从杠杆到量子 · 一部按时间走的物理学第 18 章 / 第三单元 · 光
第 18 章 · 1917—1990 年代

激光与光纤

爱因斯坦纸上的一个推论，怎样变成一束能被放大的光，又怎样被关进一根比头发还细的玻璃丝，铺满海底。

阅读约 29 分钟两个可以动手的演示公式：3 个
序章第三单元 · 光 · 6 / 7终章

时代速写星期五傍晚的一声“Whoopee”

1970 年 8 月 7 日，星期五，下午五点已过。纽约州康宁玻璃公司的实验室里，物理学家唐纳德·凯克（Donald Keck）把一束光打进一段 29 米长的玻璃丝，测完另一头出来的光，在实验记录本上写下“17 dB/km”，后面跟了一个词：“Whoopee!”1

同事们都已下班，没人陪他庆祝1。按这个数字，光在这种玻璃里走一公里，大约还剩 2%。听上去少得可怜。可是几年前，当时的玻璃纤维每公里损耗约 1000 dB，光走 20 米就只剩 1%2。1966 年，一位在英国工作、生于上海的工程师高锟算过：只要做到走一公里还剩 1%，玻璃丝就能拿来打电话2,3。凯克这段玻璃第一次越过了这条线。

这一章讲两条线怎样拧到一起。第一条从 1917 年爱因斯坦的一篇理论论文出发，经过一台装着氨气的“微波激射器”，在 1960 年变成第一台激光器，一种能把光放大的机器。第二条从 19 世纪的“水柱导光”表演出发，经过高锟的计算和康宁的玻璃，变成今天铺在海底的光缆。激光负责发出光，光纤负责把光送到远方。今天跨洋的互联网流量，约 99% 走的是海底光缆4。如果你读的这一页来自另一个大洲的服务器，它几乎一定在某根海底玻璃丝里，以一串明灭的激光脉冲的样子走过一程。

  • 1917爱因斯坦发表《论辐射的量子理论》，提出“受激辐射”5。
  • 1954汤斯小组在哥伦比亚大学用氨分子造出微波激射器（maser）；莫斯科的巴索夫与普罗霍罗夫独立提出同样的原理6,7。
  • 1957研究生古尔德在笔记本上第一次写下“LASER”这个词，并拿去公证8,9。
  • 1958肖洛与汤斯发表论文，提出用两面镜子把微波激射器推进到可见光10,11。
  • 19605 月 16 日，梅曼在休斯研究实验室用一块红宝石得到第一束激光10,12。
  • 1962三家实验室几乎同时做出半导体激光，它后来成为数量最多的激光13,14。
  • 1966高锟与霍克姆发表论文：光纤损耗高的元凶是杂质，玻璃够纯就能通信2。
  • 1970康宁做出每公里损耗 17 dB 的光纤；同年半导体激光在室温下连续工作1,15。
  • 1974美国俄亥俄州一家超市用激光扫描器读了第一个商品条码16。
  • 1988第一条跨大西洋光缆 TAT-8 开通17。

1916 — 1917原子会发光，为什么光不能被放大

第 17 章讲过，每种原子只吸收和发出几种特定颜色的光，光谱线就是原子的指纹。为什么偏偏是这几种颜色？要等到 1913 年玻尔的原子模型（第 32 章会讲）才有了一个说法5：原子里的电子只能待在几个固定的“能级”上，像楼梯的台阶，不能停在两级台阶之间。电子从高台阶跳到低台阶，多出来的能量就变成一份光放出去；反过来，吸收一份能量刚好合适的光，它就跳上去。这一章只需要这个白话版本。

1916爱因斯坦的平衡账

1916 年 7 月，刚写完广义相对论的爱因斯坦转向另一个问题：一团原子泡在热辐射里，原子和光之间怎样达到平衡？八个月里他就此写了三篇论文，第三篇最有名，1917 年发表在《物理学杂志》上，题目是《论辐射的量子理论》5。

他的做法很省料。假设原子只有两个能级，再假设原子和光之间只有三种交易5：

  1. 吸收：下面台阶上的原子吞掉一份光，跳上去。周围的光越强，这件事发生得越频繁。
  2. 自发辐射：上面台阶上的原子没人碰它，过一阵自己跳下来，放出一份光。方向随机，时刻也随机。
  3. 受激辐射：上面台阶上的原子被一份路过的光“碰了一下”，提前跳下来，放出一份和路过的那份一模一样的光。周围的光越强，这件事也越频繁。

第三种是爱因斯坦的新发明。只有把它也算上，账才平得了：原子和光达到平衡时，光的颜色分布正好是普朗克的黑体辐射公式，原子放出的光的频率也正好由两个能级的能量差决定5。

E₂E₁ 吸收 一份光被吞掉，原子跳上去 自发辐射 自己跳下来，方向随机 受激辐射 一份光进来，两份相同的光出去
原子和光的三种交易。蓝点是电子此刻所在的台阶，虚线圈是它原来或将要去的台阶，黄色波浪箭头是一份光。看最右边一格：路过的光没有被吞掉，反而多了一个和它一样的“复制品”。

