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第二节 技术常识

　　半导体的发现和半导体技术的应用为20世纪的科学技术发展起到很大的推动作用，并将继续为科技发展做出贡献。

　　半导体

　　众所周知，金、银、铜、铝等金属都是很好的导电材料，我们称它们为导体。而陶瓷、橡胶、塑料、云母等物质很难导电，故称它们为绝缘体。在我们周围的世界中，除了导体和绝缘体外，还存在着一类其他的物质，它们既不像导体那样容易导电，也不像绝缘体那样不容易导电，它们的导电性能介于导体和绝缘体之间，我们把这类物质称为半导体。半导体的种类非常多，像锗、硅、硒等与大多数金属氧化物和硫化物（例如氧化亚铜），以及许多金属间的化合物（如二锑化三镁、锑化钢等）都是半导体。

　　但是，半导体所以引起人们的极大兴趣，原因并不在于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而在于它具有许多独特的性质。同一块半导体，它的导电能力在不同情况下会有非常大的差别，一会儿它像地地道道的导体，但一会儿又像典型的绝缘体。

　　当外界温度升高时，半导体的导电能力就增加许多，温度下降一些，它的导电能力又降低许多，也就是说半导体的导电能力与温度有着密切的关系。人们利用这种性质做成了自动化控制用的热敏元件（如热敏电阻等）。

　　当光线照射在某些半导体上时，它表现为导电能力很强，如导体的性质；但没有光照时，它又像绝缘体一样不导电。于是人们就利用半导体的这种特性，做成各色各样的自动化控制用的光电器件（如光电二极管、光电三极管和光敏电阻等）。

　　如果在纯净的半导体中适当掺入极微量的外加杂质，那么这半导体的导电能力就会成千上万倍地增加，并且可以根据掺入杂质的多少来控制半导体的导电性能。这是半导体最显著、最突出的特性。正因为半导体具有这样独特的特性，人们才利用掺杂的方法，制造出不同性质、不同用途的半导体材料，使得本来不受人们注意的半导体一跃而成为今天无线电电子技术的主要器件。

　　半导体的发现和半导体技术的应用为20世纪的科学技术发展起到很大的推动作用，并将继续为科技发展做出贡献。

　　超导现象与高温超导

　　1911年荷兰物理学家卡末林—翁纳斯首先发现浸在液氦中的固态汞样品，当温度降到4.2K时，其电阻突然趋向于零。1913年他提出超导电性这一名词，并定义这个电阻为零的态为超导态。处于超导状态的物体称为超导体。

　　超导电性出现在许多金属元素中，也出现于合金、金属间的化合物和半导体等。从正常态转变到超导态有一个确定的温度，称为转换温度Tc，亦称临界温度，当导体的温度高于它的转换温度时，表现为正常态，低于它的转换温度时表现为超导态。纯元素中转换温度最高的锝（元素符号为Tc），其转换温度为11.2K，最低的钛（Ti），它的转换温度Tc=0.39K；在化合物中锡化铌（Nb3Sn）的T=18K。1974年曾制成一种铌锗合金（Nb2Ge）薄膜，其转换温度高达23.2K，但也有许多金属，如锂、钠和钾曾分别降温到0.08K、0.09K和0.08K，仍表现为正常态导体。当铜、银和金的温度分别降到0.05K、0.35K和0.05K，也仍为正常态。转换温度与材料的化学纯度有关，其中磁性杂质的影响特别显著。例如钼中含有百分之几的铁，其超导电性就会被破坏（钼的转换温度为0.92K）。极微量的钆能使镧的转换温度从5.6K降至0.6K。

　　在超导态时，物体的电阻实际上为零。有人用超导体制成圆环，在环中感应出一恒定电流，发现电流在环内持续数年，仍未见电流有任何可测量出来的衰减。费尔和密尔曾利用精确的核磁共振方法测量超导电流产生的磁场，以研究螺线管中超导电流的衰减，他们得出的结论是超导电流的衰变时间不短于10万年。

　　由于超导体具有零电阻特性，自然就想到可以利用超导体制成的线圈来产生非常强的磁常但是在1914年翁纳斯发现，太强的磁场会破坏超导性，使导体从超导态回到正常态。实验表明，每一种处在超导态的导体材料，当受到磁感应强度大于某定值Bc的磁场作用时，就从超导态转变成正常态，当磁感应强度低于Bc时，它又能从正常态转变成超导态。磁感应强度Bc称为临界磁常临界磁场与材料的种类和超导态的温度有关。

　　1933年，迈斯纳和奥非尔特用实验研究了超导体的磁学性质，实验结果表明，超导体内部磁场恒等于零，即超导体总是把磁场排除在超导体之外。

　　当然所加的外磁场均应小于临界磁常超导体的这种特殊的磁效应称为迈斯纳效应。迈斯纳效应表明超导体具有完全抗磁性。它是一种完全的抗磁体。

　　由于目前人类已经研制出可在液氮温区工作的超导体，因此原来使超导应用受到限制的条件（液氦低温设备价格昂贵）已经解除，超导技术应用的大门已经打开，它将迅速波及国民经济的许多部门，它将首先波及电力工程、电能输送、电动机和发电机的制造，如果用超导线输送电能，线路上的能量损耗很小甚至没有，因此可以将电能输送到极其遥远的用户。用超导体做成超导电机，它们与常规电机相比有很大的优越性，第一单机容量大，常规电机的最大单机容量为100万千瓦左右，而超导电机的单机容量可达到1000万～2000万千瓦。第二重量轻体积小，超导电机由于输出功率大，它的相对重量要比常规电机轻，同时可省去笨重的铁芯，它的重量和体积可大大减校第三效率高，损耗小，超导电机的效率可达95%～98％。第四超导电机的静电稳定性好，即使电网发生波动仍能正常运转。第五减少输送设备，超导电机可提高输出电压，可将电力直接送入电网，可省掉一套升压变电设备，超导电机的应用很广泛，可用于作直流电源外，还可在超负荷情况下拖动像轧钢机、深井采矿通风机、大型卷扬机等，另外可用于原子能发电，航空与航天等方面。有了高温超导即可推广应用超导磁悬浮列车，超导计算机，超导电子学器件，它将促进生物磁学的研究，针灸机理研究，特异功能研究，推动高能加速器的研究，促进可控热核反应研究进程，并可应用于强磁场下物性研究等等，预计由超导技术将引发新的技术革命，它将大大促进世界科技的发展。

　　激光

　　激光技术是20世纪60年代初在无线电电子学、波谱学、光学、原子物理学基础上发展起来的一门新兴技术，它与核能技术、电子技术、超导技术、信息技术构成20世纪影响特别巨大、意义深远的科学技术。

