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第二節 技術常識

　　半導體的發現和半導體技術的應用為20世紀的科學技術發展起到很大的推動作用，並將繼續為科技發展做出貢獻。

　　半導體

　　眾所周知，金、銀、銅、鋁等金屬都是很好的導電材料，我們稱它們為導體。而陶瓷、橡膠、塑料、雲母等物質很難導電，故稱它們為絕緣體。在我們周圍的世界中，除了導體和絕緣體外，還存在著一類其他的物質，它們既不像導體那樣容易導電，也不像絕緣體那樣不容易導電，它們的導電性能介於導體和絕緣體之間，我們把這類物質稱為半導體。半導體的種類非常多，像鍺、矽、硒等與大多數金屬氧化物和硫化物（例如氧化亞銅），以及許多金屬間的化合物（如二銻化三鎂、銻化鋼等）都是半導體。

　　但是，半導體所以引起人們的極大興趣，原因並不在於它的導電能力介於導體和絕緣體之間，而在於它具有許多獨特的性質。同一塊半導體，它的導電能力在不同情況下會有非常大的差別，一會兒它像地地道道的導體，但一會兒又像典型的絕緣體。

　　當外界溫度升高時，半導體的導電能力就增加許多，溫度下降一些，它的導電能力又降低許多，也就是說半導體的導電能力與溫度有著密切的關係。人們利用這種性質做成了自動化控製用的熱敏元件（如熱敏電阻等）。

　　當光線照射在某些半導體上時，它表現為導電能力很強，如導體的性質；但沒有光照時，它又像絕緣體一樣不導電。於是人們就利用半導體的這種特性，做成各色各樣的自動化控製用的光電器件（如光電二極管、光電三極管和光敏電阻等）。

　　如果在純淨的半導體中適當摻入極微量的外加雜質，那麽這半導體的導電能力就會成千上萬倍地增加，並且可以根據摻入雜質的多少來控製半導體的導電性能。這是半導體最顯著、最突出的特性。正因為半導體具有這樣獨特的特性，人們才利用摻雜的方法，製造出不同性質、不同用途的半導體材料，使得本來不受人們注意的半導體一躍而成為今天無線電電子技術的主要器件。

　　半導體的發現和半導體技術的應用為20世紀的科學技術發展起到很大的推動作用，並將繼續為科技發展做出貢獻。

　　超導現象與高溫超導

　　1911年荷蘭物理學家卡末林—翁納斯首先發現浸在液氦中的固態汞樣品，當溫度降到4.2K時，其電阻突然趨向於零。1913年他提出超導電性這一名詞，並定義這個電阻為零的態為超導態。處於超導狀態的物體稱為超導體。

　　超導電性出現在許多金屬元素中，也出現於合金、金屬間的化合物和半導體等。從正常態轉變到超導態有一個確定的溫度，稱為轉換溫度Tc，亦稱臨界溫度，當導體的溫度高於它的轉換溫度時，表現為正常態，低於它的轉換溫度時表現為超導態。純元素中轉換溫度最高的锝（元素符號為Tc），其轉換溫度為11.2K，最低的鈦（Ti），它的轉換溫度Tc=0.39K；在化合物中錫化铌（Nb3Sn）的T=18K。1974年曾製成一種铌鍺合金（Nb2Ge）薄膜，其轉換溫度高達23.2K，但也有許多金屬，如鋰、鈉和鉀曾分別降溫到0.08K、0.09K和0.08K，仍表現為正常態導體。當銅、銀和金的溫度分別降到0.05K、0.35K和0.05K，也仍為正常態。轉換溫度與材料的化學純度有關，其中磁性雜質的影響特別顯著。例如鉬中含有百分之幾的鐵，其超導電性就會被破壞（鉬的轉換溫度為0.92K）。極微量的釓能使鑭的轉換溫度從5.6K降至0.6K。

　　在超導態時，物體的電阻實際上為零。有人用超導體製成圓環，在環中感應出一恒定電流，發現電流在環內持續數年，仍未見電流有任何可測量出來的衰減。費爾和密爾曾利用精確的核磁共振方法測量超導電流產生的磁場，以研究螺線管中超導電流的衰減，他們得出的結論是超導電流的衰變時間不短於10萬年。

　　由於超導體具有零電阻特性，自然就想到可以利用超導體製成的線圈來產生非常強的磁常但是在1914年翁納斯發現，太強的磁場會破壞超導性，使導體從超導態回到正常態。實驗表明，每一種處在超導態的導體材料，當受到磁感應強度大於某定值Bc的磁場作用時，就從超導態轉變成正常態，當磁感應強度低於Bc時，它又能從正常態轉變成超導態。磁感應強度Bc稱為臨界磁常臨界磁場與材料的種類和超導態的溫度有關。

　　1933年，邁斯納和奧非爾特用實驗研究了超導體的磁學性質，實驗結果表明，超導體內部磁場恒等於零，即超導體總是把磁場排除在超導體之外。

　　當然所加的外磁場均應小於臨界磁常超導體的這種特殊的磁效應稱為邁斯納效應。邁斯納效應表明超導體具有完全抗磁性。它是一種完全的抗磁體。

　　由於目前人類已經研製出可在液氮溫區工作的超導體，因此原來使超導應用受到限製的條件（液氦低溫設備價格昂貴）已經解除，超導技術應用的大門已經打開，它將迅速波及國民經濟的許多部門，它將首先波及電力工程、電能輸送、電動機和發電機的製造，如果用超導線輸送電能，線路上的能量損耗很小甚至沒有，因此可以將電能輸送到極其遙遠的用戶。用超導體做成超導電機，它們與常規電機相比有很大的優越性，第一單機容量大，常規電機的最大單機容量為100萬千瓦左右，而超導電機的單機容量可達到1000萬～2000萬千瓦。第二重量輕體積小，超導電機由於輸出功率大，它的相對重量要比常規電機輕，同時可省去笨重的鐵芯，它的重量和體積可大大減校第三效率高，損耗小，超導電機的效率可達95%～98％。第四超導電機的靜電穩定性好，即使電網發生波動仍能正常運轉。第五減少輸送設備，超導電機可提高輸出電壓，可將電力直接送入電網，可省掉一套升壓變電設備，超導電機的應用很廣泛，可用於作直流電源外，還可在超負荷情況下拖動像軋鋼機、深井采礦通風機、大型卷揚機等，另外可用於原子能發電，航空與航天等方麵。有了高溫超導即可推廣應用超導磁懸浮列車，超導計算機，超導電子學器件，它將促進生物磁學的研究，針灸機理研究，特異功能研究，推動高能加速器的研究，促進可控熱核反應研究進程，並可應用於強磁場下物性研究等等，預計由超導技術將引發新的技術革命，它將大大促進世界科技的發展。

　　激光

　　激光技術是20世紀60年代初在無線電電子學、波譜學、光學、原子物理學基礎上發展起來的一門新興技術，它與核能技術、電子技術、超導技術、信息技術構成20世紀影響特別巨大、意義深遠的科學技術。