能级差和光的颜色之间的关系，就是本章第一个公式：

E2 − E1 = h f
E₂, E₁
原子上、下两个能级的能量
f
放出（或吸收）的那份光的频率，频率决定颜色
h
普朗克常数，一个极小的固定数，约 6.63 × 10−34 焦耳·秒
读法：台阶的高度差定死了光的颜色。台阶差得多，放出的光频率高、偏蓝；差得少，频率低、偏红，再少就落到红外和微波。所以每种原子、每种分子都有自己固定的几种“颜色”。

账上有，现实里看不见

受激辐射暗含一个诱人的可能：一份光进去，两份出来；两份再各碰一个原子，变成四份。这就是放大。可是它在纸上躺了三十多年，几乎没人想去用。

原因在于，平常的物质里，待在下面台阶上的原子总比上面的多，温度越低越是如此。一份光路过时，碰上下面原子被吞掉的机会，远远大于碰上上面原子引出复制品的机会。吸收总是赢。1964 年诺贝尔奖颁奖词说，受激辐射长期被看作一个纯理论概念，人们认为它既用不上，甚至也观察不到7。要让放大胜过吸收，必须让上面台阶的原子多过下面的，这种反常的状态叫粒子数反转7。按热力学的老规矩，任何正温度下的物质都做不到这一点，所以物理学家后来半开玩笑地把它叫作“负温度”11。

爱因斯坦自己对这篇论文也有保留。他承认理论把每次跃迁发生的时刻和方向都交给了“偶然”，但他对方法本身有信心5。十年后，“偶然”这个词会成为他和量子力学决裂的地方，那是第 35 章的故事。

美国物理联合会（AIP）的激光史展览说，在此后的几十年里，受激辐射看起来只是一个“没有实用价值的理论珍品”；而到 20 世纪 30 年代，造激光所需的光学技术和理论知识其实都已经齐了，只是没有人把它们放到一起10。汤斯晚年也问过同一个问题：所有必要的物理在 1930 年前后就已为人所知，为什么激光没有早点发明出来14？

1951 — 1959先放大微波：氨分子和公园长椅

推动力来自一个意想不到的方向：雷达。第二次世界大战期间，工程师学会了产生波长几厘米甚至更短的微波，用来发现敌机10。战后，大批剩余的雷达设备被物理学家改装，用微波去“照”分子，看分子怎样振动和转动，这门学问叫微波波谱学10。

查尔斯·汤斯（Charles H. Townes）是其中的好手。他 1915 年生于南卡罗来纳州，战时在贝尔实验室设计雷达轰炸系统，1948 年进入哥伦比亚大学6。美国海军研究办公室请他牵头一个委员会，想办法产生波长更短、更强的电磁波10。难处在于，波长越短，振荡器里的零件就得做得越小，小到没法加工10。

1951长椅上的主意

1951 年春天，35 岁的汤斯在华盛顿开委员会的最后一次会议。会前的清早，他坐在一处公园的长椅上，周围杜鹃花开着18。他后来回忆，那天早上有点泄气：大家把能想的办法都过了一遍，没有一个行得通。他想，要做非常小又非常精确的振荡器，自然界现成就有，那就是分子和原子；它们的毛病是放出的能量太少。接着他突然想到：如果能弄出“反转”，它们原则上就能放出更强的辐射10。

办法是把处在上能级的分子挑出来，单独送进一个共振腔（一个尺寸刚好能让某个频率的微波来回共振的金属盒子），让微波在里面一遍遍地引发受激辐射18,10。他把实验交给博士后蔡格（Herbert Zeiger）和研究生戈登（James P. Gordon）10。工作物质选了氨气：氨分子有一对能级，差值对应 23,870 兆赫的微波，波长约 1.26 厘米11。一个带电场的“聚焦器”把分子束里处于下能级的分子赶走，只让上能级的分子进入共振腔11。

经过约两年半的实验，1954 年初，装置第一次靠受激辐射放大并产生了微波11,6。汤斯和学生们给它起名 MASER，是“受激辐射微波放大”（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的首字母缩写6。它的输出频率纯得惊人，像音叉发出的单一音高10。

汤斯站在一台金属外壳的氨分子微波激射器旁，一手扶着上方的管道
汤斯和他的氨分子微波激射器，1955 年 6 月美国《无线电电子工程》杂志封面。看他身前那只开了两个窗口的黄铜箱体，这是装置的主体，汤斯的手扶在上方的管路上。整台机器要占一张桌子，产生的是波长约 1.26 厘米的微波11。Radio-Electronic Engineering 1955 年 6 月封面，公有领域 · Wikimedia Commons

同一时间，莫斯科列别捷夫物理研究所的巴索夫（Nikolay Basov）和普罗霍罗夫（Aleksandr Prokhorov）独立走到了同一个想法。1964 年诺贝尔奖颁奖词说，两边关于微波激射器的第一批论文是在 1954 年“同时而独立”发表的7。普罗霍罗夫 1916 年生在澳大利亚，七岁随父母回到苏联；巴索夫打过仗，当过军医助理19,20。1955 年，两人提出了一种制造粒子数反转的办法，称为“泵浦法”19。

微波激射器自己也有了用处。后来用红宝石等晶体做的固体微波激射器，成了极其灵敏的无线电接收器，用在射电天文和接收卫星信号上7,11。

1957 — 1958加两面镜子

下一步自然是更短的波长。1957 年，汤斯推算放大条件时发现，与其一步步往远红外挪，不如直接跳到可见光，那里反而更容易10。他找来贝尔实验室的阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）商量，肖洛既是他的朋友，也是他的妹夫10,6。