　　在日常生产和生活中，人们经常看到各种不同的光源在发光，有太阳这一类自然光源的发光，也有白炽灯、日光灯、碘钨灯、水银灯、霓虹灯等人造光源的发光。与这些人造光源的光相比，激光有其优异的特性。两暑的发光机理不同。

　　激光一词的英文是Laser，它是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation词组中各词第一个字母的缩写。读作莱塞，现在有读作镭射的（如激光唱片写为镭射唱片），它的意思是受激辐射经光放大而产生的一种光辐射。要弄清楚激光是怎样形成的，得从原子、分子的能量状态及其变化说起。

　　物质中的原子、分子或离子（统称为微观粒子），一般都处在不同的能量状态中，粒子的能量状态在物理学中称为能级，对于不同能量的能级，人们用一些高低排列的水平线来表示，称为能级图。例如氢原子中的核外电子，根据量子理论，可以处在不连续的、物理上称量子化的能量状态中，即处在不同的能级上。当粒子的能态发生变化时，只能采取跳跃变化的方式，从一个能级“跃迁”到另一个能级，就好像人走楼梯一样，只能一级一级地走，例如氢原子从外界获得能量后，它可以从n=1的能级（称为基态）跃迁到n=2，或n=3的能级上去。n=2，3……的能态叫激发态。通常情况下，组成物质的大多数粒子处于最低能量状态（基态），只有很少的粒子处于较高的能量状态（激发态）。粒子处于高能级的时间（称为能级的寿命）是非常短的，一般为亿分之一（10-8）秒左右。由于粒子内部结构的特殊性，有些能级的寿命较长，达到千分之几秒甚至更长，这种能级称为亚稳态能级。亚稳态能级的存在，提供了形成激光的重要条件。当粒子所处的能量状态发生变化，或者说当粒子从一个能级向另一个能级发生跃迁时，必然伴随着该粒子与其他客体发生能量交换的过程。让我们只考虑粒子与外部辐射场即光子的相互作用与能量交换过程。当粒子在对较低能级和较高能级之间发生跃迁时，只能吸收或发射一个特定的光子。

　　1916年爱因斯坦首先提出关于光的吸收和发射的三种过程。

　　（l）受激吸收：处于较低能级上的粒子吸收一个光子，从而跃迁到较高能级的过程称为受激吸收或简称吸收。

　　（2）自发辐射：处于较高能级的粒子，不论外部光场是否存在，粒子会自发地跃迁到较低能级上，并辐射出光子。激光出现之前，所有光源的光辐射，基本上都属于这种自发辐射。

　　（3）受激辐射：处于较高能级的粒子在一定频率的光子的激励下，跃迁到较低能级，并发射一个与入射光子的性质（频率、进行方向等）完全相同的光子。“一模一样”的光子增加了，这意味着入射光被放大了。这样的过程称为受激辐射。

　　如果借助某种人为的方法，使处在高能级的粒子数多于低能级的，这种状态称为“粒子数反转”。这时如果有外界光辐射通过，其光子能量恰好等于这两个能级的能量差，则处于高能级上多数粒子的受激辐射行为，与处于低能级上少数粒子的受激吸收行为相比占优势。因此，光通过处于粒子数反转状态的物质后，得到了由受激辐射作用导致的放大。要使物质中的粒子处于粒子数反转分布状态，必须由外界提供能量，通常只有将粒子激发到亚稳态能级上，才能实现粒子数反转分布状态，否则，粒子被激发到寿命很短的能级上，外界入射光子还来不及“激发”，它们就自发跃迁到低能级上去了。

　　激光器只不过是将外界提供的各种形式的能量，转换成粒子数反转，最后以光能集中释放出来。

　　产生激光发射的器件或装置称为激光器，一般激光器是由3部分组成：激光工作物质、激励系统以及光学共振腔。

　　激励系统的作用是供给激光工作物质能量，使其中处于基态的粒子获得能量后，可以跃迁到较高能量的激发态上去，为实现粒子数反转创造条件。

　　所以它是将各种形式的外界能量转换成激光光能。

　　激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，它是激光器的核心。激光工作物质可以是固体（如晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等介质。对激光工作物质的主要要求是，尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射过程中尽可能地保持下去。为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。

　　光学共振腔通常由两块光学反射镜（平面或球面）组成，其中一块为全反射镜，另一块为部分反射镜，共振腔内形成的激光振荡的一小部分，从这块部分反射镜透过，成为输出的激光，共振腔对激光束的方向有选择作用，从而保证激光器输出的激光具有极好的方向性。

　　由于激光的发光机理与普通光源不同，所以激光有以下的鲜明特点。

　　（l）高亮度：激光的亮度比太阳表面的亮度要高100亿（1010）倍，这种高亮度表示能量在时间空间上的高度集中，除核爆炸外至今还找不到其他装置能够像激光器那样高度集中能量。这一特性，使激光在各种技术领域及科学研究的许多方面，获得了广泛的应用。

　　（2）单色性好：不同颜色的光是不同波长的电磁波。所谓单色光实际上并不是只有单一的波长，而是有一个很小的波长范围，这个波长范围就叫单色光的谱线宽度。谱线宽度愈窄，光的单色性愈好。

　　（3）高相干性：物理学上所谓两列光是相干光，是指波长相同、振动方向相同有一恒定的位相差的两列光。一般情况下，物质中亿万个原子、分子在发光时彼此互不相关，因此它们发出的光，即使波长相同，它们有不同的振动方向，特别是没有恒定位相差，所以不是相干光，受激辐射时，粒子发的光，“步调一致”，波长单一，所以激光具有极好的相干性。由于这一特性，使全息照相成为现实。

　　（4）高定向性：由于共振腔对光束方向的选择作用，使得激光器输出的激光束有高度的方向性，光束沿空间极小的立体角范围（一般为10－5～10－8球面度）向前传播。月球距地球平均为38.4万千米，将激光射到月球上，照射的光斑直径不超过两千米，如用探照灯照到月球上，它的光斑直径将达几千千米以上。

　　由于激光的这些特性，使激光在技术科学及其他学科领域带来了前所未有的应用广度和深度。

　　激光器

　　随着激光技术的发展，五花八门的激光器不断涌现。因此需要进行分类。

　　激光器的分类有几种，最通常的是按工作物质的物理状态来分，可分为气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器。如果按输出激光的波长来分，可分为γ（射线）激光器、X（射线）激光器、紫外（线）激光器、可见光激光器和红外（线）激光器等。如果按激光输出时间长短来分，可分为连续激光器、准连续激光器、脉冲激光器、巨脉冲激光器和重复频率激光器（脉冲输出的间断时间很短，如每秒几次到几十次）等。如果按激励方式分类，则有光激发激光器、电激发激光器、热激发激光器、化学激光器等。