　　在日常生產和生活中，人們經常看到各種不同的光源在發光，有太陽這一類自然光源的發光，也有白熾燈、日光燈、碘鎢燈、水銀燈、霓虹燈等人造光源的發光。與這些人造光源的光相比，激光有其優異的特性。兩暑的發光機理不同。

　　激光一詞的英文是Laser，它是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation詞組中各詞第一個字母的縮寫。讀作萊塞，現在有讀作鐳射的（如激光唱片寫為鐳射唱片），它的意思是受激輻射經光放大而產生的一種光輻射。要弄清楚激光是怎樣形成的，得從原子、分子的能量狀態及其變化說起。

　　物質中的原子、分子或離子（統稱為微觀粒子），一般都處在不同的能量狀態中，粒子的能量狀態在物理學中稱為能級，對於不同能量的能級，人們用一些高低排列的水平線來表示，稱為能級圖。例如氫原子中的核外電子，根據量子理論，可以處在不連續的、物理上稱量子化的能量狀態中，即處在不同的能級上。當粒子的能態發生變化時，隻能采取跳躍變化的方式，從一個能級“躍遷”到另一個能級，就好像人走樓梯一樣，隻能一級一級地走，例如氫原子從外界獲得能量後，它可以從n=1的能級（稱為基態）躍遷到n=2，或n=3的能級上去。n=2，3……的能態叫激發態。通常情況下，組成物質的大多數粒子處於最低能量狀態（基態），隻有很少的粒子處於較高的能量狀態（激發態）。粒子處於高能級的時間（稱為能級的壽命）是非常短的，一般為億分之一（10-8）秒左右。由於粒子內部結構的特殊性，有些能級的壽命較長，達到千分之幾秒甚至更長，這種能級稱為亞穩態能級。亞穩態能級的存在，提供了形成激光的重要條件。當粒子所處的能量狀態發生變化，或者說當粒子從一個能級向另一個能級發生躍遷時，必然伴隨著該粒子與其他客體發生能量交換的過程。讓我們隻考慮粒子與外部輻射場即光子的相互作用與能量交換過程。當粒子在對較低能級和較高能級之間發生躍遷時，隻能吸收或發射一個特定的光子。

　　1916年愛因斯坦首先提出關於光的吸收和發射的三種過程。

　　（l）受激吸收：處於較低能級上的粒子吸收一個光子，從而躍遷到較高能級的過程稱為受激吸收或簡稱吸收。

　　（2）自發輻射：處於較高能級的粒子，不論外部光場是否存在，粒子會自發地躍遷到較低能級上，並輻射出光子。激光出現之前，所有光源的光輻射，基本上都屬於這種自發輻射。

　　（3）受激輻射：處於較高能級的粒子在一定頻率的光子的激勵下，躍遷到較低能級，並發射一個與入射光子的性質（頻率、進行方向等）完全相同的光子。“一模一樣”的光子增加了，這意味著入射光被放大了。這樣的過程稱為受激輻射。

　　如果借助某種人為的方法，使處在高能級的粒子數多於低能級的，這種狀態稱為“粒子數反轉”。這時如果有外界光輻射通過，其光子能量恰好等於這兩個能級的能量差，則處於高能級上多數粒子的受激輻射行為，與處於低能級上少數粒子的受激吸收行為相比占優勢。因此，光通過處於粒子數反轉狀態的物質後，得到了由受激輻射作用導致的放大。要使物質中的粒子處於粒子數反轉分布狀態，必須由外界提供能量，通常隻有將粒子激發到亞穩態能級上，才能實現粒子數反轉分布狀態，否則，粒子被激發到壽命很短的能級上，外界入射光子還來不及“激發”，它們就自發躍遷到低能級上去了。

　　激光器隻不過是將外界提供的各種形式的能量，轉換成粒子數反轉，最後以光能集中釋放出來。

　　產生激光發射的器件或裝置稱為激光器，一般激光器是由3部分組成：激光工作物質、激勵係統以及光學共振腔。

　　激勵係統的作用是供給激光工作物質能量，使其中處於基態的粒子獲得能量後，可以躍遷到較高能量的激發態上去，為實現粒子數反轉創造條件。

　　所以它是將各種形式的外界能量轉換成激光光能。

　　激光工作物質是指用來實現粒子數反轉並產生光的受激輻射放大作用的物質體係，它是激光器的核心。激光工作物質可以是固體（如晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導體和液體等介質。對激光工作物質的主要要求是，盡可能在其工作粒子的特定能級間實現較大程度的粒子數反轉，並使這種反轉在整個激光發射過程中盡可能地保持下去。為此，要求工作物質具有合適的能級結構和躍遷特性。

　　光學共振腔通常由兩塊光學反射鏡（平麵或球麵）組成，其中一塊為全反射鏡，另一塊為部分反射鏡，共振腔內形成的激光振蕩的一小部分，從這塊部分反射鏡透過，成為輸出的激光，共振腔對激光束的方向有選擇作用，從而保證激光器輸出的激光具有極好的方向性。

　　由於激光的發光機理與普通光源不同，所以激光有以下的鮮明特點。

　　（l）高亮度：激光的亮度比太陽表麵的亮度要高100億（1010）倍，這種高亮度表示能量在時間空間上的高度集中，除核爆炸外至今還找不到其他裝置能夠像激光器那樣高度集中能量。這一特性，使激光在各種技術領域及科學研究的許多方麵，獲得了廣泛的應用。

　　（2）單色性好：不同顏色的光是不同波長的電磁波。所謂單色光實際上並不是隻有單一的波長，而是有一個很小的波長範圍，這個波長範圍就叫單色光的譜線寬度。譜線寬度愈窄，光的單色性愈好。

　　（3）高相幹性：物理學上所謂兩列光是相幹光，是指波長相同、振動方向相同有一恒定的位相差的兩列光。一般情況下，物質中億萬個原子、分子在發光時彼此互不相關，因此它們發出的光，即使波長相同，它們有不同的振動方向，特別是沒有恒定位相差，所以不是相幹光，受激輻射時，粒子發的光，“步調一致”，波長單一，所以激光具有極好的相幹性。由於這一特性，使全息照相成為現實。

　　（4）高定向性：由於共振腔對光束方向的選擇作用，使得激光器輸出的激光束有高度的方向性，光束沿空間極小的立體角範圍（一般為10－5～10－8球麵度）向前傳播。月球距地球平均為38.4萬千米，將激光射到月球上，照射的光斑直徑不超過兩千米，如用探照燈照到月球上，它的光斑直徑將達幾千千米以上。

