“空氣”光纖或可實(shí)現(xiàn)超長距離通信

據(jù)稱可應(yīng)用到人類未來的火星殖民地

一項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)超長距離通信的技術(shù)，甚至可應(yīng)用到人類未來的火星殖民地——美國的科學(xué)家正在研制一種以空氣為材質(zhì)的新型光纖。該光纖擺脫了固體材料自身性能的局限，能夠在太空中實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的激光通信，同時(shí)還可以應(yīng)用到大氣污染探測、高分辨率地圖、軍用激光武器等領(lǐng)域。

光纖通信之所以是一種高效率的通信方式，在于它利用固體材質(zhì)的光纜，將光信號牢牢束縛在導(dǎo)波管之中，阻止光失去密度或焦點(diǎn)。一般情況下，光的密度會隨著傳播距離的增加而逐漸降低，即便是激光這種具備高度定向的光束也一樣。同時(shí)，它還無法避免因?yàn)榭諝庵衅渌麣怏w的干擾而失去焦點(diǎn)。

據(jù)英國《每日郵報(bào)》在線版7月29日報(bào)道稱，目前的光纖產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)一般由透明的玻璃管芯和由低折射材料制成的包裹外皮組成。外皮的作用是當(dāng)光試圖逃逸出管芯時(shí)，將其反射回來。不過，固體材料有著明顯的短板。一是能夠控制和駕馭的能量有限，二是離不開鋪設(shè)管道、安裝支架等外部支持，使其無法在諸如大氣層甚至太空這樣的特殊環(huán)境中發(fā)揮作用。

針對這一情況，本次研究的主持者、美國馬里蘭大學(xué)物理學(xué)教授霍華德·米爾克伯格，將目光大膽投向了無形的空氣。他和自己的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新出一種可以讓空氣具備玻璃導(dǎo)波管一樣作用的方法。據(jù)其刊發(fā)在《光學(xué)》月刊上的論文介紹，空氣導(dǎo)波管的結(jié)構(gòu)為：一個(gè)由低密度空氣組成的“外壁”，包裹著充滿高密度空氣的內(nèi)芯。而與普通光纖一樣，外壁的折射率要低于內(nèi)芯。這種結(jié)構(gòu)的“空氣”導(dǎo)波管能夠長距離、無損耗地傳送光信號。

霍華德團(tuán)隊(duì)制造空氣導(dǎo)波管的方法，是使用超強(qiáng)激光脈沖。激光脈沖能夠在空氣中電離出很細(xì)的“光絲”，而這些光絲會提高周圍空氣的溫度，令空氣擴(kuò)散，并在其經(jīng)過之后留下一條低密度的、內(nèi)部空氣折射率低于外部氣體的空洞。

光絲存在的時(shí)間短得驚人，只有約一萬億分之一秒，而空洞則可以存活幾毫秒，幾乎是激光脈沖的一百萬倍?；羧A德團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，正因?yàn)榭諝鈱?dǎo)波管能夠較長時(shí)間的存在，因而單個(gè)的它就可以傳導(dǎo)激光并收集信號。

目前霍華德的團(tuán)隊(duì)正在致力使空氣導(dǎo)波管的長度達(dá)到至少50米。憑借該技術(shù)，我們不僅可以對大氣上層或核反應(yīng)堆這樣的極端環(huán)境進(jìn)行化學(xué)分析，改進(jìn)激光雷達(dá)的性能以繪制高分辨率的三維地形圖，最終還能在太空中的任意地方隨時(shí)交流——讓人類未來的通信方式發(fā)生質(zhì)的改變。

圖中所示的傳統(tǒng)光纖一樣，空氣導(dǎo)波管外層的折射率要低于內(nèi)部，以此引導(dǎo)光沿著管道傳播。