难题在于共振腔。微波的波长是厘米级，金属盒子做得出来；光的波长不到一微米，没法做一个和它差不多大的盒子。肖洛的答案是：干脆不要盒子，把发光的原子装在一个细长的空间里，两端各放一面镜子，其中一面只镀一部分银，让一点光漏出去。光在两面镜子之间来回走，每走一趟都有更多机会引发受激辐射10。这种两面平行镜的装置叫法布里—珀罗标准具，光学界用了几代人10。1958 年，两人在《物理评论》上发表《红外与光学微波激射器》11。从微波到可见光，频率提高了约十万倍，颁奖词说这一步大到“可以看作一项全新的发明”7。同一年，普罗霍罗夫也提出了一种“开放式”的共振腔，实质上也是两面镜子19。

1957古尔德的笔记本与三十年专利战

还有第三个人。戈登·古尔德（Gordon Gould）是哥伦比亚大学一位年龄偏大的研究生，导师是库什，论文做的是用光“泵浦”铊原子8。1957 年秋，他和汤斯谈过泵浦的事，担心被人抢先，就把自己的想法写进笔记本：九页文字和草图，标题是《关于 LASER 可行性的一些粗略计算：受激辐射光放大》，然后拿去做了公证8,10。美国国家发明家名人堂认为，这是 LASER 这个缩写的第一次使用9。“激光”的英文名就这样来自一个研究生的笔记本。

古尔德误以为申请专利之前得先造出样机。他 1958 年离开哥大、没拿博士学位，去了一家叫 TRG 的小公司，1959 年 4 月才提交专利申请8,10。此时肖洛和汤斯以贝尔实验室的名义申请已经九个月了10。TRG 靠古尔德的设想拿到国防部的保密合同，古尔德本人却因为战时短暂参加过一个马克思主义学习小组，没能通过安全审查，被挡在自己设想的项目门外10,8。

肖洛—汤斯的专利 1960 年获批21。古尔德起诉，主张自己先想到。官司一打就是三十年：如果他的专利成立，每个造激光、用激光的人都欠他钱，而激光产业越大，这些专利越值钱10。1977 年，他的第一项基本专利（光泵浦）获批，工业、商业和医疗用的激光约有八成用到这种泵浦方式9,8。1987 年起，他和支持者开始赢得和解10。至于激光到底该算谁发明的，AIP 的结论是：至今仍有争议10。

1960 — 1970第一束激光：一块指尖大的红宝石

肖洛—汤斯的论文一发表，大约有六家实验室各自开始了竞赛10。汤斯在哥大试钾蒸气，钾腐蚀了玻璃管的密封、把玻璃熏黑了。西屋公司的维德尔用钨丝灯照红宝石，能量根本灌不进去。IBM 的索罗金把掺铀的氟化钙晶体磨成方块，想让光在里面绕圈，没有成功。贝尔实验室里，肖洛试红宝石，汤斯从前的学生贾万（Ali Javan）试氦氖混合气体，都还没出结果10。肖洛甚至公开说过，红宝石里以最低能级为终点的那条跃迁不适合做激光，因为最低能级太难“抽空”14。

1960休斯实验室的闪光灯

西奥多·梅曼（Theodore Maiman）在加州马里布的休斯研究实验室工作。他 1927 年生于洛杉矶，在斯坦福读博士时的导师是后来获诺贝尔奖的兰姆21。他仔细测量过红宝石里各能级之间的弛豫时间，结论是维德尔错了，能量是灌得进去的；只是需要极亮的光源10,14。别人都在想办法让光源连续发光，梅曼想到：光源不必一直亮着，闪一下就够了。他翻厂家的产品目录，找到一种螺旋形的强力闪光灯，形状正好可以把红宝石棒套在里面10。

1960 年 5 月 16 日，他和助手德海嫩斯（Irnee D'Haenens）观察到了红光脉冲10,12。那块红宝石只有指尖大小，装在一个铝筒里21。红宝石就是含少量铬的氧化铝，铬离子让它呈红色，也是发出激光的主角；氙闪光灯的光被铬离子吸收，把它们推上高能级7。发出的光波长 694.3 纳米，是深红色22。

梅曼第一台红宝石激光器的零件摊在桌上：螺旋形闪光灯、红宝石棒和铝制外筒
第一台红宝石激光器的零件。看下排左边那只盘成螺旋的玻璃管，这就是梅曼从厂家目录里找到的闪光灯；右边金属座上那截粉红色的短棒是红宝石。工作时红宝石插进螺旋中间，再整个装进上方的圆筒形外壳。和汤斯那台占一张桌子的微波激射器相比，它小得多，也简单得多。Guy Immega 摄，CC0 · Wikimedia Commons

他把一篇短报告投给了《物理评论快报》，被退了稿。有人认为，那是因为期刊宣布过不再收微波激射器方面的论文；当时的编辑帕斯特纳克后来说，他退稿是因为梅曼 6 月刚发过一篇红宝石光激发的文章，新稿看起来“只是更多同样的东西”14。梅曼转投英国的《自然》，论文 8 月 6 日刊出14,22。汤斯后来评价，按每个字算，这篇短文可能是《自然》一百年来最重要的论文14。