　　由於激光的這些特性，使激光在技術科學及其他學科領域帶來了前所未有的應用廣度和深度。

　　激光器

　　隨著激光技術的發展，五花八門的激光器不斷湧現。因此需要進行分類。

　　激光器的分類有幾種，最通常的是按工作物質的物理狀態來分，可分為氣體激光器、固體激光器、液體激光器和半導體激光器。如果按輸出激光的波長來分，可分為γ（射線）激光器、X（射線）激光器、紫外（線）激光器、可見光激光器和紅外（線）激光器等。如果按激光輸出時間長短來分，可分為連續激光器、準連續激光器、脈衝激光器、巨脈衝激光器和重複頻率激光器（脈衝輸出的間斷時間很短，如每秒幾次到幾十次）等。如果按激勵方式分類，則有光激發激光器、電激發激光器、熱激發激光器、化學激光器等。

　　氣體激光器中最先製成的是原子氣體激光器，以惰性氣體（氦、氖、氦、氪等）為工作物質的激光器稱為惰性氣體原子激光器，其中以氦—氖激光器為典型。它是1960~1961年最先製成的一種最常用的氣體激光器。它的工作物質是氖，輔助氣體是氦。它的單色性好，譜線寬度很窄，可獲得極高的頻率穩定性。它的方向性也好，它產生的亮度比太陽表麵的亮度還高成千上萬倍。同時還有構造簡單、使用方便、壽命長（可達二三萬小時，甚至五萬小時），因此獲得了廣泛應用。它的缺點是增益低、輸出功率小（十分之幾毫瓦到幾十毫瓦），能量轉換效率約為萬分之一。

　　原子氣體激光器中的另一大類是金屬蒸汽激光器。它們是利用蒸汽狀態的金屬原子發光的，銅蒸汽激光器輸出的5105埃綠色激光，在水下傳輸過程中損失很小，適合於水下通訊。

　　分子氣體激光器是後來居上的一大家族，說它大，第一是能發射激光的成員多，已從上千種氣體分子獲得了激光，且還在擴充中。第二是它們發射的激光波長範圍很廣，遍布整個光譜區域。

　　分子氣體激光器中最典型的代表是二氧化碳激光器，它的明顯優點是它的能量轉換效率高。能量轉換效率（簡稱效率）是評價激光器性能的一個重要指標，它標誌著輸入激光器的能量轉化為激光輸出能量的百分比。原子氣體激光器的效率一般隻有千分之幾，而二氧化碳激光器有20%～30％，兩者差千倍。

　　固體激光器的工作物質是晶體或玻璃一類固體材料，故又可分為晶體激光器和玻璃激光器。一般都用脈衝氖燈或氖燈一類強光燈（稱光泵）來激勵，所以它是將普通的光能轉換為激光光能的一種裝置。固體激光器的優點有器件緊湊和小型，輸出功率大。但固體激光器的工作物質製造工藝較複雜，這就限製了它的推廣應用。

　　以半導體為工作物質的激光器稱為半導體激光器，這種激光器很小，長寬均為零點幾毫米、厚約0.1毫米，它的激光電源也很小，一般隻有收音機那麽大。由於小，可用於宇宙飛船中作為光雷達來觀察星球表麵的情況，當然也由於小，它的輸出功率隻有幾十毫瓦，不過，可以把許多半導體激光器組合起來使用，提高輸出功率。

　　半導體激光器的半導體材料，有砷化镓、銻化鋼、硫化鎘等，其中以砷化镓激光器最為成熟。它的效率可達到60%～70％。因此可用於軍事上短距離的保密通訊。

　　隨著激光應用的日益發展，在激光分離同位素，激光通訊等場合，很需要一種波長能連續改變的激光器，液體激光器正是在這種要求下產生的。液體激光器有三大類：有機染料激光器、無機液體激光器和螫合物激光器。

　　第一類是主力軍，已有350餘種染料獲得了激光輸出；第二類的工作物質是摻有稀土離子的無機液體；第三類在實際應用上沒有多少價值。

　　當今世界上有千種激光器，它們各有各的特點，各有各的用處，不能一一在此介紹。目前功率最大的是1990年5月20日法國原子能委員會所屬的兩個科研小組在1.2皮秒（即10－12秒）的時間內，獲得功率為20太瓦特（1太瓦特等於1萬億瓦特，即1012瓦特）的激光束，刷新了美國創造的15太瓦特的世界紀錄，據研究小組負責人雅克·庫唐透露，這項課題的目的是研究出一種功率為1000太瓦或1000太瓦以上的大功率瞬時激光束。專家們認為，這種高功率脈衝激光器在加速器、材料科學、生物基礎研究或其他領域有廣闊的應用前景。

　　激光技術

　　利用激光的高亮度、單色性好、方向性好、相幹性好、脈衝時間短、可調諧等特點，可製成各種激光器，目前，全世界激光器有數千種之多，各類激光器輸出能量小至毫焦耳以下，大至千焦耳以上，輸出功率的範圍變化在毫瓦至幾億千瓦之間，甚至達到20萬億瓦，發光亮度可在108～1017瓦/（厘米2·球麵度）的高水平上變動，而太陽的發光亮度也隻有108瓦/（厘米2·球麵度）。這千變萬化的能力，顯示著激光的巨大應用潛力和廣闊的應用前景。它在工業、農業、科技、醫學臨床、環境保護、公安、軍事以及社會生活等各個方麵都有著極其廣泛的應用。

　　以加工工業來說，由於激光具有能量高度集中的特點，聚焦後可以在焦斑上達到很高的能量密度，因此可用來對材料或工件進行打孔。例如生產化纖用的噴絲頭，是用難熔的硬質合金製成的，在直徑約10厘米的合金材料上，要鑽一萬多個直徑為60微米的小孔，若用機械鑽頭鑽孔，需5個熟練工人工作一星期。而用激光打孔機隻需幾小時即可加工一個噴頭，而且質量也有保證。除打孔外，還可用激光對各種材料進行焊接、切割、劃片、動平衡去重、雕刻等。其優點是：可對高熔點、高硬度和脆性材料加工，熱變形、熱影響區小，可避免雜質汙染，可加工複雜圖形等等。激光還可進行金屬表麵熱處理，進行激光表麵硬化，激光表麵合金化與激光表麵覆蓋等。

　　利用激光單色性好，方向性好及相幹性好的特點，激光在精密測量方麵有突出的貢獻。開鑿隧道，建築高樓，鋪設管道等都離不開一條基準直線，采用高度準直的激光束作為基準直線，可大大提高準直的距離和精度，例如，在幾千米長的距離上，激光的準直精度可在幾毫米以內。利用激光測距，具有極高的精度，以激光測月為例，10萬千米距離的測量誤差可壓縮到1米以下。基於高精度的激光測距原理，結合空間衛星技術，可以測量大陸漂移和地殼微小變動，從而可以對地震進行更準確的預報。激光雷達可跟蹤和測量衛星及導彈的飛行狀態，可以探測和分析大氣中的雲層湍流和空氣中的汙染情況，可以測量流體、車輛和飛行器的運動速度等。

　　利用激光的相幹性，引起了照相技術的革命，產生了全息照相技術。全息照相能記錄被攝景物在三維空間的全部信息，再現時能“活靈活現”地重現被攝景物的立體圖像。利用全息照相原理，可以記錄、貯存和再現大量的圖像或數字信息，對計算機技術的發展有重大意義。

