利用光纖可以讓光前進的路線彎曲

無論在日常生活，還是科學研究中，用玻璃制成的光纖（Optical fiber）早已成為一種無可替代的光學器件。光纖為圓柱形結構，由位于中心的芯層和圍繞著芯層的包層兩部分組成。光纖的工作原理基于我們在高中物理課上學過的全反射（Total internal reflection）現象—當光從折射率高的媒介向折射率低的媒介傳輸時，如果入射角度超過某個臨界值，那么所有的光都會被反射回折射率高的媒介。

在制備光纖時，選擇合適的玻璃材料使芯層比包層具有更高的折射率，那么在芯層與包層界面的發生的全反射會使耦合進光纖芯層的光受到限制，只能沿著光纖傳輸。在自由空間，光一般沿著直線傳播；利用光纖，我們可以讓光前進的路線彎曲，把光傳遞到靠直線傳播難以到達的地方，比如利用光纖束制成的內窺鏡（胃鏡等）。

人類歷史上最早利用全反射原理讓光線彎曲并不是在玻璃光纖里，而是在水柱里。1889年，借法國大革命100周年之機，巴黎舉辦了盛大的世界博覽會，在博覽會入口處修建了后來成為巴黎地標的埃菲爾鐵塔。此時的巴黎以“光之城”（City of Light）聞名于世，既是由于它是18世紀歐洲啟蒙運動的發源地，更是因為巴黎人最早采用了煤氣街燈來照明城市。

許多年之后，這屆博覽會到底展出了什么早已淡出人們的記憶，但那些每晚在博覽會入口處搖曳多姿的噴泉，卻讓后世津津樂道。這些噴泉，大小不一，不停地變換著顏色，讓本就魅力無窮的巴黎夜晚額外增添了幾多夢幻色彩。贊嘆之余，回旋在人們心中的疑問是--黑暗之中，這些五顏六色的噴泉是如何被點亮的？

點亮噴泉的靈感（和技術）來源于Daniel Colladon在1841年的一個實驗演示。那一年，38歲的Colladon是瑞士日內瓦大學的教授。在這個他一生鐘愛、后來無數次演示過的實驗里，Colladon在一個水槽的側面開一個小孔，在另一側用透鏡將光聚焦到小孔處。當有水柱從水槽里經小孔噴出時，由于全反射，光被限制在水柱之中。

水柱由于重力作用，向下彎曲成拋物線形狀，最后濺落在另一個容器里，激起無數的水珠。隨著水柱的消失，束縛在里面的光被釋放出來，因此容器的表面被照亮。Colladon喜歡在黑暗的屋子里演示這個實驗，當那些跳躍的、無比明亮的水珠出現時，整個房間充滿驚嘆。

“上帝說，要有光，于是就有了光”

人類很早就意識到光是沿著直線傳播，從而建立起來光線的概念。利用這一物理現象，中國的墨子早在公元前5世紀就注意到來自物體的光直線傳播通過一個小孔后，能夠成倒立的像。后來人們利用此原理，制成了不需要光學鏡頭的針孔相機。

在19世紀，光沿著直線傳播的概念早已深入人心。而Colladon卻能利用水柱作為天然波導，依靠全發射的光學原理，讓光沿著曲線傳播。設身處地地想象一下，在距今170多年前，聆聽這樣一場學術報告會帶來何等震撼的體驗。為了保護自己的知識產權，Colladon將自己的演示實驗寫成文章寄給老朋友、身居法國科學院要職（Perpetual secretary ）的Francois Arago。Argo當時是法國科學院院刊Comptes Rendus的主編，他記得去年（1840年）新晉院士Jacques Babinet也做過類似的實驗，于是讓Babinet同時發表自己的結果。

Babinet在光學界大大有名，學過經典光學里的衍射現象的人，都應該記得Babinet原理。后來兩人的文章同時于1842年10月24號發表在Comptes Rendus上，Colladon的文章在800到802頁，而Babinet的文章在802頁，不到一頁長。顯然，做過類似實驗的Babinet，并沒有覺得這很重要。Babinet在該文章中甚至提到類似的現象也可以在彎成任意形狀的玻璃桿里發生，還建議可以用此辦法幫助牙醫做口腔照明。但是這一想法在50多年以后才變成現實。

應編輯的要求，Colladon于1884年對自己那篇1842年的文章稍加修改，發表在另一法國雜志La Nature，題目干脆就叫做“The Colladon Fountain”。這顯然是為了讓后世牢牢記住是他最早發現用彎曲的水流可以傳輸光?？善屡c愿違，后世光纖光學界卻把這一發現歸功于英國物理學家JohnTyndall。John Tyndall任教于Royal Institution in London，當時還負責的星期五晚上的科普講座。

由于原定在1854年5月19日演示的實驗尚未準備就緒，Tyndall在法拉第的建議下，演示了Colladon曾經在13年以前演示過的實驗。在1987年，美國光學協會和IEEE Photonics Society共同建立了以John Tyndall命名的獎項，每年頒發一次，用以獎勵那些對光纖技術做出重大貢獻的科研人員。自己的苦心孤詣，付諸東流，Colladon若泉下有知，恐怕只有無限悲憤。

在Babinet和Colladon的文章發表100多年之后的20世紀50年代，具有包層結構的玻璃光纖才出現。1960年激光器的發明使光纖光學作為一門嶄新的學科得以迅猛發展。該學科的巔峰成就無疑是以光纖作為傳輸介質的光通信技術，這一技術已經深深改變了我們每個人的生活。

隨著超短脈沖激光器的出現，在玻璃光纖里傳輸的光脈沖由于具有很高的峰值功率，因此能夠和材料發生非線性相互作用。玻璃光纖中的非線性光學現象十分豐富，已經單獨發展成為一個領域—非線性光纖光學。

自相位調制（Self-phase modulation）是光纖中最為常見也最為簡單的非線性光學現象。1978年，在美國貝爾實驗室工作的R. H. Stolen 和 Chinlon Lin首次在石英玻璃光纖里觀測到自相位調制現象。與其他非線性光學現象類似，自相位調制能夠產生新的光學頻率，因此經常用于展寬脈沖光譜，然后通過補償展寬后的光譜的相位，從而在時域上將脈沖壓短—這已經成為獲得超短脈沖的常見手段。

但很多人也因此產生誤解，以為自相位調制只會通過產生新的頻率分量讓光脈沖的光譜展寬。實際上，脈沖的光譜變寬還是變窄取決于初始脈沖的預啁啾（pre-chirp）。如果初始脈沖具有負的預啁啾，而脈沖在玻璃光纖里傳輸時，自相位調制引入的正啁啾會逐漸減小初始脈沖的啁啾總量，這種情況下，脈沖的光譜就會變窄。當正啁啾恰好補償掉所有負啁啾后，此時脈沖為變換極限脈沖。

審核編輯：劉清