论文还没印出来，休斯实验室就在 7 月 7 日向新闻界宣布了消息。报纸头版纷纷讨论“死光”。科学家们则有些怀疑：梅曼没有报告看到一束明亮的光柱，而大家想象中激光就该是那样。他的装置本来就没设计成射出一束细光，他拿出的证据是光谱：红宝石发出的光，颜色范围突然变得极窄，正是理论预言的受激辐射特征14。没过多久，休斯和贝尔实验室的墙上都出现了红宝石激光打出的亮红斑点14。

消息一传开，各家都动了起来。贝尔实验室和 TRG 在新闻发布会后两周内就买来同款闪光灯，复制了梅曼的装置10。11 月，IBM 的索罗金和史蒂文森把氟化钙晶体重新切成两端镀银的圆柱，也得到了激光；12 月，贝尔实验室的贾万、贝内特、赫里奥特做出了第一台气体激光器，用氦氖混合气体，发出连续的红外光10。到 1960 年底，三种完全不同的激光器都已问世10。

它们能干什么，当时谁也说不清。汤斯回忆，很多人半开玩笑地对他说，激光是“一个在找问题的答案”14。

1961 — 1964“激光”这个中文名

在中国，1961 年，中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功中国第一台红宝石激光器23，主持者是王之江24。那时 laser 在中文里还有好几种叫法：“莱塞”“光激射器”“光受激辐射放大器”。1964 年，钱学森提议叫“激光”，既点出了“受激辐射”，又说明它是一种很强的新光源，这个名字一直沿用到今天24。同年 5 月，中国科学院上海光学精密机械研究所成立，是中国最早也是规模最大的激光专业研究所25。

也是在 1964 年，诺贝尔物理学奖授予汤斯（一半）和巴索夫、普罗霍罗夫（各四分之一），理由是“量子电子学领域的基础工作，它导致了基于微波激射器—激光原理的振荡器和放大器的建造”26。梅曼和古尔德都不在名单上。

1962 — 1970把激光做进一粒芯片

红宝石激光要闪光灯，氦氖激光要放电管，都是不小的设备。1962 年，激光被塞进了一粒半导体。纽约州斯克内克塔迪通用电气实验室的罗伯特·霍尔（Robert N. Hall）带领小组，往砷化镓晶体的 p-n 结里直接注入电流，得到了激光，晶体只有大约三分之一毫米13,27。同年 9 月前后，IBM 和麻省理工学院林肯实验室也几乎同时、各自独立地做成了13。霍尔的论文 11 月 1 日刊出；IBM 的专利申请比通用电气晚了 11 天13。据霍尔同事的回忆，通用电气的稿件送审时，两位审稿人恰好在竞争对手的实验室工作，他们的实验室随即各自开了新闻发布会宣布成果27。

早期的半导体激光要泡在液氮里冷却才能工作，耗电又大13,15。1963 年，美国的克勒默（Herbert Kroemer）和苏联的阿尔费罗夫（Zhores Alferov）各自想到：用几层成分略有不同的半导体做成“三明治”，把电子和光都关在中间很薄的一层里。这叫双异质结15。冷战时期东西方交流很少，两边几乎是平行赛跑。1970 年 5 月和 6 月，阿尔费罗夫小组和贝尔实验室的林严雄、帕尼什小组先后报告了能在室温下连续工作的半导体激光15。两人因此获得 2000 年诺贝尔物理学奖28。

室温、连续、只有沙粒大小、插上电就亮，这样的激光才真正能被塞进千家万户的机器里。汤斯在 2003 年写道，半导体激光是迄今最常见的激光14。它也是光纤通信需要的那个光源3。

概念把光造出来，再把光关起来

激光的三件套

不管是红宝石、氦氖气体还是半导体，所有激光器都由三样东西组成：

  1. 增益介质：能发生受激辐射的一堆原子、离子或分子。红宝石激光里是铬离子，半导体激光里是 p-n 结附近的电子。
  2. 泵浦：从外面灌能量进去，造出粒子数反转。闪光灯、放电、电流都行。
  3. 共振腔：两面镜子。颁奖词的描述是，镜子迫使光在介质里来回穿过许多次，受激辐射像雪崩一样增长7。一面镜子部分透光，漏出来的那一点就是激光。
全反射镜 部分透光镜 泵浦：螺旋闪光灯 激光 增益介质：红宝石棒（氧化铝 + 少量铬） 光在两面镜子之间来回走，每一趟都被受激辐射放大一次
红宝石激光器的结构示意，比例不准。梅曼的实际装置是把银直接镀在红宝石棒的两个端面上当镜子14,7，这里为了看清楚画成了分开的镜子。

受激辐射复制出来的光与原来的光频率和相位都相同，所以介质里所有原子的贡献能“合力”成一道强波，这叫相干光。颁奖词说，这正是激光和普通光源的决定性区别：普通光源里，每个原子各发各的光，彼此毫不相干7。结果是三个特点：颜色极纯，几乎只有一个波长；光束极窄、几乎平行；能量可以集中到极小的点上14,7。很快人们又学会了把闪光灯存下的能量憋住、一次放出，叫“Q 开关”，瞬间功率达到数百万瓦以上14。1964 年时，这类脉冲激光的功率已超过一亿瓦7。