　　气体激光器中最先制成的是原子气体激光器，以惰性气体（氦、氖、氦、氪等）为工作物质的激光器称为惰性气体原子激光器，其中以氦—氖激光器为典型。它是1960~1961年最先制成的一种最常用的气体激光器。它的工作物质是氖，辅助气体是氦。它的单色性好，谱线宽度很窄，可获得极高的频率稳定性。它的方向性也好，它产生的亮度比太阳表面的亮度还高成千上万倍。同时还有构造简单、使用方便、寿命长（可达二三万小时，甚至五万小时），因此获得了广泛应用。它的缺点是增益低、输出功率小（十分之几毫瓦到几十毫瓦），能量转换效率约为万分之一。

　　原子气体激光器中的另一大类是金属蒸汽激光器。它们是利用蒸汽状态的金属原子发光的，铜蒸汽激光器输出的5105埃绿色激光，在水下传输过程中损失很小，适合于水下通讯。

　　分子气体激光器是后来居上的一大家族，说它大，第一是能发射激光的成员多，已从上千种气体分子获得了激光，且还在扩充中。第二是它们发射的激光波长范围很广，遍布整个光谱区域。

　　分子气体激光器中最典型的代表是二氧化碳激光器，它的明显优点是它的能量转换效率高。能量转换效率（简称效率）是评价激光器性能的一个重要指标，它标志着输入激光器的能量转化为激光输出能量的百分比。原子气体激光器的效率一般只有千分之几，而二氧化碳激光器有20%～30％，两者差千倍。

　　固体激光器的工作物质是晶体或玻璃一类固体材料，故又可分为晶体激光器和玻璃激光器。一般都用脉冲氖灯或氖灯一类强光灯（称光泵）来激励，所以它是将普通的光能转换为激光光能的一种装置。固体激光器的优点有器件紧凑和小型，输出功率大。但固体激光器的工作物质制造工艺较复杂，这就限制了它的推广应用。

　　以半导体为工作物质的激光器称为半导体激光器，这种激光器很小，长宽均为零点几毫米、厚约0.1毫米，它的激光电源也很小，一般只有收音机那么大。由于小，可用于宇宙飞船中作为光雷达来观察星球表面的情况，当然也由于小，它的输出功率只有几十毫瓦，不过，可以把许多半导体激光器组合起来使用，提高输出功率。

　　半导体激光器的半导体材料，有砷化镓、锑化钢、硫化镉等，其中以砷化镓激光器最为成熟。它的效率可达到60%～70％。因此可用于军事上短距离的保密通讯。

　　随着激光应用的日益发展，在激光分离同位素，激光通讯等场合，很需要一种波长能连续改变的激光器，液体激光器正是在这种要求下产生的。液体激光器有三大类：有机染料激光器、无机液体激光器和螫合物激光器。

　　第一类是主力军，已有350余种染料获得了激光输出；第二类的工作物质是掺有稀土离子的无机液体；第三类在实际应用上没有多少价值。

　　当今世界上有千种激光器，它们各有各的特点，各有各的用处，不能一一在此介绍。目前功率最大的是1990年5月20日法国原子能委员会所属的两个科研小组在1.2皮秒（即10－12秒）的时间内，获得功率为20太瓦特（1太瓦特等于1万亿瓦特，即1012瓦特）的激光束，刷新了美国创造的15太瓦特的世界纪录，据研究小组负责人雅克·库唐透露，这项课题的目的是研究出一种功率为1000太瓦或1000太瓦以上的大功率瞬时激光束。专家们认为，这种高功率脉冲激光器在加速器、材料科学、生物基础研究或其他领域有广阔的应用前景。

　　激光技术

　　利用激光的高亮度、单色性好、方向性好、相干性好、脉冲时间短、可调谐等特点，可制成各种激光器，目前，全世界激光器有数千种之多，各类激光器输出能量小至毫焦耳以下，大至千焦耳以上，输出功率的范围变化在毫瓦至几亿千瓦之间，甚至达到20万亿瓦，发光亮度可在108～1017瓦/（厘米2·球面度）的高水平上变动，而太阳的发光亮度也只有108瓦/（厘米2·球面度）。这千变万化的能力，显示着激光的巨大应用潜力和广阔的应用前景。它在工业、农业、科技、医学临床、环境保护、公安、军事以及社会生活等各个方面都有着极其广泛的应用。

　　以加工工业来说，由于激光具有能量高度集中的特点，聚焦后可以在焦斑上达到很高的能量密度，因此可用来对材料或工件进行打孔。例如生产化纤用的喷丝头，是用难熔的硬质合金制成的，在直径约10厘米的合金材料上，要钻一万多个直径为60微米的小孔，若用机械钻头钻孔，需5个熟练工人工作一星期。而用激光打孔机只需几小时即可加工一个喷头，而且质量也有保证。除打孔外，还可用激光对各种材料进行焊接、切割、划片、动平衡去重、雕刻等。其优点是：可对高熔点、高硬度和脆性材料加工，热变形、热影响区小，可避免杂质污染，可加工复杂图形等等。激光还可进行金属表面热处理，进行激光表面硬化，激光表面合金化与激光表面覆盖等。

　　利用激光单色性好，方向性好及相干性好的特点，激光在精密测量方面有突出的贡献。开凿隧道，建筑高楼，铺设管道等都离不开一条基准直线，采用高度准直的激光束作为基准直线，可大大提高准直的距离和精度，例如，在几千米长的距离上，激光的准直精度可在几毫米以内。利用激光测距，具有极高的精度，以激光测月为例，10万千米距离的测量误差可压缩到1米以下。基于高精度的激光测距原理，结合空间卫星技术，可以测量大陆漂移和地壳微小变动，从而可以对地震进行更准确的预报。激光雷达可跟踪和测量卫星及导弹的飞行状态，可以探测和分析大气中的云层湍流和空气中的污染情况，可以测量流体、车辆和飞行器的运动速度等。

　　利用激光的相干性，引起了照相技术的革命，产生了全息照相技术。全息照相能记录被摄景物在三维空间的全部信息，再现时能“活灵活现”地重现被摄景物的立体图像。利用全息照相原理，可以记录、贮存和再现大量的图像或数字信息，对计算机技术的发展有重大意义。

