1970年2月2日
从“克莱顿喷泉”到光纤

光纤是改变世界的十大发明之一，在不经意中看到的一个现象竟然是这个发明的源头，然而，从这个源头出发，到低损耗光纤的研制成功，却整整经历了一个多世纪！

1841年，瑞士物理学家让·丹尼尔·克莱顿（Jean Daniel Colladon）（ 图1 ）在无意中发现了一个奇特的现象，与一般认为光沿着直线传播相悖，光竟然能沿着弯曲的水柱行进。经过研究，他发现这是一种特殊的全反射现象。这一年，在日内瓦，即现在的日内瓦大学，召开了一次自然科学讨论会，在这次会上，克莱顿首次当众做了一个十分精彩的公开表演，这就是利用水柱导光的实验。1884年克莱顿利用光的全反射效应对这个实验做了进一步的解释，并在法国自然科学学刊《法国科学院通报》上发表，在这篇文章中，克莱顿亲自配上了一幅插图，如 图2 所示，这就是被后人称作“克莱顿喷泉”的实验。

在大学期间，克莱顿选学的是法律，可他后来在法国巴黎的安培和傅里叶实验室工作，成为了一位实验物理学家。他与查理斯·斯特姆（Charles Sturm）测量过声速，证明了声音在水中传播的速度是在空气中的4倍。这个实验的规模很大，他们从瑞士、法国到英国先后做了几十次的实验，由于这一成果，他获得了法国巴黎科学院颁发的特等奖。除此以外，他还发明了可以漂浮在水面上的水力发电机，承包了日内瓦的城市汽灯照明系统，在1842年12月25日的圣诞节，他所发明的汽灯首次把日内瓦街道照得通明。

“克莱顿喷泉”实验启发了瑞士物理学家奥古斯汀·阿瑟（Auguste Arthur de la Rive），这是一位对电学和磁学非常感兴趣的人，他利用电弧光对克莱顿的实验做了进一步的改良。与此同时，法国物理学家、数学家和天文学家雅格·巴比涅（Jacques Babinet）也独立地做了类似的实验。而英国苏格兰物理学家约翰·丁达尔（John Tyndall）在1869年，即克莱顿表演的28年之后，也在伦敦英国皇家学院做了类似的公开表演。

1870年，丁达尔在他的《光学》一书里介绍了关于光的全反射现象，并计算出光在水和空气界面上发生全反射时的临界角大约是48°27′，如果水柱的弯曲超过了这个角，光就从水中逸出，透明玻璃与空气的临界角则是38°41′，而钻石的临界角是23°42′，介质的折射率越高，临界角越小，光越容易发生全反射，也就越容易在介质内传播。

受到“克莱顿喷泉”的启发，人们开始寻找合适的介质作为导光介质。实际上，不仅水可以导光，就是脱了色的人发、玻璃、塑料、金刚石等都可以导光， 图3 所示为光导纤维导光。光导纤维，简称光纤，它们甚至可以盘起来， 图4 所示就是一盘光纤，当用光照射它的一端时，光顺着光导纤维绕了数圈以后，居然从另一端传输出来，就像水在管子里流动一样，即使纤维表面是透明的，光也不会从里面泄露出来。光纤能把光锁定到材料里，这个奇特的性质使它有了深远的应用前景。为了研制光纤，人们想尽了各种办法寻找更好的导光材料，例如将透明度很高的石英玻璃用作导光管，制造出医用的内窥镜，例如胃镜，用它观察人体内的情况。但是随着距离的加大，光的损耗也随之加大，用这种导光材料传导远距离信号就受到了限制。直到20世纪60年代，最好的玻璃纤维衰减损耗仍然是每千米1000分贝以上，表明这种材料绝对不可以用于长距离通信，致使当时很多科学家放弃了玻璃纤维的研制。

1968年底，世界上第一根低损耗的光纤由美国康宁玻璃公司4名科学家创制成功，这4个人是罗伯特·马瑞尔（Robert D. Maurer）、彼得·舒尔茨（Peter C. Schults）、当尔德·凯科（Donld Keck）和弗兰克·吉马（Frank Zimar）。他们成功地研制出每千米只有17分贝信号衰减的光纤，这种光纤的透明度要高出普通玻璃数百倍，这一成果成为光纤用于通信的里程碑事件，光导纤维用于通信即将实现。 1970年2月2日 ，他们的这一成果刊登在美国《化学分析》杂志中。紧接着，又一好消息传来，1974年，美国贝尔研究所发明了气相沉积法，使光纤的损耗降低到了每千米1分贝，这一成果给世人带来了希望，光纤用于通信有了可能。 图5 是由光纤制成的光缆。

如今光纤通信已经成为现代通信的主要支柱之一，在现代通信网络中，这一技术起着举足轻重的作用。这门新技术的发展之快、应用面之广、信息容量之大、发展前景之深远达到了人类通信史上的又一巅峰，所有这一切的总源头，则是“克莱顿喷泉”的原始实验，从这一源头到实用通信技术整整经过了130年！

关键词： 光纤，让·丹尼尔·克莱顿，“克莱顿喷泉”，约翰·丁达尔，optical fiber，Jean Daniel Colladon，Colladon fountain，John Tyndall

图1： http://www.britannica.com/biography/John-Tyndall

图2、3、4： https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber

图5： http://hummer-co.com/en/?page_id=26 hXLhu3SW00wK2moFcfg560x5KbrAgbMnwnXKTFYrRQnGgEP/x1U+/9xgBzn1OPH3