全反射：光为什么出不去

光从水里射向空气时，会在界面上拐弯，偏离法线；入射得越斜，拐得越厉害。斜到一定程度，折射出去的光就贴着水面走了；再斜一点，光根本出不去，全部反射回水里。这叫全反射。条件有两个：光要从折射率高的地方射向折射率低的地方，而且要射得足够斜3。“足够斜”的界线叫临界角：

sin θc = n2 ÷ n1
θc
临界角，从界面的法线（垂直于界面的线）量起
n1
光所在那一侧的折射率（较大），比如玻璃约 1.5
n2
外面那一侧的折射率（较小），空气是 1
sin
正弦，把角度换成 0 到 1 之间的数。角度越接近 90°，正弦越接近 1
读法：两边折射率差得越多，n₂ ÷ n₁ 越小，临界角越小，光越容易被关住。玻璃对空气，临界角约 42°；如果外面换成折射率只低一点点的玻璃，临界角会变得很大，接近 90°，只有几乎贴着界面跑的光才会被关住。

光纤就是把这件事做成一根细丝：中间一根折射率略高的纤芯，外面包一层折射率略低的包层2,3。射进纤芯的光只要够“斜”，每次碰到纤芯和包层的界面都全部反射回去，沿着纤芯一路弹着往前走，光纤弯过拐角也一样。现代通信光纤外径约 125 微米，纤芯约 10 微米，比一根头发还细3。

为什么不干脆用一根裸玻璃丝，让空气当“包层”？那样临界角小得多，光更容易关住。问题在于，裸玻璃丝一旦互相接触，或者表面有一点划痕、油污，光就从那里漏走了2,3。把界面藏在玻璃内部，外面再怎么碰都不影响。下面的演示可以三种情况都试试。

把光关在纤芯里演示 1 · 拖动滑块改变入射角，切换包层

把包层设成 1.46，慢慢加大入射角，过了 10° 左右，光开始从纤芯壁上漏出去。纤芯和包层的折射率只差一点，能关住的光就只有几乎沿轴线走的那些，这也是为什么激光这种几乎平行的光源最适合往光纤里送。切换成空气，再大的角度都关得住，可那是一根怕碰的裸玻璃丝。

1841 — 1988高锟的算术：玻璃够干净就行

1841 — 1960水柱、胃镜和漏光的玻璃丝

光会顺着弯曲的水柱走，这件事人们很早就看到了。1841 年，日内瓦大学的科拉东（Daniel Colladon）演示了光被一股水流“引导”着走，差不多同时法国的巴比内也观察到类似现象，还试了弯曲的玻璃棒2。1854 年，丁铎尔在伦敦皇家学会表演了水柱导光，他的建议人是法拉第2。1889 年巴黎世界博览会上，灯光照亮的彩色喷泉成了一景3。

20 世纪 20 年代末，有人想到用一束细玻璃丝传图像，用在胃镜、潜望镜甚至早期电视上2。医生从 30 年代起就用短光纤照亮牙齿、窥看胃里3。麻烦是裸玻璃丝一碰就漏光。50 年代初，给玻璃丝包一层折射率较低的玻璃成了突破；1954 年，伦敦帝国理工学院的霍普金斯和卡帕尼做出了由几千根 75 厘米长的玻璃丝组成的光纤束，能清楚地传像2。包了层的光纤束后来做成胃镜，进入工业化生产2,3。

但这些光纤只能传一两米。拿来做长途通信，它们毫无用处3。这时的通信靠铜线和无线电。1956 年铺下的第一条跨大西洋电话电缆，可以同时通 36 路电话3。可见光和红外光的频率比无线电高得多，能承载的信息多出几万倍3。激光出现后，“用光打电话”有了光源，缺的是一根能把光送远的管子。60 年代初，研究者试过用一串透镜接力，甚至试过用温度不均匀的气体管子聚光，都没有成功2。光纤基本上被放在一边，因为它的损耗太大：典型值约每公里 1000 dB，光走 20 米就只剩 1%2。

1966高锟：问题出在杂质

高锟（Charles K. Kao）1933 年 11 月 4 日生于上海29。1948 年，14 岁的他随家人坐船离开上海，经台北到了香港，在圣若瑟书院读完中学；1953 年赴英国，1957 年从伦敦的伍利奇理工学院电机工程系毕业，进了标准电话电缆公司30。后来他被调到公司在哈洛的研究所，标准电信实验室（STL）30，1965 年拿到伦敦大学的博士学位2。

他在实验室里起初给别人当助手，后来自己带一个小组，组里起初只有一位年轻的理论工作者乔治·霍克姆（George Hockham）2。他们和同行有一点不同：别人大多只研究波导的物理，他们还认真研究了材料本身2。问题被拆成两半。一半是：光在玻璃里损失，有多少是玻璃这种物质天生的，比如光被玻璃分子散射、吸收？另一半是：有多少是不该有的东西造成的？