　　根據激光作用在特定的幾何形狀上會產生特定的散射圖形（稱為散斑），用它來對產品進行檢測，可以發現產品的質量缺陷，例如：條紋、斑點、壓痕、氣泡、疵點、皺紋、針孔、雜物、擦痕、汙斑、裂縫等。激光檢測具有速度快，漏檢率小，可動態進行，能快速分類、記錄、數據貯存等優點。

　　隨著光導纖維、半導體激光器和光耦合器在技術上和製作上的突破，近年來，激光通信得到迅速發展。與常規通信相比，激光通信的特點是容量大，例如，從理論上講用集成光路和光纖組成的激光通信係統，能同時傳播100萬套電視節目。另外還有保密性好，抗幹擾能力強、安全可靠等優點。

　　船隻、飛機和火箭航行時，都要用陀螺儀（亦稱回轉儀）來導航，以往陀螺儀是用一隻高速（每分鍾上萬轉）旋轉的飛輪，它的自轉軸能指向空間某一位置，具有一定的穩定性。但機械陀螺由於摩擦的存在其可靠性會逐漸降低，現代用激光陀螺代替。

　　激光進入醫學領域：20世紀60年代初開始於眼科視網膜凝固，經過多年的實踐，激光在醫學上已涉及從基礎到臨床的許多方麵。激光臨床應用則發展到治療內、外、皮膚、婦、兒、肛、腸、耳、鼻、喉等各科的多種疾病，並且近來的趨勢是更加注意發揮激光本身的特色，將其用來解決一些常規醫療手段不易處理的問題。激光在醫學臨床上的應用主要有兩種方式：激光凝固療法和激光汽化療法。

　　激光治療癌症是最令人感興趣的一個課題。首先，利用某些癌組織對不同波長激光的選擇吸收，來殺死或破壞癌組織；其次利用激光刀進行癌的臨床外科手術，諸如宮頸癌、乳腺癌的切除。最新的進展是，用腫瘤親和性光敏物質進行癌的診斷和治療，對此最常用的藥物是血卟淋，它具有高濃度、長時間存留在癌細胞內的功能。血卟淋的熒光激發光譜峰值在4000埃附近，發射光譜則在6300埃處有兩個峰值。用氪離子激光器進行激發，探測血卟淋的紅色熒光，就可以探測到癌細胞的部位，然後再用染料激光器或氦氖激光器照射癌組織，可以殺死癌細胞。此外可利用激光對穴位照射進行“激光針灸”等。

　　1991年在檢測艾滋病毒的研究中，日本電報電話公司電子實驗室和東京國立衛生研究所的科學家發明了激光磁免疫測定方法，這種激光檢測艾滋病的方法，其精確度比目前所使用的方法高100倍，且簡便省時。目前研究人員正在設法縮小設備體積，降低造價，並研究用這種方法檢測皰疹、肝炎和流行性感冒等病毒的可行性。

　　激光在農業上的應用，有對糧豆作物，經經濟作物和蔬菜種子進行激光育種，普遍提高了種子發芽率，促進早熟增產。

　　大家知道，製造原子彈和核反應堆都需要鈾235，鈾235必須從天然鈾中提煉出來。天然鈾中含有3種鈾同位素，它們的含量分別是鈾238為99.28％，鈾235為0.714％，鈾234為0.006％。用於反應堆作燃料時要求鈾235的濃度為3％；用於核武器作炸藥時，其濃度需達90％以上才能爆炸。人們利用激光達到了分離鈾同位素的目的。

　　聚變反應的主要燃料是氘，但要使氘產生聚變反應，必須首先使其加熱到1億度以上的高溫。利用高亮度的激光會聚照射用氘製成的小靶，可以達到幾千萬度以上的高溫，已觀察到標誌著初步聚變反應的中子發射。我國一套高功率激光裝置於20世紀80年代末，進行了慣性約束聚變實驗，取得重大成就。

　　這套名為“神光”的裝置輸出功率高達20億千瓦，將它開展慣性約束聚變綜合性物理實驗時，成功地完成了雙束激光對打空腔靶的試驗獲得了足夠高的腔內輻射溫度，超過了國外同類裝置同種實驗水平。目前世界上很多國家和地區在研究激光核聚變，有望本世紀取得成功，即時人類將徹底解決能源問題。

　　人類已實現了登月飛行，並正在向其他星球挺進，在未來的宇宙航行中，激光可以擔任“通訊員”的重要角色，利用3個位於大氣層外的同步衛星中繼站，可使宇宙飛船與地麵上任何地點實現通訊聯係。激光束在宇宙空間傳播時，能量損耗甚小，但進入大氣層後，由於大氣吸收激光能量損失較大，因此應將其轉換成適當波長的電磁波（如微波和紅外線），以便易於透過“大氣窗口”。

　　除通訊外，激光還可當作星際航行的動力來使用，有人設想利用強激光的光壓或光子反衝，可以推動光子火箭與激光宇宙飛船，它的飛行速度快，可接近光速，以便實現星際旅行。

　　利用激光的熱效應來達到破壞目標，可製成激光武器，目前正在研製的激光火箭，有可能成為攔截洲際彈道導彈，或偵察衛星的強有力的武器。由於激光武器要求大功率，高能量的激光器，需要解決許多技術難題，所以要達到實踐要求還有相當一段距離，世界各大國正在加緊研究中。

　　激光不僅給技術科學帶來了前所未有的應用廣度和深度，而且還大大推動了物理學、化學、天文學、生物學和醫學等基礎學科的發展。20世紀60年代以來，激光物理學、激光化學、激光醫學等新學科的出現，在人們麵前展現了一片廣闊的新天地，讓我們努力攀登激光技術的新高峰，使激光更好地為人類服務。

　　超聲波

　　聲波是指在彈性物質中傳播的一種機械波。空氣、水，各種固體都是彈性物質，所以聲波可在一切物質中傳播，頻率在20~20000赫茲之間的聲波能為人耳聽得見，稱為可聽聲，高於20000赫茲的聲波叫超聲波，它雖然不能為人耳所聽見，但它有以下的特性和作用。

　　（1）波長短，近似作直線傳播；在固體和液體中的衰減比電磁波小；它的傳播特性，如聲速、吸收等，和傳播媒質的微觀和宏觀性質密切相關。

　　（2）能量容易集中，因而可以形成很大的聲強（指單位時間通過與指定方向垂直的單位麵積的聲能）。產生劇烈的振動，並引起許多特殊的作用，如駭波、液體中的空化作用等。結果產生機械、熱、光、電、化學及生物等各種特殊效應。所以超聲波廣泛應用於工農業生產及醫藥衛生等方麵，成為新技術中的多麵手。