　　根据激光作用在特定的几何形状上会产生特定的散射图形（称为散斑），用它来对产品进行检测，可以发现产品的质量缺陷，例如：条纹、斑点、压痕、气泡、疵点、皱纹、针孔、杂物、擦痕、污斑、裂缝等。激光检测具有速度快，漏检率小，可动态进行，能快速分类、记录、数据贮存等优点。

　　随着光导纤维、半导体激光器和光耦合器在技术上和制作上的突破，近年来，激光通信得到迅速发展。与常规通信相比，激光通信的特点是容量大，例如，从理论上讲用集成光路和光纤组成的激光通信系统，能同时传播100万套电视节目。另外还有保密性好，抗干扰能力强、安全可靠等优点。

　　船只、飞机和火箭航行时，都要用陀螺仪（亦称回转仪）来导航，以往陀螺仪是用一只高速（每分钟上万转）旋转的飞轮，它的自转轴能指向空间某一位置，具有一定的稳定性。但机械陀螺由于摩擦的存在其可靠性会逐渐降低，现代用激光陀螺代替。

　　激光进入医学领域：20世纪60年代初开始于眼科视网膜凝固，经过多年的实践，激光在医学上已涉及从基础到临床的许多方面。激光临床应用则发展到治疗内、外、皮肤、妇、儿、肛、肠、耳、鼻、喉等各科的多种疾病，并且近来的趋势是更加注意发挥激光本身的特色，将其用来解决一些常规医疗手段不易处理的问题。激光在医学临床上的应用主要有两种方式：激光凝固疗法和激光汽化疗法。

　　激光治疗癌症是最令人感兴趣的一个课题。首先，利用某些癌组织对不同波长激光的选择吸收，来杀死或破坏癌组织；其次利用激光刀进行癌的临床外科手术，诸如宫颈癌、乳腺癌的切除。最新的进展是，用肿瘤亲和性光敏物质进行癌的诊断和治疗，对此最常用的药物是血卟淋，它具有高浓度、长时间存留在癌细胞内的功能。血卟淋的荧光激发光谱峰值在4000埃附近，发射光谱则在6300埃处有两个峰值。用氪离子激光器进行激发，探测血卟淋的红色荧光，就可以探测到癌细胞的部位，然后再用染料激光器或氦氖激光器照射癌组织，可以杀死癌细胞。此外可利用激光对穴位照射进行“激光针灸”等。

　　1991年在检测艾滋病毒的研究中，日本电报电话公司电子实验室和东京国立卫生研究所的科学家发明了激光磁免疫测定方法，这种激光检测艾滋病的方法，其精确度比目前所使用的方法高100倍，且简便省时。目前研究人员正在设法缩小设备体积，降低造价，并研究用这种方法检测疱疹、肝炎和流行性感冒等病毒的可行性。

　　激光在农业上的应用，有对粮豆作物，经经济作物和蔬菜种子进行激光育种，普遍提高了种子发芽率，促进早熟增产。

　　大家知道，制造原子弹和核反应堆都需要铀235，铀235必须从天然铀中提炼出来。天然铀中含有3种铀同位素，它们的含量分别是铀238为99.28％，铀235为0.714％，铀234为0.006％。用于反应堆作燃料时要求铀235的浓度为3％；用于核武器作炸药时，其浓度需达90％以上才能爆炸。人们利用激光达到了分离铀同位素的目的。

　　聚变反应的主要燃料是氘，但要使氘产生聚变反应，必须首先使其加热到1亿度以上的高温。利用高亮度的激光会聚照射用氘制成的小靶，可以达到几千万度以上的高温，已观察到标志着初步聚变反应的中子发射。我国一套高功率激光装置于20世纪80年代末，进行了惯性约束聚变实验，取得重大成就。

　　这套名为“神光”的装置输出功率高达20亿千瓦，将它开展惯性约束聚变综合性物理实验时，成功地完成了双束激光对打空腔靶的试验获得了足够高的腔内辐射温度，超过了国外同类装置同种实验水平。目前世界上很多国家和地区在研究激光核聚变，有望本世纪取得成功，即时人类将彻底解决能源问题。

　　人类已实现了登月飞行，并正在向其他星球挺进，在未来的宇宙航行中，激光可以担任“通讯员”的重要角色，利用3个位于大气层外的同步卫星中继站，可使宇宙飞船与地面上任何地点实现通讯联系。激光束在宇宙空间传播时，能量损耗甚小，但进入大气层后，由于大气吸收激光能量损失较大，因此应将其转换成适当波长的电磁波（如微波和红外线），以便易于透过“大气窗口”。

　　除通讯外，激光还可当作星际航行的动力来使用，有人设想利用强激光的光压或光子反冲，可以推动光子火箭与激光宇宙飞船，它的飞行速度快，可接近光速，以便实现星际旅行。

　　利用激光的热效应来达到破坏目标，可制成激光武器，目前正在研制的激光火箭，有可能成为拦截洲际弹道导弹，或侦察卫星的强有力的武器。由于激光武器要求大功率，高能量的激光器，需要解决许多技术难题，所以要达到实践要求还有相当一段距离，世界各大国正在加紧研究中。

　　激光不仅给技术科学带来了前所未有的应用广度和深度，而且还大大推动了物理学、化学、天文学、生物学和医学等基础学科的发展。20世纪60年代以来，激光物理学、激光化学、激光医学等新学科的出现，在人们面前展现了一片广阔的新天地，让我们努力攀登激光技术的新高峰，使激光更好地为人类服务。

　　超声波

　　声波是指在弹性物质中传播的一种机械波。空气、水，各种固体都是弹性物质，所以声波可在一切物质中传播，频率在20~20000赫兹之间的声波能为人耳听得见，称为可听声，高于20000赫兹的声波叫超声波，它虽然不能为人耳所听见，但它有以下的特性和作用。

　　（1）波长短，近似作直线传播；在固体和液体中的衰减比电磁波小；它的传播特性，如声速、吸收等，和传播媒质的微观和宏观性质密切相关。

　　（2）能量容易集中，因而可以形成很大的声强（指单位时间通过与指定方向垂直的单位面积的声能）。产生剧烈的振动，并引起许多特殊的作用，如骇波、液体中的空化作用等。结果产生机械、热、光、电、化学及生物等各种特殊效应。所以超声波广泛应用于工农业生产及医药卫生等方面，成为新技术中的多面手。