他们的结论在 1966 年 1 月 27 日由高锟在英国电气工程师学会的会议上报告1，论文当年夏天发表在学会会刊上2,1。要点有三条2：

  1. 玻璃本身造成的吸收和散射，理论上可以低到每公里几个 dB。当时测到的上千 dB，主要来自杂质，尤其是铁离子。
  2. 根据当时激光的功率和探测器的灵敏度，只要损耗降到每公里 20 dB以下，也就是走一公里还剩 1% 的光，光纤通信就可行，而且这是做得到的。
  3. 最好的形式是单模光纤：纤芯极细，和包层的折射率非常接近，光只沿一种方式传播，信号不容易被拉散。

他们在论文结尾写道，这种带包层的玻璃纤维“代表了一种可能实用的光波导，有潜力成为一种新的通信媒介”，信息容量比同轴电缆和无线电都大2。高锟随后和新同事一起，一种材料一种材料、一个波长一个波长地去测光在玻璃里的衰减，指出熔融石英（几乎纯的二氧化硅）就有所需的纯度2。它的熔点接近 2000 °C，很难加工3。同年 9 月，法国一家公司的工程师韦尔茨也发表了类似的结论，并在文中提到了高锟的工作2。瑞典皇家科学院的评价是，高锟不只是一位有灵感的物理学家，还很善于把自己的愿景讲给别人听，全世界因此掀起了一场寻找低损耗玻璃的竞赛2。

他本人后来说，这个想法并不是一道闪光。他从毕业起就在做微波传输，知道需要多得多的带宽，这个问题一直在他脑子里转；想法来自一次次耐心的试错30。

高锟面带微笑的近照，身穿深色西装
高锟，2004 年在普林斯顿大学接受荣誉博士学位时。他 1987—1996 年任香港中文大学校长，2005 年确诊阿尔茨海默病30。2009 年获诺贝尔物理学奖时，他的诺贝尔演讲由夫人 Gwen 代为宣讲，题目是《往昔之沙，送未来之声》29。他于 2018 年 9 月 23 日在香港去世29。David Dobkin 摄，CC BY-SA 3.0 · Wikimedia Commons

1970康宁的玻璃

1966 年，伦敦英国邮政研究站新成立的光纤通信小组负责人，向一位来访的康宁玻璃公司职员提起：要实现高锟的设想，需要低损耗的玻璃纤维1。英国邮政的设计要求是单模光纤，总损耗约每公里 20 dB；而当时最好的块状光学玻璃约每公里 1000 dB31。消息传回康宁，罗伯特·毛雷尔（Robert Maurer）召集了凯克、彼得·舒尔茨（Peter Schultz）和齐默，材料最后选定熔融石英1,2。

他们用一种叫化学气相沉积的方法，从气体里一层层“长”出极纯的石英玻璃；纤芯里掺一点钛，让它的折射率比纯石英包层高一点点2,1。每做一版新纤维、测一轮，要好几个月1。1970 年 5 月 11 日，他们申请了两项专利；三个月后，就是本章开头那个星期五傍晚，凯克在 29 米长的纤维上测到 17 dB/km，8 月 21 日他又复测了一次1。

掺钛的纤维还不够结实，后来他们改掺锗，这个配方至今仍是工业标准1。几年后，在 850 纳米波长上，损耗降到每公里 4 dB；贝尔实验室的麦克切斯尼改进了沉积工艺，便于大量生产；没过几年，损耗就降到每公里 1 dB 以下，远低于高锟定下的门槛2。人们还发现，光纤在某些波长上格外透明，通信用的波长于是从 870 纳米挪到 1.3 微米，再挪到 1.55 微米。今天 1.55 微米的光在光纤里每公里损耗低于 0.2 dB，走一公里还剩 95% 以上2,3。

这些数字里的“dB”（分贝）是工程师算衰减的单位。它的好处是把乘法变成加法：每公里 10 dB 意味着走一公里光剩十分之一，走两公里就是 20 dB，剩百分之一。写成公式：

P = P0 × 10−αL/10
P0, P
射进光纤的光功率，和走了一段之后剩下的光功率
α
损耗，单位 dB/km（每公里多少分贝）
L
光纤长度，单位公里。α × L 就是总损耗的分贝数
读法：总损耗每多 10 dB，剩下的光就再缩到十分之一。1000 dB/km 的玻璃，走 20 米就损耗 20 dB，剩 1%；0.2 dB/km 的光纤，要走 100 公里才损耗 20 dB。

下面的演示把几个年代的光纤放在同一张图上。横轴是距离，从 10 米到 1000 公里，每一大格是十倍；纵轴是剩下多少光。

光能走多远演示 2 · 选一种光纤，拖动距离

换到“60 年代”，再换到“今天”，同样是剩 1%，距离从 20 米变成了 100 公里，差了五千倍。光纤的进步大部分就是这样一点点挤掉玻璃里的杂质。

1975 — 1988从城市到大洋

第一批正式投入使用的光纤线路 1975 年出现在英国，美国和日本随后跟上2。早期系统每隔一段就要装一个电子中继器：把微弱的光变成电信号，放大、整形，再变回光发出去2。

1988 年 12 月 14 日，第一条跨洋光缆 TAT-8 开通，由美国电话电报公司、英国电信和法国电信牵头建设，横跨大西洋海底 5846 公里17。它用 1.3 微米的单模光纤，传输速率 280 兆比特每秒，容量相当于 4 万路电话，是此前最后一条铜缆的十倍17。为了下海，工程师得做出强度十倍于当时普通光纤的纤维，还得发明能经受海底和打捞修理折腾的熔接方法17。