　　由於超聲波的頻率高，傳播的能量大。例如在相同振幅情況下，頻率為100萬赫茲的超聲波，它的能量要比1000赫茲的聲波能量大1000倍。強大的超聲波在液體中傳播時，在液體中引起壓縮和稀疏的作用，在壓縮部位，液體好像受到來自四麵八方的壓力，在稀疏的部位，液體又像受到向四處的拉力。液體比較經受得住壓力，但在拉力作用下，就顯得十分脆弱，在拉力集中的地方，液體就會發生斷裂現象，產生許多氣泡形狀的小空腔，這些空腔存在的時間極短，在液體受壓的瞬間又閉合起來、空腔閉合時產生非常巨大的瞬間壓力，一般可達幾千個甚至幾萬個大氣壓，這種空腔在液體中產生和消失的現象就叫空化作用。借助於空化作用的巨大壓力，就可以將附著在物體上的油脂、汙塵清洗幹淨。超聲波清洗機就是根據空化作用原理製成的。

　　這種清洗機效率高、質量好、易於實現自動化，現已廣泛應用於清洗精密機械，無線電元件，光學元件、紡織機件及鍾表元件等。此外利用超聲波的清洗原理，還可以進行乳化、攪拌、粉碎和醇化等加工。例如在醫學上可用它來粉碎馬立克氏病毒；在機械加工的熱處理工藝中，可利用它的攪拌作用來提高熱處理後的零部件質量。

　　利用超聲波的高頻振動可以用來除塵，在煙囪裏裝一個超聲除塵器，當它產生的超聲波作用在煙塵中時，煙塵就隨著超聲波作激烈的振動，在短時間內，相互間你碰我撞，由於黏合作用，就像滾雪球似的，顆粒越粘越大，當顆粒大到煙囪中的上升氣流無法支持它的重量時，就會沉到煙囪底下，起到除塵的作用。

　　超聲波可加工堅硬脆弱的材料，如玻璃、陶瓷、寶石、鍺、矽、各種硬質合金等。超聲波加工是通過加工工具將超聲波的能量傳遞給磨蝕液中的磨料，使磨料對被加工工件進行不斷的磨削來實現的。超聲波加工由於振動頻率高，能量大，磨粒細，因此加工的精度和光潔度都很高。同時，還可以加工形狀複雜的工件，可用於玉石雕刻，對金剛鑽模具或硬質合金模具進行研磨。

　　超聲波焊接是焊接技術中的一個新領域。它是通過在兩個搭接的焊接件上同時施加一定的壓力和超聲波振動，使兩焊接件焊在一起。超聲波焊接是冷焊，在焊接時不需要外加熱源和焊劑，可將薄片（或細絲）焊接在厚板上。

　　它不僅可以焊接金屬材料，而且還可以焊接塑料、合成纖維等非金屬材料，可用於半導體器件的內引線焊接，電解電容器中的鋁箔與引線的焊接及電影膠片的焊接等。由超聲波發生器和帶刀片的超聲振動刀兩部分組成的超聲波切刀，由於刀口受縱向的超聲振動激勵，其刀片的切割能力是普通刀的10倍，可用於玻璃、玉石、金屬的刻線和研削修整，對於陶瓷底板，印刷線路板圖形的修改，焊錫點的修理等最為適用。

　　利用頻率為2萬赫茲，強度為120分貝的超聲波可以作超聲波驅鼠器，當老鼠等鼠類動物聽到這種超聲波時，就會感到難以忍受，慌忙逃走，而人類和家畜是聽不到的。

　　以上的應用都是利用超聲波的攜帶能量大，下麵是利用它的直線傳播性。

　　超聲波的傳播特性與光相似是按直線傳播的，當它碰到界麵時就會產生反射與折射，利用這些特性可以用來檢測物體。超聲波檢測應用的範圍很廣，它可用於探測材料的厚度和材料內的缺陷，即用於探傷；可測量海洋或河道的深度，探測海洋魚群和海底地貌，檢測輸油管中的油種；用於船舶的定位等。在醫療方麵，可用來探測人體內髒、心血管疾病等。

　　目前醫院中使用比較多的是多探頭電子掃描超聲顯像儀，它是由16～20隻彼此靠緊、排成一行的探頭組成，探頭發出重複的，時間極短的脈衝超聲波，在人體內碰到各層組織時，會依次產生各自的回聲，這些回聲點群相互聯係，並用熒光屏顯示出來，能使醫生清楚地看到心髒、肝、腎、脾等內髒的病變情況，作出準確診斷。由於超聲診斷一無痛苦二無損傷，除能定性地用曲線、圖像顯示外，還能提供確切的定量數據，因此日益得到廣泛的應用。

　　超聲波對人體局部血流循環，細胞新陳代謝以及功能狀態的改善都會產生有利的影響，因此還可用於治療。超聲所以能治病，是因為超聲在人體組織中能產生一係列物理、化學和熱效應。超聲在組織中引起細胞的波動，相當於一種微細的按摩，能促使局部血流和淋巴循環得到改善，從而對組織營養和物質代謝都能產生良好的影響。超聲還可以刺激半透膜的彌散過程，增強其通透性，加強新陳代謝，提高組織的再生能力，另外超聲的機械振動，也能引起體內局部溫度升高，具有擴張血管的作用可以治療冠心玻當然超聲治療也有它一定的局限性，如對於出血或出血後尚未穩定的疾病就不應采用，對肝髒、生殖器官也不宜直接使用。盡管如此，超聲治療有操作簡便，使用安全，無副作用以及治療時無痛苦病人樂意接受等優點，所以它是一種有效的治療方法。

　　紅外光

　　冬天如果在陽光下，你會感到暖烘烘的，太陽看上去是白色的，如果將一束太陽光照到玻璃或石英棱鏡上，折射後，射出的不再是一束白光，而是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等顏色組成，太陽光所包含的七種顏色的光線中，各色光線的熱量是一樣的嗎？1800年，英國物理學家赫胥耳把頭上塗黑的水銀溫度計依次放在太陽光的各種不同顏色的區域裏，發現紅光區域的溫度最高，而紫光區域的溫度最低，當他把溫度計移到紅光區域的外邊時，得到了一個重要發現——這裏的溫度比紅光區域還要高，這個實驗告訴人們，在紅光之外，盡管人的眼睛看不見什麽光線，可是它那裏有較強的熱效應。當時赫胥耳把它叫做不可見光線，後來人們為它取名為紅外線。

　　紅外線簡稱紅外，本質上是一種電磁波，它在電磁波譜中占據了波長從0.75～1000微米這一寬廣的波段，它同可見光（波長在0.4～0.75微米）唯一區別是波段差異。紅外由於是非可見光，紅外技術又多用於軍事，故總給人們留下一種神秘感。其實紅外線並不神秘，因為凡是絕對零度以上的物體都在發射紅外線，人體亦是一個紅外線源，我們每個人每時每刻都處在紅外線的包圍之中。各種物體因自身溫度不同，表麵狀態和材料的不同而形成各式各樣的紅外輻射源。

