無(wú)論在日常生活，還是科學(xué)研究中，用玻璃制成的光纖（Optical fiber）早已成為一種無(wú)可替代的光學(xué)器件。光纖為圓柱形結(jié)構(gòu)，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?cè)诟咧形锢碚n上學(xué)過(guò)的全反射（Total internal reflection）現(xiàn)象—當(dāng)光從折射率高的媒介向折射率低的媒介傳輸時(shí)，如果入射角度超過(guò)某個(gè)臨界值，那么所有的光都會(huì)被反射回折射率高的媒介。

在制備光纖時(shí)，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(fā)生的全反射會(huì)使耦合進(jìn)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(jìn)的路線彎曲，把光傳遞到靠直線傳播難以到達(dá)的地方，比如利用光纖束制成的內(nèi)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(guó)大革命100周年之機(jī)，巴黎舉辦了盛大的世界博覽會(huì)，在博覽會(huì)入口處修建了后來(lái)成為巴黎地標(biāo)的埃菲爾鐵塔。此時(shí)的巴黎以“光之城”（City of Light）聞名于世，既是由于它是18世紀(jì)歐洲啟蒙運(yùn)動(dòng)的發(fā)源地，更是因?yàn)榘屠枞俗钤绮捎昧嗣簹饨譄魜?lái)照明城市。

許多年之后，這屆博覽會(huì)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(huì)入口處搖曳多姿的噴泉，卻讓后世津津樂(lè)道。這些噴泉，大小不一，不停地變換著顏色，讓本就魅力無(wú)窮的巴黎夜晚額外增添了幾多夢(mèng)幻色彩。贊嘆之余，回旋在人們心中的疑問(wèn)是--黑暗之中，這些五顏六色的噴泉是如何被點(diǎn)亮的？

點(diǎn)亮噴泉的靈感（和技術(shù)）來(lái)源于Daniel Colladon在1841年的一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示。那一年，38歲的Colladon是瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的教授。在這個(gè)他一生鐘愛(ài)、后來(lái)無(wú)數(shù)次演示過(guò)的實(shí)驗(yàn)里，Colladon在一個(gè)水槽的側(cè)面開(kāi)一個(gè)小孔，在另一側(cè)用透鏡將光聚焦到小孔處。當(dāng)有水柱從水槽里經(jīng)小孔噴出時(shí)，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(gè)容器里，激起無(wú)數(shù)的水珠。隨著水柱的消失，束縛在里面的光被釋放出來(lái)，因此容器的表面被照亮。Colladon喜歡在黑暗的屋子里演示這個(gè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)那些跳躍的、無(wú)比明亮的水珠出現(xiàn)時(shí)，整個(gè)房間充滿驚嘆。

“上帝說(shuō)，要有光，于是就有了光”

人類很早就意識(shí)到光是沿著直線傳播，從而建立起來(lái)光線的概念。利用這一物理現(xiàn)象，中國(guó)的墨子早在公元前5世紀(jì)就注意到來(lái)自物體的光直線傳播通過(guò)一個(gè)小孔后，能夠成倒立的像。后來(lái)人們利用此原理，制成了不需要光學(xué)鏡頭的針孔相機(jī)。

在19世紀(jì)，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(dǎo)，依靠全發(fā)射的光學(xué)原理，讓光沿著曲線傳播。設(shè)身處地地想象一下，在距今170多年前，聆聽(tīng)這樣一場(chǎng)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)帶來(lái)何等震撼的體驗(yàn)。為了保護(hù)自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，Colladon將自己的演示實(shí)驗(yàn)寫(xiě)成文章寄給老朋友、身居法國(guó)科學(xué)院要職（Perpetual secretary ）的Francois Arago。Argo當(dāng)時(shí)是法國(guó)科學(xué)院院刊Comptes Rendus的主編，他記得去年（1840年）新晉院士Jacques Babinet也做過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)，于是讓Babinet同時(shí)發(fā)表自己的結(jié)果。