中继器的问题也很快有了答案。1987 年，英国南安普顿大学的米尔斯、里基、詹西和佩恩发表论文，报告了一种掺铒光纤放大器（EDFA）：在一段掺了稀土元素铒的光纤里，用另一束泵浦激光把铒离子推上高能级，路过的 1.55 微米信号光就被受激辐射直接放大，不用先变成电32。几乎同时，贝尔实验室的德叙维尔也独立做出了同样的东西33。一段十到三十米长的掺铒光纤，最高能把信号放大一万倍（40 dB）33。这正是爱因斯坦的受激辐射，只不过这次增益介质被拉成了光纤。后来，长途线路上的电子中继器大多被光放大器取代；人们又让不同波长的光在同一根光纤里各走各的，叫波分复用，一根光纤的容量又成倍增长2。

一根透明外皮的光纤线盘成圈放在黑色背景上，左端接头射出红光，右端接头处也发出红光
一根家用音响用的 TOSLINK 光纤线，从一端射进激光。看两个接头：激光从左边接头射进去，地上的红色光斑是没对准、漏在外面的部分；右边接头尖上的小红点，就是绕了好几圈之后从另一头走出来的光。线身大部分不亮，因为光被关在了里面。Hustvedt 摄，CC BY-SA 3.0 · Wikimedia Commons

影响它怎么改变了世界

一 · 互联网的骨干是海底的玻璃

2009 年，瑞典皇家科学院估计全世界铺设的光纤总长已超过 10 亿公里，可以绕地球 2.5 万圈3；到 2011 年，IEEE 给出的数字是 16 亿公里31。国际电信联盟说，截至 2024 年全球有 500 多个在用和规划中的海底光缆系统，承载着约 99% 的国际互联网流量，金融交易、云计算、视频会议都靠它们4。一根光纤每秒能传数万亿比特，比五十年前的无线电传输多出约一百万倍2。从高锟的论文到 TAT-8 用了 22 年。你今天发一条跨洋消息，一路上通常要经过半导体激光器、熔融石英光纤和掺铒放大器三样东西，三样都是这一章的产物。高锟回到香港后，也参与推动了香港早期的互联网交换中心30。

二 · 收银台、唱片和打印机

1974 年 6 月 26 日早上，俄亥俄州特洛伊市马什超市的收银员莎伦·布坎南拿起一包箭牌果味口香糖，在一台 Spectra-Physics A 型扫描器上一扫，价格自己跳了出来16。扫描器里的激光经一面镜子从顶部玻璃板射出，照在条码上，反射光被光电二极管读出，再由电脑查出价钱34,16。这台扫描器那时要 4000 美元一台16。1979 年，飞利浦向媒体演示了激光唱片机，要解决的难题包括固体激光、聚焦光学和纠错编码；同年索尼加入合作35。1982 年 10 月 1 日，索尼 CDP-101 上市，这是第一台 CD 播放机36。CD 机的读盘头是一粒半导体异质结激光；半导体激光同样用在条码扫描器、激光打印机和激光笔里28,10。到 2000 年，全世界每年生产数亿只半导体激光器，数量上以 CD 机用的最多，产值上以通信用的最高15。

三 · 工厂、工地和月亮

工业激光能切、钻、焊，从纸、布到金刚石和特种合金都行，比金属刀具精确10。挖英法海底隧道时，英国和法国两头同时开挖，靠激光测量对接，二十多公里下来只差几英寸10。休斯公司后来靠激光测距仪做成了十亿美元级的生意12。1969 年，科学家把红宝石激光打到阿波罗宇航员放在月面上的反射器上，从光往返的时间算出地月距离，后来精度达到约 3 厘米14。

四 · 手术室里的光

激光很早就进了医院。视网膜脱落如果发现得早，可以用激光把它“焊”回原位；光纤还能把激光送进体内，减少开刀10。1981 年 11 月 27 日，IBM 的化学家斯里尼瓦桑把家里感恩节火鸡的剩骨带到实验室，和同事温、布卢姆一起，用紫外准分子激光照射火鸡腿上的软骨37。他们发现，这种激光并不靠热烧掉组织，它直接打断有机分子的化学键，削掉极薄的一层，周围几乎不受损37。1983 年，眼科医生特罗克尔找到斯里尼瓦桑，商量把它用在角膜上，后来发展出 LASIK 等激光近视手术37。IBM 统计，做过激光屈光手术的人已超过 2000 万37。

五 · “死光”与军费

1960 年梅曼的发布会后，报纸头版谈的是“死光”14。1964 年颁奖词特意澄清，用激光在远距离上杀伤破坏完全不现实，“死光”过去是、将来仍是神话7。半个多世纪后，AIP 的说法谨慎一些：激光武器仍停留在研发阶段，几个国家在研究，激光已经用于军事瞄准和侦察10。更深的联系在经费上。汤斯在哥大的实验室是战时雷达实验室的延续，战后由陆军通信兵和海军研究办公室资助；古尔德的激光项目一开始就是国防部的保密合同10。序章说过，物理学的资助和用途常常和国家力量缠在一起。

误解拒稿、发明人和“光纤之父”