　　紅外光是如何產生的呢？我們知道，原子中的電子，由於種種原因，使它從低能狀態變到較高能量的狀態，當它從高能態躍遷到低能態時就發光，對於分子來說，它有振動運動和轉動運動。當分子處於較高能態的振動運動和轉動運動躍遷到較低的振動能態和轉動能態時，亦要發光，這些原子、分子的不同能態，我們稱它為處在不同的能級狀態。一般原子中電子能極之間的躍遷對應著發射紫外光和可見光，分子的振動及轉動能極之間的躍遷發射紅外光。

　　由於紅外線有熱效應與生物效應，它可應用於工農業生產和醫療衛生方麵。

　　首先是利用紅外的熱效應，製成遠紅外輻射糧食烘幹機，它可用於烘幹稻穀、麥子、豆類和油菜仔等作物，用紅外輻照幹燥的糧食有殺死蟲卵和病菌的功效，有利於長期保存。經試驗對小麥、大麥、油菜仔和棉花種子等用紅外輻照後試種，生長狀況比沒有輻照過的好，因此，它可用於紅外輻照育種試驗。亦可製成紅外測溫儀，它的測溫範圍在400℃～1000℃，溫度分辨率為±2℃，測量距離為120厘米，響應時間為10毫秒。測量波段為1.2～2.8微米。利用紅外探溫原理可以製成紅外火源探測儀，在充滿濃煙的火場上尋找火源是十分困難的，以往全靠消防人員的實踐經驗，因而也容易造成差錯或貽誤戰機。紅外火源探測儀是連續、快速、非接觸測量物體表麵溫度的新穎探測儀器，在大型現代化城市的建築設施發生火警時，能通過隔牆、管道等探測火源，並能自動定位報警。除供消防人員救火現場偵察火源外，對於一般儲有易燃物的倉庫，廠房以及大型船舶都可備用。

　　利用大氣紅外輻射異常現象可以預報地震，在衛星拍攝的地球熱照片上，某些地方有時會出現紅外輻射異常現象。這種現象可保持數日，然後自行消失，當某地區出現這一現象後幾天，該地區必然會發生地震。例如，1984年3月19日在前蘇聯布哈拉州的加茲利曾發生地震，而在3月11日此地空間曾出現紅外輻射閃光，而輻射光是在整個大片地區上空突然閃現的。類似情況也在其他許多地震事件中觀察到。那麽，為什麽會產生這種大氣發光現象呢？原來當地震處於孕育發展過程時，必然會產生地殼向空氣釋放氫氣、一氧化碳氣、二氧化碳氣、甲烷及其他氣體。這些氣體在地震形成區的含量迅速提高，導致局部溫室效應，使氣溫驟然升高幾度，足以使紅外輻射增強，進入空間，當然這種現象在地球上難以觀察到，隻能從衛星上才能觀察到，因此通過衛星遙測紅外輻射異常這一信息，可準確地預報即將發生的地震。

　　利用紅外輻射的生物效應，可以進行紅外理療。紅外理療是近20年來理療界崛起的一支新秀。盡管各式各樣的紅外理療機相繼問世，名目繁多，品種各異，但其本質都是利用紅外輻射的生物效應。該效應可分為熱效應與非熱效應。熱效應是生物體中原子分子的偶極子和自由電荷在紅外光的電磁場作用下，有按電磁場方向排列的趨勢。在此過程中引發分子原子的無規則運動加劇並產生熱效應。當紅外輻射足夠強時，即超過了生物體的散熱能力，就會使被照射局部溫度升高，引起主觀的熱感覺。非熱效應是在紅外光（特別是2～6微米波長的紅外光）的光子作用下，生物體中的分子共振吸收了光子的能量，使分子能級被激發，即使分子處於較高的轉動與振動能量狀態，改善了核酸蛋白質等生物大分子的活性，影響細胞的生理生化功能，從而發揮其調節機體代謝免疫等活動的功能。

　　20世紀80年代以來，利用紅外輻射“熱療法”治療腫瘤是一項新的研究，特別是對惡性腫瘤的治療。日本有關資料表明：癌細胞在32℃以下，細胞本身不會變質或壞死，然而在高溫40℃以上，癌細胞不僅不繁殖，1周後還會死去80％，10天左右全部毀滅。美國國家防癌中心組織了許多單位，其中以斯坦福大學為主，對“熱療法”進行臨床實驗，發現熱療法可以有效地防治皮膚癌，對其他類型的癌症也有一定的療效。美國有些醫院還用紅外“熱療法”來治療晚期癌症，使很多接受治療的病人出現了良好的轉機。我國上海某醫療部門用紅外“熱療法”對患晚期子宮卵巢腫瘤的病人使用紅外輻射增敏“熱療法”，治療半月後，患者疼痛明顯減輕，且腫瘤萎縮，質地變軟。由此可見，紅外理療前景廣闊，它已進入攻克疑難病症——癌症的領域，並成為醫學界臨床上的新課題。

　　隨著紅外技術的不斷完善，它必將進一步擴大應用範圍。

　　遙感技術

　　古代神話中的孫悟空有一雙金睛火眼，一個筋鬥翻上雲端，用手往眼上一罩，就能洞察千裏之外的妖魔，孫悟空的千裏眼是人們的幻想，而今人類確實有了千裏眼，這就是遙感技術。遙感就是感知遙遠的事物，識破偽裝，洞察事物的本來麵目。

　　第二次世界大戰中，德國法西斯在法國的阿拉斯市秘密設置了製造V—I火箭的基地，由於偽裝得巧妙，英美方麵雖然多次用可見光空中攝影進行偵察，卻始終未能發現。後來改用紅外線空中攝影，終於“剝”去了偽裝，清楚地攝取了火箭基地的紅外照片。

　　用飛機裝載照相設備利用可見光進行空中攝影，這是20世紀30-40年代的遙感技術。當前遙感技術的含義是：從航天的高度，根據物體的電磁輻射特性，運用傳感器進行遠距離探測，再通過判讀來識別目標的性質。

　　人是怎樣識別物體的呢？太陽或其他光源發出的可見光（其波長為0.4～0.76微米），照到物體上就會被反射，不同物體反射可見光的波長和強度各不相同，就形成了物體的顏色，綠葉主要反射綠光，但不同部位，不同性質的綠葉反射綠光的波長和強度也稍有差異，人眼接收到這些可見光的信息，在視網膜上合成了綠葉的圖像，人們憑借經驗就能判別，這是鬆葉那是柳葉。

　　物體不僅反射可見光，而且還反射紅外光。不同物體對紅外光的反射率是不同的。對可見光反射率相近的物體，對紅外光的反射率就可能不同，紅外攝影為何能識破偽裝道理就在這裏。例如塗綠色偽裝漆的坦克和綠色植被，對波長為0.52微米的綠光的反射率分別為10.3％和10％，因為反射率非常接近，所以就難於識別隱蔽在樹叢中的坦克了。但是對0.8～1.10微米的紅外線，兩者的反射率分別為24～26％和56～63％，相差如此之大，要區別它們顯然是輕而易舉的了。即使用采下的樹枝作偽裝，由於采摘後趨於枯萎的樹葉與活的樹葉，對0.7～0.8微米紅外線的反射率分別為40％和20％，這樣大的差別，當然亦易於識別了。