　　由于超声波的频率高，传播的能量大。例如在相同振幅情况下，频率为100万赫兹的超声波，它的能量要比1000赫兹的声波能量大1000倍。强大的超声波在液体中传播时，在液体中引起压缩和稀疏的作用，在压缩部位，液体好像受到来自四面八方的压力，在稀疏的部位，液体又像受到向四处的拉力。液体比较经受得住压力，但在拉力作用下，就显得十分脆弱，在拉力集中的地方，液体就会发生断裂现象，产生许多气泡形状的小空腔，这些空腔存在的时间极短，在液体受压的瞬间又闭合起来、空腔闭合时产生非常巨大的瞬间压力，一般可达几千个甚至几万个大气压，这种空腔在液体中产生和消失的现象就叫空化作用。借助于空化作用的巨大压力，就可以将附着在物体上的油脂、污尘清洗干净。超声波清洗机就是根据空化作用原理制成的。

　　这种清洗机效率高、质量好、易于实现自动化，现已广泛应用于清洗精密机械，无线电元件，光学元件、纺织机件及钟表元件等。此外利用超声波的清洗原理，还可以进行乳化、搅拌、粉碎和醇化等加工。例如在医学上可用它来粉碎马立克氏病毒；在机械加工的热处理工艺中，可利用它的搅拌作用来提高热处理后的零部件质量。

　　利用超声波的高频振动可以用来除尘，在烟囱里装一个超声除尘器，当它产生的超声波作用在烟尘中时，烟尘就随着超声波作激烈的振动，在短时间内，相互间你碰我撞，由于黏合作用，就像滚雪球似的，颗粒越粘越大，当颗粒大到烟囱中的上升气流无法支持它的重量时，就会沉到烟囱底下，起到除尘的作用。

　　超声波可加工坚硬脆弱的材料，如玻璃、陶瓷、宝石、锗、硅、各种硬质合金等。超声波加工是通过加工工具将超声波的能量传递给磨蚀液中的磨料，使磨料对被加工工件进行不断的磨削来实现的。超声波加工由于振动频率高，能量大，磨粒细，因此加工的精度和光洁度都很高。同时，还可以加工形状复杂的工件，可用于玉石雕刻，对金刚钻模具或硬质合金模具进行研磨。

　　超声波焊接是焊接技术中的一个新领域。它是通过在两个搭接的焊接件上同时施加一定的压力和超声波振动，使两焊接件焊在一起。超声波焊接是冷焊，在焊接时不需要外加热源和焊剂，可将薄片（或细丝）焊接在厚板上。

　　它不仅可以焊接金属材料，而且还可以焊接塑料、合成纤维等非金属材料，可用于半导体器件的内引线焊接，电解电容器中的铝箔与引线的焊接及电影胶片的焊接等。由超声波发生器和带刀片的超声振动刀两部分组成的超声波切刀，由于刀口受纵向的超声振动激励，其刀片的切割能力是普通刀的10倍，可用于玻璃、玉石、金属的刻线和研削修整，对于陶瓷底板，印刷线路板图形的修改，焊锡点的修理等最为适用。

　　利用频率为2万赫兹，强度为120分贝的超声波可以作超声波驱鼠器，当老鼠等鼠类动物听到这种超声波时，就会感到难以忍受，慌忙逃走，而人类和家畜是听不到的。

　　以上的应用都是利用超声波的携带能量大，下面是利用它的直线传播性。

　　超声波的传播特性与光相似是按直线传播的，当它碰到界面时就会产生反射与折射，利用这些特性可以用来检测物体。超声波检测应用的范围很广，它可用于探测材料的厚度和材料内的缺陷，即用于探伤；可测量海洋或河道的深度，探测海洋鱼群和海底地貌，检测输油管中的油种；用于船舶的定位等。在医疗方面，可用来探测人体内脏、心血管疾病等。

　　目前医院中使用比较多的是多探头电子扫描超声显像仪，它是由16～20只彼此靠紧、排成一行的探头组成，探头发出重复的，时间极短的脉冲超声波，在人体内碰到各层组织时，会依次产生各自的回声，这些回声点群相互联系，并用荧光屏显示出来，能使医生清楚地看到心脏、肝、肾、脾等内脏的病变情况，作出准确诊断。由于超声诊断一无痛苦二无损伤，除能定性地用曲线、图像显示外，还能提供确切的定量数据，因此日益得到广泛的应用。

　　超声波对人体局部血流循环，细胞新陈代谢以及功能状态的改善都会产生有利的影响，因此还可用于治疗。超声所以能治病，是因为超声在人体组织中能产生一系列物理、化学和热效应。超声在组织中引起细胞的波动，相当于一种微细的按摩，能促使局部血流和淋巴循环得到改善，从而对组织营养和物质代谢都能产生良好的影响。超声还可以刺激半透膜的弥散过程，增强其通透性，加强新陈代谢，提高组织的再生能力，另外超声的机械振动，也能引起体内局部温度升高，具有扩张血管的作用可以治疗冠心玻当然超声治疗也有它一定的局限性，如对于出血或出血后尚未稳定的疾病就不应采用，对肝脏、生殖器官也不宜直接使用。尽管如此，超声治疗有操作简便，使用安全，无副作用以及治疗时无痛苦病人乐意接受等优点，所以它是一种有效的治疗方法。

　　红外光

　　冬天如果在阳光下，你会感到暖烘烘的，太阳看上去是白色的，如果将一束太阳光照到玻璃或石英棱镜上，折射后，射出的不再是一束白光，而是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色组成，太阳光所包含的七种颜色的光线中，各色光线的热量是一样的吗？1800年，英国物理学家赫胥耳把头上涂黑的水银温度计依次放在太阳光的各种不同颜色的区域里，发现红光区域的温度最高，而紫光区域的温度最低，当他把温度计移到红光区域的外边时，得到了一个重要发现——这里的温度比红光区域还要高，这个实验告诉人们，在红光之外，尽管人的眼睛看不见什么光线，可是它那里有较强的热效应。当时赫胥耳把它叫做不可见光线，后来人们为它取名为红外线。

　　红外线简称红外，本质上是一种电磁波，它在电磁波谱中占据了波长从0.75～1000微米这一宽广的波段，它同可见光（波长在0.4～0.75微米）唯一区别是波段差异。红外由于是非可见光，红外技术又多用于军事，故总给人们留下一种神秘感。其实红外线并不神秘，因为凡是绝对零度以上的物体都在发射红外线，人体亦是一个红外线源，我们每个人每时每刻都处在红外线的包围之中。各种物体因自身温度不同，表面状态和材料的不同而形成各式各样的红外辐射源。

　　红外光是如何产生的呢？我们知道，原子中的电子，由于种种原因，使它从低能状态变到较高能量的状态，当它从高能态跃迁到低能态时就发光，对于分子来说，它有振动运动和转动运动。当分子处于较高能态的振动运动和转动运动跃迁到较低的振动能态和转动能态时，亦要发光，这些原子、分子的不同能态，我们称它为处在不同的能级状态。一般原子中电子能极之间的跃迁对应着发射紫外光和可见光，分子的振动及转动能极之间的跃迁发射红外光。