误解一 · 梅曼的激光论文被《自然》拒了

正好相反。退稿的是美国的《物理评论快报》，《自然》接受并在 1960 年 8 月 6 日发表了它14,22。退稿的原因说法不一：有人说期刊当时不再收微波激射器论文，编辑帕斯特纳克自己说是因为新稿看起来和梅曼 6 月那篇差不多14；英国《物理世界》的讣告则写的是主编古德斯米特拒稿21。可以确定的是，梅曼为了快点发表才转投《自然》。汤斯后来评价这篇不到一页的短文，说按每个字算可能是《自然》百年来最重要的论文14。

误解二 · 爱因斯坦 1917 年就发明了激光

物理学家克莱普纳专门写文章重读爱因斯坦这篇论文。他的判断是：说爱因斯坦差点发明了激光是夸张，但激光的根本机制确实是他的辐射理论创造的5。从受激辐射到第一台激光器隔了 43 年。中间缺的不是理论，是一整套技术和动机：战时的微波技术、战后的军方经费、造出粒子数反转的办法、两面镜子的共振腔10,7。激光到底算谁发明的，汤斯、肖洛、古尔德、梅曼、巴索夫和普罗霍罗夫各有份，AIP 的说法是至今仍有争议10。

误解三 · 高锟发明了光纤

玻璃纤维导光在高锟之前一百多年就有人演示，包层光纤束 20 世纪 50 年代已经做成胃镜2。高锟的贡献在于找准了长途通信的拦路虎：玻璃里的杂质。他给出了 20 dB/km 这个可以瞄准的数字，指出了熔融石英这种材料，并四处游说同行相信这件事做得到2。真正把低损耗光纤做出来的是康宁的毛雷尔、凯克和舒尔茨，他们因此进了美国国家发明家名人堂31,38。还有人认为，50 年代做出光纤束的卡帕尼也应该分享 2009 年的诺贝尔奖，这类争论没有标准答案1。至于水柱导光，常被归功于丁铎尔，可科拉东早他十三年就演示并发表过1,2。

承上启下光学线和量子线在这里会合

第 17 章结尾，光谱线让人们第一次读出了星星的成分：每种原子只吸收和发出几种特定颜色的光。这一章接着问：既然原子能发出特定颜色的光，能不能让它们齐步走，把光放大？答案来自爱因斯坦 1917 年的受激辐射，经过汤斯的氨分子和梅曼的红宝石，变成了激光；再加上高锟和康宁的玻璃，变成了今天的光纤网络。

这一章是第三单元“光”和第六单元“原子与量子”交汇的地方。能级、光子、受激辐射，这些都是量子物理的概念，我们在这里先借来用了。第 32 章讲玻尔怎样提出能级，第 33 章讲光为什么是一份一份的，到时候你会看到这一章的“台阶”从哪儿来。半导体激光背后的能带理论，第 39 章再讲。

下一章是第三单元的最后一章，讲激光出现之后光学还走到了哪里：伽博的全息术，用激光“夹住”细菌的光镊，把激光脉冲压到极短极强的啁啾脉冲放大，以及短到阿秒的闪光。那些都是站在这一章的激光之上的。

自测五个问题

1. 受激辐射在 1917 年就被提出了，为什么几十年里没人用它放大光？
平常的物质里，待在低能级的原子总比高能级的多，一份光路过时被吸收的机会远大于引发受激辐射的机会，吸收总是赢。要放大，必须先造出“粒子数反转”，让高能级的原子多于低能级。这在热平衡下做不到，需要汤斯挑选激发态分子、或者用闪光灯、电流“泵浦”这类办法。
2. 从微波激射器到激光，肖洛想出的关键改动是什么？为什么需要它？
用两面镜子（其中一面部分透光）代替封闭的金属共振腔。微波的波长是厘米级，可以做一个尺寸相当的金属盒子；光的波长不到一微米，做不出那么小的盒子。两面镜子让光在增益介质里来回走很多趟，每一趟都被放大，最后从部分透光的那面漏出来。
3. 在演示 1 里，纤芯 1.47、包层 1.46 时，入射角超过约 10° 光就会漏出去；换成空气时任何角度都不漏。那为什么实际光纤还要用折射率只低一点的包层？
裸玻璃丝的表面一碰到别的东西、沾了油污或有划痕，光就会从那里漏走。包层把发生全反射的界面藏在玻璃内部，外面怎么碰都不影响。代价是能接住的入射角变小，所以要用几乎平行的激光往里送。纤芯和包层折射率接近，也是做单模光纤的条件。
4. 高锟 1966 年的论文最重要的判断是什么？20 dB/km 这个门槛是什么意思？
当时光纤每公里上千 dB 的损耗，主要来自杂质（尤其是铁离子），玻璃本身造成的损耗很小；玻璃够纯，损耗可以低到每公里几 dB。20 dB/km 意味着光走一公里还剩 1%，按当时激光的功率和探测器的灵敏度，这样就足以通信。
5. 一根光纤损耗 0.2 dB/km，走 50 公里剩多少光？如果是 1970 年康宁的 17 dB/km 光纤呢？
0.2 × 50 = 10 dB，剩 10%。17 × 50 = 850 dB，剩下 10 的负 85 次方，等于什么都没有了。康宁的光纤只能用在一两公里的距离上，之后几年的改进才让长途通信成为可能。

参考来源本章依据

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图片：均来自 Wikimedia Commons，许可见各图说明。

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