　　一切物體不僅能反射紅外線，而且本身還能輻射紅外線，輻射的紅外線中強度最大的波長，稱為峰值波長，峰值波長與物體本身溫度T成反比，在常溫時（300K=27℃），物體輻射的峰值波長約為10微米，屬於紅外線區域，所以人眼是看不見的，但是，應用紅外探測器就能探測到，探測靈敏度能達到10~12瓦的數量級，這相當於在幾百千米高的人造衛星上能發現地麵上煙頭發出的紅外線。自然界中的一切物體除輻射紅外線外還會輻射其他電磁波，如微波、紫外線、X光等。

　　處於相同溫度的物體，其輻射強度又隨著物體的性質不同而異，這種輻射特性由物體的比輻射率決定。例如：鑄鐵、瀝青馬路與人的皮膚其比輻射率分別為0.21、0.93和0.99.據此，就可以判斷目標究竟是飛機還是坦克，是馬路還是屋頂。

　　在高空利用紅外或微波遙感儀來接收各種輻射和反射的各種電磁波，就能探測到地麵目標，所以遙感器可稱得上是科學的“千裏眼”。目前用於對地球進行觀測的遙感器已有幾十種，如高分辨率照相機、多波段照相機、多波段掃描儀、微波輻射計、合成孔徑測視雷達、激光高度計等等。它們都包括電磁波接收器（如鏡頭、反射鏡、微波天線等），探測器（如紅外探測器、光電倍增管等）和輸出器三部分。

　　衛星把遙感器探測到的電磁波信號，用無線電波發送到地麵接收站，有的是數碼磁帶，有的是傳真圖像膠卷。但都不是直接易辨的可見景物的再現。

　　這是由於地麵物體輻射和反射的電磁波要經過大氣層才能傳輸到遙感器，而大氣層對各種電磁波有不同程度的吸收和幹擾，同時還有衛星運行姿態變化、太陽高度變化等因素影響，因而從遙感器接收到的是受到各種幹擾、發生畸變和失真的信息，必須經過計算機的處理分析來排除各種幹擾，使真實的信息得到再現，以獲得清晰的圖像和確切可靠的數據磁帶。

　　遙感技術的發展起步於20世紀60年代軍事上的需要，它已成為現代戰爭偵察的重要手段，比如偵察衛星上的紅外裝置能感測與周圍環境有零點幾度溫差的熱目標，據此就能發現敵方導彈基地。監視洲際導彈發射，並能在導彈發射後立即報警。紅外裝置還能發現飛機、地麵軍事設施、部隊動向和水下40米深航行的潛艇。1971年，美國利用遙感技術發現了蘇聯新建的60個供發射SS—9和SS—11洲際導彈的地下導彈發射井。利用紅外裝置甚至能發現部隊、車隊、飛機離開一定時間培留下的熱跡。

　　在農林水利方麵，遙感技術有很多用武之地，分析衛星所拍攝的大麵積農作物生長情況的多譜照片，就可以監視作物的生長情況並進行估產。用資源衛星資料和氣象衛星資料相結合來預報大麵積小麥產量，其結果與實際估產僅差3%。這對指導農業生產，進行糧食貿易，具有很大的現實意義。

　　除農業之外，遙感技術還可用於土地、森林、草原、水力和海洋資源的調查和利用，用於監視森林火災、河口海岸、沿岸沉積、海水運動、洪水泛濫、火山活動、環境和海洋汙染等；還可以用於監視大斷裂帶的活動及地麵的輕微隆起，為地震預報服務。大批魚群的巡遊會使海麵色調變化，因而利用遙感技術就能直接指導漁業生產。

　　在地質勘探中，用電子計算機對衛星資料進行分析，可以很快發現新的地層結構和斷裂帶，確定大的地質界線，了解深部地質結構，為探礦和預報地震提供了寶貴的數據。許多國家利用遙感資料和實地調查相配合找到了鐵、鎳、鑰、理等礦藏和石油。用遙感圖像繪製地圖快速準確，已廣泛使用。

　　遙感已促使氣象科學發生了巨大變化，利用幾顆氣象衛星拍攝的雲圖資料，每隔幾小時就可繪製一幅全球天氣圖，再利用各種遙感器提供的全球大氣溫度、濕度垂直分布數據，能準確預報幾天以至10天以上的大氣趨勢。特別可連續監視台風等災害性天氣，做到及時預報。

　　此外，對金星、土星等行星的宇宙飛船探測亦都是用遙感技術，使得人類對這些行星有更清楚的了解。

　　遙感技術是近30年來蓬勃發展起來的一門新技術，它涉及空間技術、紅外技術、電子和電子計算機技術的一門綜合性探測技術，它把人類的視野擴大到“千裏”之外廣闊無垠的宇宙空間，以及地球上人類難以到達的任何地方，並且可以晝夜不停地工作，比神話中的“千裏眼”還要神通廣大，它必將大大深化人類對自然界的認識，也將有力地推動人類改造自然的鬥爭，它的發展和應用潛力還很大，可以預料，遙感必將為我國實現社會主義現代化發揮越來越大的作用。

　　光纖通訊

　　一提到通訊，大家就會想到電報、電話等無線電通訊，你可知道，在人類所有通訊活動中，光是最古老的快速通訊工具。幾千年前，我們的祖先在高山上構築的烽火台，事實上就是光通訊站，它在白天利用煙，晚上利用火，把邊關的緊急情況火速傳遞到京城，以便抵抗外來的侵略。至今在某些特殊的地方晚上仍采用信號燈的閃光來代替旗語進行通訊。例如青島的信號山上，晚上用信號燈的閃光與入港的艦隻進行聯係。

　　但是，無論是古代的烽火報信，還是現在的信號燈閃光通訊，都是非常簡單的光通訊。激光出現後，由於它具有單色性好，方向性強，幾乎能把所有能量向一個方向發射，因此，它是一種十分理想的光通訊光源。但是激光在大氣中傳播時，由於大氣的散射、吸收等影響，將受到衰減，特別是下雨、下雪和有霧等天氣，光通訊受到的影響就更為嚴重，顯著地縮短了光通訊的距離。另外，由於光是直線傳播的，為了不使高層建築等物體擋住光通訊，光通訊設備必須設在高處。這就限製了光通訊的普遍應用，因此考慮能否像電在電線中傳播那樣，讓激光在管道中傳播呢？其實人類早已發現光在玻璃纖維中傳導的現象。如20世紀50年代已使用的一種胃鏡，就是把光導纖維（簡稱光纖）插入口中，並穿過彎彎曲曲的食道到達胃內，通過玻璃纖維可以清楚地觀察胃內的情況，這種利用光在玻璃纖維中傳播來進行通訊的，可說是最早的光纖通訊。

