，再用點控制激光掃描感光膠片，就可以拍出真正的全息照片。
全息攝影和立體攝影是兩回事。雖然立體彩色照片看起來明亮、有層次感、富有立體感，但它仍然是壹個片面的圖像，再好的立體照片也不能代替實物。比如，無論我們怎麽改變觀察角度，都只能看到照片中的畫面，而全息圖就不壹樣了。通過改變觀察角度，我們可以看到正方形的六個面。因為全息技術可以將物體的所有幾何特征記錄在底片上，這也是全息術最重要的特點。
全息攝影的第二個重要特點是，壹斑知全豹。當全息圖損壞時，即使大部分損壞，我們仍然可以從剩余的壹半看到這個全息圖中原始物體的全貌。這對於普通照片來說就不好了，即使丟了壹個角，也看不到那個角上的圖。
全息照片的第三個特點是可以在壹張全息底片上分層記錄多張全息照片，在顯示畫面時不會互相幹擾。正是這種分層記錄使全息照片能夠存儲大量信息。激光全息照相的底片可以是特種玻璃、乳膠、水晶或熱塑性塑料。壹個小小的特殊玻璃可以儲存壹個大型圖書館中數百萬本書的全部內容。全息照相術的應用越來越廣泛。
全息攝影可以記錄珍貴的歷史文物。萬壹文物損壞嚴重，即使什麽都沒留下，我們還是可以根據全息術重建。比如北京圓明園這樣的景點，當年就被八國聯軍燒毀了。雖然現在計劃重建，但因為不知道原貌，很難完全復原。如果全息術在100年前發明，事情就簡單了。
全息照相術也可用於工業中的無損檢測。什麽是無損檢測？也就是說，激光全息技術不僅可以檢查產品是否存在任何微小缺陷，而且根本不會損壞這些產品。
更有趣的是，目前全息術還被用於拍攝全息電影和電視，很快觀眾就會看到現實生活中的影像。即激光“打”在底片上的感光塗層上，留下無數個對應的點，這些點被顯影、定影後再次變成文字或圖像。這裏激光束相當於電子束，感光膜相當於電視屏幕。接下來，您可以用包含文字和圖像的底片打印書籍、報紙和雜誌。彩電之所以能顯示紅、綠、藍，是因為屏幕上塗了三基色熒光粉，在電子的沖擊下會呈現三種顏色。激光照排也可以利用類似的原理打印出漂亮的彩色圖片。
(4)激光在醫學上的應用。
激光在醫療器械領域的應用已有不少成果，可以發揮多種作用，如鉆頭、手術刀、焊槍等。
焊炬和電鉆在眼科，激光主要用於治療視網膜脫離。視網膜脫離是壹種非常棘手的疾病。患者視網膜脫離眼球內壁，無法產生視力。在激光出現之前，我擔心病人不可避免地會失明。
現在，醫生可以將激光對準患者的眼底，讓激光發出壹束激光，通過加熱使視網膜與眼球內壁重新結合。整個過程不到幾分鐘，激光束就像焊槍壹樣焊接病人的視網膜。
除了焊接之外，激光焊槍也可以用於切割。
白內障是老年人的常見病。患者眼球前部的凸透鏡由原來的透明彈性體逐漸變得渾濁無彈性，光線無法穿過晶狀體，落在眼底視網膜上，患者逐漸看不見東西。治療白內障的傳統方法是在眼球前方切開壹個切口，然後通過切口插入壹根細金屬針。這個金屬針溫度極低，渾濁的晶狀體被凍住粘在針上，然後壹起從小孔裏取出來。顯然整個操作比較麻煩。
如果用醫用激光進行治療，不僅方便，而且有效。只要將激光束對準人工晶狀體的正面或背面，就可以快速去除晶狀體表面的亂膜。
在牙科，激光可以代替牙鉆。據世界衛生組織統計，兒童齲齒發病率相當高，達到75%左右。使用激光治療牙齒，患者幾乎不會感到不適，只要不發炎，壹次治療就能解決問題。牙科激光是激光裏最小的弟弟。它的功率很小，只有3瓦，相當於節能燈，幾乎不發熱。它的發射端實際上是壹根細如發絲的光纖。
治療時，只需將光纖的發射端靠近齲齒病竈，發射激光束，齲齒組織就會分解，然後用清水沖洗幹凈即可。如果齲齒只是對牙釉質的表面損傷，激光束會將受損區域的微小孔隙逐壹封閉，從而阻止乳酸對牙本質的腐蝕。如果有空洞，可以用激光束鉆孔清洗後將人工釉質材料填充到空洞內，然後用激光加熱接頭，使人工釉質材料和牙釉質成為壹體。激光治療牙齒不僅無痛快速，而且治療後效果顯著。