　　由于红外线有热效应与生物效应，它可应用于工农业生产和医疗卫生方面。

　　首先是利用红外的热效应，制成远红外辐射粮食烘干机，它可用于烘干稻谷、麦子、豆类和油菜仔等作物，用红外辐照干燥的粮食有杀死虫卵和病菌的功效，有利于长期保存。经试验对小麦、大麦、油菜仔和棉花种子等用红外辐照后试种，生长状况比没有辐照过的好，因此，它可用于红外辐照育种试验。亦可制成红外测温仪，它的测温范围在400℃～1000℃，温度分辨率为±2℃，测量距离为120厘米，响应时间为10毫秒。测量波段为1.2～2.8微米。利用红外探温原理可以制成红外火源探测仪，在充满浓烟的火场上寻找火源是十分困难的，以往全靠消防人员的实践经验，因而也容易造成差错或贻误战机。红外火源探测仪是连续、快速、非接触测量物体表面温度的新颖探测仪器，在大型现代化城市的建筑设施发生火警时，能通过隔墙、管道等探测火源，并能自动定位报警。除供消防人员救火现场侦察火源外，对于一般储有易燃物的仓库，厂房以及大型船舶都可备用。

　　利用大气红外辐射异常现象可以预报地震，在卫星拍摄的地球热照片上，某些地方有时会出现红外辐射异常现象。这种现象可保持数日，然后自行消失，当某地区出现这一现象后几天，该地区必然会发生地震。例如，1984年3月19日在前苏联布哈拉州的加兹利曾发生地震，而在3月11日此地空间曾出现红外辐射闪光，而辐射光是在整个大片地区上空突然闪现的。类似情况也在其他许多地震事件中观察到。那么，为什么会产生这种大气发光现象呢？原来当地震处于孕育发展过程时，必然会产生地壳向空气释放氢气、一氧化碳气、二氧化碳气、甲烷及其他气体。这些气体在地震形成区的含量迅速提高，导致局部温室效应，使气温骤然升高几度，足以使红外辐射增强，进入空间，当然这种现象在地球上难以观察到，只能从卫星上才能观察到，因此通过卫星遥测红外辐射异常这一信息，可准确地预报即将发生的地震。

　　利用红外辐射的生物效应，可以进行红外理疗。红外理疗是近20年来理疗界崛起的一支新秀。尽管各式各样的红外理疗机相继问世，名目繁多，品种各异，但其本质都是利用红外辐射的生物效应。该效应可分为热效应与非热效应。热效应是生物体中原子分子的偶极子和自由电荷在红外光的电磁场作用下，有按电磁场方向排列的趋势。在此过程中引发分子原子的无规则运动加剧并产生热效应。当红外辐射足够强时，即超过了生物体的散热能力，就会使被照射局部温度升高，引起主观的热感觉。非热效应是在红外光（特别是2～6微米波长的红外光）的光子作用下，生物体中的分子共振吸收了光子的能量，使分子能级被激发，即使分子处于较高的转动与振动能量状态，改善了核酸蛋白质等生物大分子的活性，影响细胞的生理生化功能，从而发挥其调节机体代谢免疫等活动的功能。

　　20世纪80年代以来，利用红外辐射“热疗法”治疗肿瘤是一项新的研究，特别是对恶性肿瘤的治疗。日本有关资料表明：癌细胞在32℃以下，细胞本身不会变质或坏死，然而在高温40℃以上，癌细胞不仅不繁殖，1周后还会死去80％，10天左右全部毁灭。美国国家防癌中心组织了许多单位，其中以斯坦福大学为主，对“热疗法”进行临床实验，发现热疗法可以有效地防治皮肤癌，对其他类型的癌症也有一定的疗效。美国有些医院还用红外“热疗法”来治疗晚期癌症，使很多接受治疗的病人出现了良好的转机。我国上海某医疗部门用红外“热疗法”对患晚期子宫卵巢肿瘤的病人使用红外辐射增敏“热疗法”，治疗半月后，患者疼痛明显减轻，且肿瘤萎缩，质地变软。由此可见，红外理疗前景广阔，它已进入攻克疑难病症——癌症的领域，并成为医学界临床上的新课题。

　　随着红外技术的不断完善，它必将进一步扩大应用范围。

　　遥感技术

　　古代神话中的孙悟空有一双金睛火眼，一个筋斗翻上云端，用手往眼上一罩，就能洞察千里之外的妖魔，孙悟空的千里眼是人们的幻想，而今人类确实有了千里眼，这就是遥感技术。遥感就是感知遥远的事物，识破伪装，洞察事物的本来面目。

　　第二次世界大战中，德国法西斯在法国的阿拉斯市秘密设置了制造V—I火箭的基地，由于伪装得巧妙，英美方面虽然多次用可见光空中摄影进行侦察，却始终未能发现。后来改用红外线空中摄影，终于“剥”去了伪装，清楚地摄取了火箭基地的红外照片。

　　用飞机装载照相设备利用可见光进行空中摄影，这是20世纪30-40年代的遥感技术。当前遥感技术的含义是：从航天的高度，根据物体的电磁辐射特性，运用传感器进行远距离探测，再通过判读来识别目标的性质。

　　人是怎样识别物体的呢？太阳或其他光源发出的可见光（其波长为0.4～0.76微米），照到物体上就会被反射，不同物体反射可见光的波长和强度各不相同，就形成了物体的颜色，绿叶主要反射绿光，但不同部位，不同性质的绿叶反射绿光的波长和强度也稍有差异，人眼接收到这些可见光的信息，在视网膜上合成了绿叶的图像，人们凭借经验就能判别，这是松叶那是柳叶。

　　物体不仅反射可见光，而且还反射红外光。不同物体对红外光的反射率是不同的。对可见光反射率相近的物体，对红外光的反射率就可能不同，红外摄影为何能识破伪装道理就在这里。例如涂绿色伪装漆的坦克和绿色植被，对波长为0.52微米的绿光的反射率分别为10.3％和10％，因为反射率非常接近，所以就难于识别隐蔽在树丛中的坦克了。但是对0.8～1.10微米的红外线，两者的反射率分别为24～26％和56～63％，相差如此之大，要区别它们显然是轻而易举的了。即使用采下的树枝作伪装，由于采摘后趋于枯萎的树叶与活的树叶，对0.7～0.8微米红外线的反射率分别为40％和20％，这样大的差别，当然亦易于识别了。

