亮麗的雷射．魔幻的光纖

【聯合報╱祁甡】 2009.10.07 07:16 am

編按：此文原刊於【1983-07-16/聯合報/02版/第二版】 人人皆知廿世紀是電子的時代；科學家們卻預測，廿一世紀將是光電的紀元。 事實上，一九八○年代已經是光電科技的天下。我們說光電科技，顧名思義，是為光學科技與電子科技的結合。由於雷射光科技與電子科技的結合，在科技史上又帶來了一個重大的衝擊，對人類的科技文明產生了深遠的影響。 廣義的光電科技，指的是包含電子部品和光的部品的機器或系統；如此說來，內有電子，外有螢光幕的電視機也屬於光電的產品。 不過，就狹義的光電而言，則比較偏重尖端科技方面；因此，如今用電子鎗打到螢光幕上顯像的電視機就不算在內了。倒是利用雷射掃瞄顯像的電視機堪稱光電用品而無愧。 光電科技運用了近代光學、電子物理、及電子工程的知識和技術。它的範疇，除了光學材料及元件，光電感應器、積體光電路等設計及製造應用之外，自以雷射和光 纖通訊的研究發展和應用最受人矚目。雷射是劃時代的光源自然界有很多發光的東西，如太陽、螢火蟲等。文明進化以後，也出現了人為的光，如油燈、燭光、電燈 等，雷射就是一種人造的發光體。 精確地來說，雷射(Laser)是「經由激發輻射強化而產生光的光源」。 經由雷射發出的光，跟一般的光大不相同。首先，它具有同向性，一般的光會散開，漸遠漸弱；雷射光束的方向卻是平行一致，雖經長距離，波長依舊整齊如一，勇往直前。這一特點在測量方面有很大的好處。 單位面積的強度大，是雷射光的另一特點。其強力足可穿透鋼板，在材料加工如鑽孔、切割等方面表現非凡。 而雷射光的單色性又造成一種艷光驚人的效果。不管它是什麼顏色，純度都極高，紅則為鮮紅，藍則為艷藍，鮮明耀眼，對基礎科學如光譜學的研究極為有利。 此外，雷射光有很好的同調性。也就是說雷射光的波形整齊宜用於通訊；同時干涉現象也很明顯，此現象可用於感應器以作精密測量之用。 談到雷射的應用，著實令人咋舌，幾乎涵蓋了所有科技的領域。在國防上，可用以測距，導引炸彈，飛彈瞄準目標，并可用於通訊及太空武器系統。雷射在和平用途 的貢獻，更令人心振奮。在醫學上，可用以治療視網膜剝落、潰瘍、皮膚病和腫瘤：以雷射刀來動手術，在切割與灼燒之餘，并具有凝固和止血作用，不留疤痕。單 一細胞的微手術甚或針灸都可借雷射之力。雷射還可用於纖維光波通訊系統，以傳遞大量的訊息。而雷射施於纖維光波感應器，則能高度精準地量出壓力、溫度、加 速、轉動、應力和電磁場。在工業加工方面，雷射的效果彰顯不凡，對極其堅硬的林料，它一概可以切、鑽、銲、刻。 此外，在能源方面，雷射將可促成核融合能發電。在攝影方面，雷射全像照相映照出三度空間的畫面。在基礎科學上，雷射使化學、林料科學、非線性光學、和光譜 物理學的研究邁入了新境界。而日常生活中，雷射更用於唱片、電視、印刷分色、指紋辨認、掃瞄結帳等。在藝術上，雷射音樂和雷射景觀藝術也都受到廣大人群的 喜愛。光纖通訊雷射是人類掌握中一個無窮的寶藏，它可聽任戰爭差遣，亦可發揮千百樣的神奇妙用，增進民生幸福。在雷射發展一日千里之際，我們也得同時培養 適當使用雷射的智慧。用光波傳遞訊息的例子，古時即有，如烽火、狼煙等；後來的旗語和燈號也都是。 以玻璃光學纖維導管做為光波通訊傳輸介質的構想，是由中國工程師高錕所提。它的原理，是利用半導體雷射或發光二極體光源，經由全反射，在光纖導管中傳輸訊號；所傳的訊號除了電話對話，可以是電腦數據，也可以是影像或電視節目。 一根約莫半寸大小，只有手指頭一半粗的光纖維電纜，含有近一百五十條光纖維，足可供八千人通話；其功效遠遠超過腰身粗的合金屬電纜。 光纖通訊的優點很多。它的體積小、重量輕，容易彎曲，敷設和運輸都很方便。它的通訊量大，頻率高出電波一萬倍，可提供充份的頻道，卻又不受電磁的干擾。同 時，光纖材料便宜，大量生產後價格會大為降低。它的損耗小，所需的中繼站少，利於長程通訊。