光刀如果要用光刀對患者的膀胱、心臟、肝臟、胃、腸道等重要內臟進行手術，那就比較困難了。激光如何進入人的內臟？這要靠醫生手裏的壹個寶貝，就是激光光纖內窺鏡。
所謂內窺鏡，就是醫生用來插入人體直接觀察器官的光學裝置。而通常的內窺鏡比較大，比較粗糙，只能從患者口中沿食道插入胃內進行觀察。插胃很難受，病人會覺得很痛。激光纖維內窺鏡則完全不同。由光纖制成的內窺鏡柔軟、薄且柔韌。當它被插入到病人的胃裏時，不會有疼痛。除了胃，光纖內窺鏡還可以進入其他重要器官。激光纖維內窺鏡壹方面可以用來檢查病人的器官是否有病變，更重要的是可以將激光能量輸入內臟對病變組織進行照射，即切除病變組織，起到手術刀的作用。而且用激光刀切割，傷口可以自動止血，不需要結紮出血點，大大縮短了手術時間，傷口也不會發炎。如果用激光刀切除惡性腫瘤，還可以防止癌細胞擴散。
(5)激光武器
激光導彈海灣戰爭期間，以美國為首的多國部隊在伊拉克發動大規模空襲，摧毀了伊拉克多個重要軍事目標。最後，戰爭以伊拉克的失敗而告終。有人說海灣戰爭是先進武器的較量，確實如此。
美國飛機裝有激光瞄準器，可以發射紅外激光。偵察機在空中發現地面目標，就在空中盤旋，用激光瞄準器向目標發射激光束。這種激光束實際上起著導向的作用。這時，執行攻擊任務的其他飛機飛了進來，向目標投下了激光制導導彈。這些激光制導導彈裝備有自動跟蹤系統。這個自動跟蹤系統相當於導彈的眼睛。當導彈撲向目標時，可以根據目標反射的制導激光不斷修正飛行中的航向，從而準確命中目標。
事實上，這種激光制導導彈早在上世紀70年代就被美國用於越南戰場。現在不僅有空對地導彈，還有地對地、空對空、地對空等激光導彈。
今天，人們已經能夠將無線電搜索雷達和激光雷達結合起來，形成壹個作戰系統。例如，當無線電雷達發現空中目標(敵機或導彈)時，它可以精確測量目標的高度、方位和速度。只要目標進入壹定範圍，激光雷達就會開啟，發射非常細的激光束，緊緊盯著它，精確測量目標的位置。然後發射的激光導彈會根據激光雷達提供的引導激光束準確命中目標並將其摧毀。這種激光導彈可以很容易地部署在卡車上，或者改裝成反坦克導彈。
目前研制的反坦克激光導彈可以從地面發射，也可以從直升機上發射。導彈上裝有半導體激光器，起到自動跟蹤目標的作用，使導彈百發百中擊中坦克。
激光雷達雖然精度高、體積小、操作靈巧、轉移方便，但也有壹些缺點，即容易受氣象條件限制，不適合大範圍搜索目標。所以壹般與無線電雷達配合使用，取長補短。
激光槍和激光炮所謂激光槍和激光炮，都屬於激光戰術武器。它們的形狀像槍和大炮，但不是子彈和炮彈，而是發射激光束，造成敵人傷亡或失明。這種槍的威力與自身能量和射擊距離有關。目前激光槍和激光炮的有效射程都不遠，所以死光的威力有限。
但是，死光武器的前景是無法估量的。激光束的能量壹旦增大，有效距離增大，就會變成名副其實的死光。比如用激光炮在10000米的高度打飛機，因為激光束的速度是每秒300000公裏，打飛機只需要30000秒。在這短暫的瞬間，飛機在空中只能向前移動幾厘米。這樣，對於死光來說，移動的飛機實際上已經成了死靶，會死。照此計算，即使是射向距離千千數米遠的導彈，也只需要零點幾秒的時間就死了，而在這壹瞬間，導彈只能向前飛幾十米。所以死光有足夠的時間摧毀外太空的導彈。
此外，激光可以不斷改變方向，瞄準各種目標並逐壹摧毀，從經濟上講，制造激光炮比洲際導彈便宜得多。