　　一切物体不仅能反射红外线，而且本身还能辐射红外线，辐射的红外线中强度最大的波长，称为峰值波长，峰值波长与物体本身温度T成反比，在常温时（300K=27℃），物体辐射的峰值波长约为10微米，属于红外线区域，所以人眼是看不见的，但是，应用红外探测器就能探测到，探测灵敏度能达到10~12瓦的数量级，这相当于在几百千米高的人造卫星上能发现地面上烟头发出的红外线。自然界中的一切物体除辐射红外线外还会辐射其他电磁波，如微波、紫外线、X光等。

　　处于相同温度的物体，其辐射强度又随着物体的性质不同而异，这种辐射特性由物体的比辐射率决定。例如：铸铁、沥青马路与人的皮肤其比辐射率分别为0.21、0.93和0.99.据此，就可以判断目标究竟是飞机还是坦克，是马路还是屋顶。

　　在高空利用红外或微波遥感仪来接收各种辐射和反射的各种电磁波，就能探测到地面目标，所以遥感器可称得上是科学的“千里眼”。目前用于对地球进行观测的遥感器已有几十种，如高分辨率照相机、多波段照相机、多波段扫描仪、微波辐射计、合成孔径测视雷达、激光高度计等等。它们都包括电磁波接收器（如镜头、反射镜、微波天线等），探测器（如红外探测器、光电倍增管等）和输出器三部分。

　　卫星把遥感器探测到的电磁波信号，用无线电波发送到地面接收站，有的是数码磁带，有的是传真图像胶卷。但都不是直接易辨的可见景物的再现。

　　这是由于地面物体辐射和反射的电磁波要经过大气层才能传输到遥感器，而大气层对各种电磁波有不同程度的吸收和干扰，同时还有卫星运行姿态变化、太阳高度变化等因素影响，因而从遥感器接收到的是受到各种干扰、发生畸变和失真的信息，必须经过计算机的处理分析来排除各种干扰，使真实的信息得到再现，以获得清晰的图像和确切可靠的数据磁带。

　　遥感技术的发展起步于20世纪60年代军事上的需要，它已成为现代战争侦察的重要手段，比如侦察卫星上的红外装置能感测与周围环境有零点几度温差的热目标，据此就能发现敌方导弹基地。监视洲际导弹发射，并能在导弹发射后立即报警。红外装置还能发现飞机、地面军事设施、部队动向和水下40米深航行的潜艇。1971年，美国利用遥感技术发现了苏联新建的60个供发射SS—9和SS—11洲际导弹的地下导弹发射井。利用红外装置甚至能发现部队、车队、飞机离开一定时间培留下的热迹。

　　在农林水利方面，遥感技术有很多用武之地，分析卫星所拍摄的大面积农作物生长情况的多谱照片，就可以监视作物的生长情况并进行估产。用资源卫星资料和气象卫星资料相结合来预报大面积小麦产量，其结果与实际估产仅差3%。这对指导农业生产，进行粮食贸易，具有很大的现实意义。

　　除农业之外，遥感技术还可用于土地、森林、草原、水力和海洋资源的调查和利用，用于监视森林火灾、河口海岸、沿岸沉积、海水运动、洪水泛滥、火山活动、环境和海洋污染等；还可以用于监视大断裂带的活动及地面的轻微隆起，为地震预报服务。大批鱼群的巡游会使海面色调变化，因而利用遥感技术就能直接指导渔业生产。

　　在地质勘探中，用电子计算机对卫星资料进行分析，可以很快发现新的地层结构和断裂带，确定大的地质界线，了解深部地质结构，为探矿和预报地震提供了宝贵的数据。许多国家利用遥感资料和实地调查相配合找到了铁、镍、钥、理等矿藏和石油。用遥感图像绘制地图快速准确，已广泛使用。

　　遥感已促使气象科学发生了巨大变化，利用几颗气象卫星拍摄的云图资料，每隔几小时就可绘制一幅全球天气图，再利用各种遥感器提供的全球大气温度、湿度垂直分布数据，能准确预报几天以至10天以上的大气趋势。特别可连续监视台风等灾害性天气，做到及时预报。

　　此外，对金星、土星等行星的宇宙飞船探测亦都是用遥感技术，使得人类对这些行星有更清楚的了解。

　　遥感技术是近30年来蓬勃发展起来的一门新技术，它涉及空间技术、红外技术、电子和电子计算机技术的一门综合性探测技术，它把人类的视野扩大到“千里”之外广阔无垠的宇宙空间，以及地球上人类难以到达的任何地方，并且可以昼夜不停地工作，比神话中的“千里眼”还要神通广大，它必将大大深化人类对自然界的认识，也将有力地推动人类改造自然的斗争，它的发展和应用潜力还很大，可以预料，遥感必将为我国实现社会主义现代化发挥越来越大的作用。

　　光纤通讯

　　一提到通讯，大家就会想到电报、电话等无线电通讯，你可知道，在人类所有通讯活动中，光是最古老的快速通讯工具。几千年前，我们的祖先在高山上构筑的烽火台，事实上就是光通讯站，它在白天利用烟，晚上利用火，把边关的紧急情况火速传递到京城，以便抵抗外来的侵略。至今在某些特殊的地方晚上仍采用信号灯的闪光来代替旗语进行通讯。例如青岛的信号山上，晚上用信号灯的闪光与入港的舰只进行联系。

　　但是，无论是古代的烽火报信，还是现在的信号灯闪光通讯，都是非常简单的光通讯。激光出现后，由于它具有单色性好，方向性强，几乎能把所有能量向一个方向发射，因此，它是一种十分理想的光通讯光源。但是激光在大气中传播时，由于大气的散射、吸收等影响，将受到衰减，特别是下雨、下雪和有雾等天气，光通讯受到的影响就更为严重，显著地缩短了光通讯的距离。另外，由于光是直线传播的，为了不使高层建筑等物体挡住光通讯，光通讯设备必须设在高处。这就限制了光通讯的普遍应用，因此考虑能否像电在电线中传播那样，让激光在管道中传播呢？其实人类早已发现光在玻璃纤维中传导的现象。如20世纪50年代已使用的一种胃镜，就是把光导纤维（简称光纤）插入口中，并穿过弯弯曲曲的食道到达胃内，通过玻璃纤维可以清楚地观察胃内的情况，这种利用光在玻璃纤维中传播来进行通讯的，可说是最早的光纤通讯。