Babinet在光學(xué)界大大有名，學(xué)過(guò)經(jīng)典光學(xué)里的衍射現(xiàn)象的人，都應(yīng)該記得Babinet原理。后來(lái)兩人的文章同時(shí)于1842年10月24號(hào)發(fā)表在Comptes Rendus上，Colladon的文章在800到802頁(yè)，而B(niǎo)abinet的文章在802頁(yè)，不到一頁(yè)長(zhǎng)。顯然，做過(guò)類似實(shí)驗(yàn)的Babinet，并沒(méi)有覺(jué)得這很重要。Babinet在該文章中甚至提到類似的現(xiàn)象也可以在彎成任意形狀的玻璃桿里發(fā)生，還建議可以用此辦法幫助牙醫(yī)做口腔照明。但是這一想法在50多年以后才變成現(xiàn)實(shí)。

應(yīng)編輯的要求，Colladon于1884年對(duì)自己那篇1842年的文章稍加修改，發(fā)表在另一法國(guó)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(fā)現(xiàn)用彎曲的水流可以傳輸光?？善屡c愿違，后世光纖光學(xué)界卻把這一發(fā)現(xiàn)歸功于英國(guó)物理學(xué)家JohnTyndall。John Tyndall任教于Royal Institution in London，當(dāng)時(shí)還負(fù)責(zé)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(shí)驗(yàn)尚未準(zhǔn)備就緒，Tyndall在法拉第的建議下，演示了Colladon曾經(jīng)在13年以前演示過(guò)的實(shí)驗(yàn)。在1987年，美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)和IEEE Photonics Society共同建立了以John Tyndall命名的獎(jiǎng)項(xiàng)，每年頒發(fā)一次，用以獎(jiǎng)勵(lì)那些對(duì)光纖技術(shù)做出重大貢獻(xiàn)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(wú)限悲憤。

在Babinet和Colladon的文章發(fā)表100多年之后的20世紀(jì)50年代，具有包層結(jié)構(gòu)的玻璃光纖才出現(xiàn)。1960年激光器的發(fā)明使光纖光學(xué)作為一門(mén)嶄新的學(xué)科得以迅猛發(fā)展。該學(xué)科的巔峰成就無(wú)疑是以光纖作為傳輸介質(zhì)的光通信技術(shù)，這一技術(shù)已經(jīng)深深改變了我們每個(gè)人的生活。

隨著超短脈沖激光器的出現(xiàn)，在玻璃光纖里傳輸?shù)墓饷}沖由于具有很高的峰值功率，因此能夠和材料發(fā)生非線性相互作用。玻璃光纖中的非線性光學(xué)現(xiàn)象十分豐富，已經(jīng)單獨(dú)發(fā)展成為一個(gè)領(lǐng)域—非線性光纖光學(xué)。

自相位調(diào)制（Self-phase modulation）是光纖中最為常見(jiàn)也最為簡(jiǎn)單的非線性光學(xué)現(xiàn)象。1978年，在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的R. H. Stolen 和 Chinlon Lin首次在石英玻璃光纖里觀測(cè)到自相位調(diào)制現(xiàn)象。與其他非線性光學(xué)現(xiàn)象類似，自相位調(diào)制能夠產(chǎn)生新的光學(xué)頻率，因此經(jīng)常用于展寬脈沖光譜，然后通過(guò)補(bǔ)償展寬后的光譜的相位，從而在時(shí)域上將脈沖壓短—這已經(jīng)成為獲得超短脈沖的常見(jiàn)手段。

但很多人也因此產(chǎn)生誤解，以為自相位調(diào)制只會(huì)通過(guò)產(chǎn)生新的頻率分量讓光脈沖的光譜展寬。實(shí)際上，脈沖的光譜變寬還是變窄取決于初始脈沖的預(yù)啁啾（pre-chirp）。如果初始脈沖具有負(fù)的預(yù)啁啾，而脈沖在玻璃光纖里傳輸時(shí)，自相位調(diào)制引入的正啁啾會(huì)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(huì)變窄。當(dāng)正啁啾恰好補(bǔ)償?shù)羲胸?fù)啁啾后，此時(shí)脈沖為變換極限脈沖。

審核編輯：劉清