尤其，它的保密性良好，無法中途竊聽（玻璃纖維太細，一動手腳 就會斷掉。） 科學家們已然預測，光纖維通訊今將逐漸取代電子通訊；將來勢必蓬勃發展的有線電視將成為光纖的主要市場。由於光纖通訊所能傳遞的消息非常多，可能會革命性地改變人類的生活；人類未來生活的發展上，運輸的活動會漸次減少，通訊活動卻相對地逐漸增加。 以後，我們看報的型態可能會改變。在家裡，只要設一個螢光幕，接上光波通管，要看報時按下報紙的頻道，報紙影像立即顯現，不需人天天送報，也不需影印機。 上學也不一定要到學校去；坐在家裡對著螢光幕按鈕即可。若要查資料，大可不必親自跑圖書館；只要按鈕到圖書館說出要什麼資料，家裡的螢光幕馬上會把要找的 資料顯現出來。自然，以後購物、存取款、看病等生活細節都可藉按鈕和螢光幕完成。如此，靠著光纖維的傳輸，電視螢幕將是我們與外界聯繫的主要工具，我們甚 至可從佔據整面牆壁的螢幕看球賽和音樂會；再加一架攝影機，只要事先約好時間，一按鈕，就可坐在家裡和別人對講和開會。 當然，在日常生活之外，公司倉庫、發電廠、各式工廠、或核子實驗室等也都賴光纖通訊傳遞訊息并做資料儲存。從幾十公尺短距離的電腦數據輸送，到幾千公里的遠洋海底光纜通訊系統，在在都要憑藉光纖通訊施展所長。 在軍事上，海軍船艦、軍用運輸機、陸軍野戰通信系統都可使用光纖，通話不僅清晰，敵人也絕對無法竊聽。 此外，光纖還可用來檢查疾病。把一小束光學玻璃纖維吞入體內，藉著照射光，身體內部疾病的影像就可從纖維光束在人體內的一端傳到體外的另一端。 光纖更可用來觀察噴射引擎。即使細如髮絲的裂痕都可在這種精密的光學檢查器下無所遁形。 高速公路及鐵路電氣化的資科傳輸和交通控制，也可利用光纖通訊系統來提高其有效及可靠性。光電與其他重點科技的關係目前，雷射科技與能源、材料、資訊、生 產自動化、生物技術、肝炎防治、和食品科技同時列為國家重點科技。不過，事實上，要發展雷射科技，不可避免地要涉及相關的光電科技，并不僅止於雷射本身的 科技。因為，雷射本身不過是一種特殊的光源，它孑然一身時用途并不大，必須配上其他光電元件，形成一個系統，才能發揮包羅萬象的功能。 除了國防上的重要性及在基礎科學上所導致的突破性發展，光電（雷射）科技至少跟五項其他重點科技之間具有密不可分的關係。 一、能源：用雷射可做鈾同位素的分離，做為核子反應爐的燃料。此外，雷射融合亦是產生核融合能的可能途徑之一。 二、材料：對一般材料的切割、鑽孔、銲接之外，也可用來做精密零件的熱處理，表面合金形成，和表面硬化處理。在半導體材料方面，可用來做修剪、退火、雷射 氣相堆積等。此外，固體雷射的介質如紅寶石、釹石榴石、釹玻璃等，染料雷射所用的各種溶液，用以製造半導體雷射、太陽能電池、和檢光器的各種半導體材料， 以及各種光電、聲電及非線性光學晶體等，均屬光學材料的範疇。要發展光電科技，勢必同時對這些材料進行研究發展。 三、資訊：資訊包括資料處理、儲存及通訊；而資料的光學處理、儲存、及通訊尤其有容量大和速度快的優點。在通訊方面有光纖通訊；儲存方面則有光儲存碟及影碟；資料輸出方面有雷射印刷機；而光計算機正在發展中，理論上，將來它的速度要遠超過如今的電子計算機。 四、生產自動化：機器人的視覺系統要靠光學元件和技術來完成。 五、生物技術：農作物的種子經雷射照射後，可使產量增加；同時，遺傳基因改變及醫學上的研究都有賴光電科技之助。 光電科技所涵蓋的領域非常廣泛，與其他重點科技的關係尤為密切。因此，如果要發展其他重點科技，光電科技勢必不可遺漏偏廢。 而就光電科技本身的發展來說，除了要考慮人力、技術、和市場的因素；同時還得顧及它與國防及其他重點科技的關係，首先決定所要發展的系統，繼而決定所要發展的部品，最後再決定相與配合的基礎研究。如此，自能事半功倍，使光電科技在我國生根，進而蓬勃發展，利及國計民生。 （本文作者是交通大學光電研究所所長） 【2009/10/07 聯合報】