　　那么，光纤是怎样传播光线的呢？这要从光的传播说起，当光传播到两种介质的分界面时，光在原来介质中将产生反射，在进入另一介质时发生折射。当光线从折射率较大的介质（称光密介质）进入折射率较小的介质（称光疏介质）时，在入射角等于临界角时，折射光线将沿着两介质的界面进行，当入射角大于临界角的情况下就产生全反射现象。此时，不发生光的折射，只有光的反射。

　　光导纤维是由两层介质组成，用二氧化硅玻璃纤维作芯线，外涂树脂制成，或用特种塑料合成材料作芯线，外层涂料用聚乙烯或聚四氟乙烯，外层涂料的折射率小于光纤芯线的折射率，这样就保证在一定的入射角下的入射光线，始终在芯线和外层之间的界面上产生全反射，不管光纤弯曲成什么形状，使光线来回曲折地在光纤中传播。

　　另一种光纤是聚焦型光纤，它的特点是光线不是在光纤的芯线与外层之间的界面上反射前进，而是光线在光纤中传播时。它会自动地逐渐向轴线方向折回，形成正弦曲线。

　　我们知道，无线电通讯的过程是：首先将需要传递的信息（语言、文字、图像、数据等）通过讯号变换器（话筒、摄像机等）转变成低频信号，然后把这种信号加到一种可以远距离传播的高频电磁波上，通过控制它的某个参数（振幅、频率或位相），使它们按信号的规律变化，这样，高频波就“载”着信号由天线发射出去。所以这种供调制用的高频波又叫“载波”。在激光通讯中，信号的发送过程完全类似，只是载波由激光担任，用电、磁或声等信号去调制光线，使之转变成光信号并送入光纤，光信号传到目的地后，由光探测器将光信号转变成与原来一样的电、磁或声的信号。

　　在长途光纤通讯中，由于光纤和接插头处的损耗。使光信号传播一定距离后变得很弱。因此在长途光纤通讯系统中，每隔一定距离需要设立一个“中继站”或“增音站”。另外，由于光源的频率不够单一，激光虽然单色性好，但也有一定的频率范围，这样一束光在光纤中传播时，它们之间的速度就有些差异（因为介质中的光速与频率有关），再加上光纤的一些缺陷，光信号在光纤中传播一定距离后就会发生畸变，所以中继站的另一个作用是给光信号“整形”。

　　光纤通讯中的另外两个关键的部件是激光光源和光探测器。

　　在光纤通讯中最可取的激光光源是微型钕玻璃激光器和镓铝砷激光器，它们具有功率大、体积小和坚固等优点，特别是镓铝砷激光器可做得很小，整个尺寸只有一颗盐粒那么大小，它的发射频谱较窄，且其功率可达几毫瓦到10毫瓦以上，适宜作长途大容量光纤通讯的光源。

　　光探测器是光的接收元件，它的作用是把从光纤中接收到的光信号转变成电信号。在光纤通讯中，光探测器相当小，要求小到足以与头发丝粗细的光纤相接，并能非常灵敏地检出远距离传来的微弱光信号，而且在高速大容量通讯时，这种光信号脉冲每秒达几亿次以上，这些要求只有精细的固体器件才能满足，一般采用硅PIN光敏管和雪崩光敏管作为探测器。

　　20世纪80年代初，在横贯太平洋海底，铺设了联结日本和美国的海底光纤电缆，它的总长为1万千米，相当于地球周长的1/4，20世纪80年代末欧美通讯管理部门又铺设一条横越大西洋的光纤电缆。

　　使用海底电缆通信已有140多年的历史了，1850年，在多佛尔海峡铺设的电缆是最早的，这种电缆采用细钢丝覆盖天然树脂作为绝缘体，使用莫尔斯电报来传递信息。1921年，出现了传输电话的第二代电缆。海底同轴电缆属于第三代，它具有内外两层导体呈同心圆柱分布，中间夹有高性能绝缘体，还设有海底中继站，沿途不断放大衰减着的信号，它的最大容量为5200路电话，用它也可以传输彩色电视，但因彩电信号有较宽的频带，约为电话频带的1000倍，所以这种海底电缆的通讯能力就显得不适应了。80年代铺设的光纤电缆，属于第四代电缆。它可同时传输一万路电话，而且还有很大潜力。

　　光纤电缆有许多优点，首先，它的信息容量比一般电缆大得多。大家知道，一对电话线上只能通一路电话，如果要在一对电话线上复用更多的电话，则必须用载波的方法，把各路电话搬到每个互相有一定间隔的频段上。由于普通电话的频率范围为300～3400赫，而一对电话线所能传输的最高频率为150千赫，这样每对电话线最多只能复用几十路电话，为了使一对线路上能复用更多的电话，相继出现了电缆、同轴电缆、毫米波系统、和微波中继系统等，但它们还是不能适应信息传输量日益猛增的需要。采用光纤通讯后，这个问题就迎刃而解了。因为光是频率极高的电磁波，它可传输信息的频带很宽。例如在频率为3×1014赫的可见光中，如果取它的频率110作为传递信号用，理论上可传输1010路电话。即使考虑到光纤的缺陷只能传输105或104路电话也是可观的。要知道这只是一根像头发丝那样粗细的光纤，如果将上百根光纤组成一根光缆，那么这光缆的容量是非常可观的，可见信息容量大是光纤通讯的最大优点。

　　第二个优点是稳定性好、保密性强。因为光在光纤中传播时不仅不会“漏出”，而且不受电磁尝射频和核爆炸的磁脉冲影响。所以在光纤中传输的音频、视频信号不会受到外界的干扰。第三，光纤的传输损失校信息容量为2700路电话的海底同轴电缆每隔3.8千米要装一个中继放大器，而光纤电缆仅需每隔40千米加一个中继放大器，这不仅减少了建设费用，而且可以大大提高可靠性，这一点在远距离通信上特别重要。如果改用新型材料，中继放大器可以更少甚至可以不用中继放大器。第四，光纤材料主要是二氧化硅，所以价格低廉，重量轻，直径细，对铺设工作很有利，施工费用亦可大幅降低。而且这条光纤可25年不用维修。

　　目前，通讯卫星已可容纳电话12000路，还有几路电视信号，如此大容量的卫星通信，足以胜任横跨太平洋的通讯，为什么还要新建海底光纤通讯系统呢？通讯卫星是在赤道上空36000千米的同步轨道上，电波往返一次需要0.3秒。这个延迟在重要的数据通讯中可能会造成混乱，而用海底光纤电缆就可以避免这个致命的缺点。

　　光纤通讯是一门崭新的综合性科学，我国已铺设从北到南，从东到西的光纤电缆，随着信息容量的扩大，光纤通讯将成为现代化通讯的重要工具。