　　那麽，光纖是怎樣傳播光線的呢？這要從光的傳播說起，當光傳播到兩種介質的分界麵時，光在原來介質中將產生反射，在進入另一介質時發生折射。當光線從折射率較大的介質（稱光密介質）進入折射率較小的介質（稱光疏介質）時，在入射角等於臨界角時，折射光線將沿著兩介質的界麵進行，當入射角大於臨界角的情況下就產生全反射現象。此時，不發生光的折射，隻有光的反射。

　　光導纖維是由兩層介質組成，用二氧化矽玻璃纖維作芯線，外塗樹脂製成，或用特種塑料合成材料作芯線，外層塗料用聚乙烯或聚四氟乙烯，外層塗料的折射率小於光纖芯線的折射率，這樣就保證在一定的入射角下的入射光線，始終在芯線和外層之間的界麵上產生全反射，不管光纖彎曲成什麽形狀，使光線來回曲折地在光纖中傳播。

　　另一種光纖是聚焦型光纖，它的特點是光線不是在光纖的芯線與外層之間的界麵上反射前進，而是光線在光纖中傳播時。它會自動地逐漸向軸線方向折回，形成正弦曲線。

　　我們知道，無線電通訊的過程是：首先將需要傳遞的信息（語言、文字、圖像、數據等）通過訊號變換器（話筒、攝像機等）轉變成低頻信號，然後把這種信號加到一種可以遠距離傳播的高頻電磁波上，通過控製它的某個參數（振幅、頻率或位相），使它們按信號的規律變化，這樣，高頻波就“載”著信號由天線發射出去。所以這種供調製用的高頻波又叫“載波”。在激光通訊中，信號的發送過程完全類似，隻是載波由激光擔任，用電、磁或聲等信號去調製光線，使之轉變成光信號並送入光纖，光信號傳到目的地後，由光探測器將光信號轉變成與原來一樣的電、磁或聲的信號。

　　在長途光纖通訊中，由於光纖和接插頭處的損耗。使光信號傳播一定距離後變得很弱。因此在長途光纖通訊係統中，每隔一定距離需要設立一個“中繼站”或“增音站”。另外，由於光源的頻率不夠單一，激光雖然單色性好，但也有一定的頻率範圍，這樣一束光在光纖中傳播時，它們之間的速度就有些差異（因為介質中的光速與頻率有關），再加上光纖的一些缺陷，光信號在光纖中傳播一定距離後就會發生畸變，所以中繼站的另一個作用是給光信號“整形”。

　　光纖通訊中的另外兩個關鍵的部件是激光光源和光探測器。

　　在光纖通訊中最可取的激光光源是微型釹玻璃激光器和镓鋁砷激光器，它們具有功率大、體積小和堅固等優點，特別是镓鋁砷激光器可做得很小，整個尺寸隻有一顆鹽粒那麽大小，它的發射頻譜較窄，且其功率可達幾毫瓦到10毫瓦以上，適宜作長途大容量光纖通訊的光源。

　　光探測器是光的接收元件，它的作用是把從光纖中接收到的光信號轉變成電信號。在光纖通訊中，光探測器相當小，要求小到足以與頭發絲粗細的光纖相接，並能非常靈敏地檢出遠距離傳來的微弱光信號，而且在高速大容量通訊時，這種光信號脈衝每秒達幾億次以上，這些要求隻有精細的固體器件才能滿足，一般采用矽PIN光敏管和雪崩光敏管作為探測器。

　　20世紀80年代初，在橫貫太平洋海底，鋪設了聯結日本和美國的海底光纖電纜，它的總長為1萬千米，相當於地球周長的1/4，20世紀80年代末歐美通訊管理部門又鋪設一條橫越大西洋的光纖電纜。

　　使用海底電纜通信已有140多年的曆史了，1850年，在多佛爾海峽鋪設的電纜是最早的，這種電纜采用細鋼絲覆蓋天然樹脂作為絕緣體，使用莫爾斯電報來傳遞信息。1921年，出現了傳輸電話的第二代電纜。海底同軸電纜屬於第三代，它具有內外兩層導體呈同心圓柱分布，中間夾有高性能絕緣體，還設有海底中繼站，沿途不斷放大衰減著的信號，它的最大容量為5200路電話，用它也可以傳輸彩色電視，但因彩電信號有較寬的頻帶，約為電話頻帶的1000倍，所以這種海底電纜的通訊能力就顯得不適應了。80年代鋪設的光纖電纜，屬於第四代電纜。它可同時傳輸一萬路電話，而且還有很大潛力。

　　光纖電纜有許多優點，首先，它的信息容量比一般電纜大得多。大家知道，一對電話線上隻能通一路電話，如果要在一對電話線上複用更多的電話，則必須用載波的方法，把各路電話搬到每個互相有一定間隔的頻段上。由於普通電話的頻率範圍為300～3400赫，而一對電話線所能傳輸的最高頻率為150千赫，這樣每對電話線最多隻能複用幾十路電話，為了使一對線路上能複用更多的電話，相繼出現了電纜、同軸電纜、毫米波係統、和微波中繼係統等，但它們還是不能適應信息傳輸量日益猛增的需要。采用光纖通訊後，這個問題就迎刃而解了。因為光是頻率極高的電磁波，它可傳輸信息的頻帶很寬。例如在頻率為3×1014赫的可見光中，如果取它的頻率110作為傳遞信號用，理論上可傳輸1010路電話。即使考慮到光纖的缺陷隻能傳輸105或104路電話也是可觀的。要知道這隻是一根像頭發絲那樣粗細的光纖，如果將上百根光纖組成一根光纜，那麽這光纜的容量是非常可觀的，可見信息容量大是光纖通訊的最大優點。

　　第二個優點是穩定性好、保密性強。因為光在光纖中傳播時不僅不會“漏出”，而且不受電磁嚐射頻和核爆炸的磁脈衝影響。所以在光纖中傳輸的音頻、視頻信號不會受到外界的幹擾。第三，光纖的傳輸損失校信息容量為2700路電話的海底同軸電纜每隔3.8千米要裝一個中繼放大器，而光纖電纜僅需每隔40千米加一個中繼放大器，這不僅減少了建設費用，而且可以大大提高可靠性，這一點在遠距離通信上特別重要。如果改用新型材料，中繼放大器可以更少甚至可以不用中繼放大器。第四，光纖材料主要是二氧化矽，所以價格低廉，重量輕，直徑細，對鋪設工作很有利，施工費用亦可大幅降低。而且這條光纖可25年不用維修。

　　目前，通訊衛星已可容納電話12000路，還有幾路電視信號，如此大容量的衛星通信，足以勝任橫跨太平洋的通訊，為什麽還要新建海底光纖通訊係統呢？通訊衛星是在赤道上空36000千米的同步軌道上，電波往返一次需要0.3秒。這個延遲在重要的數據通訊中可能會造成混亂，而用海底光纖電纜就可以避免這個致命的缺點。

　　光纖通訊是一門嶄新的綜合性科學，我國已鋪設從北到南，從東到西的光纖電纜，隨著信息容量的擴大，光纖通訊將成為現代化通訊的重要工具。