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(xiàn)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(fā)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(fā)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(shù)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(jīng)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(chǎn)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(fā)表自己的結果。

Babinet在光學界大大有名，學過經(jīng)典光學里的衍射現(xiàn)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(fā)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(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。

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(fā)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(fā)現(xiàn)用彎曲的水流可以傳輸光?？善屡c愿違，后世光纖光學界卻把這一發(fā)現(xiàn)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(jīng)在13年以前演示過的實驗。在1987年，美國光學協(xié)會和IEEE Photonics Society共同建立了以John Tyndall命名的獎項，每年頒發(fā)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(fā)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(xiàn)。1960年激光器的發(fā)明使光纖光學作為一門嶄新的學科得以迅猛發(fā)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(jīng)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(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現(xiàn)象十分豐富，已經(jīng)單獨發(fā)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(xiàn)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(xiàn)象。與其他非線性光學現(xiàn)象類似，自相位調制能夠產(chǎn)生新的光學頻率，因此經(jīng)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(jīng)成為獲得超短脈沖的常見手段。

但很多人也因此產(chǎn)生誤解，以為自相位調制只會通過產(chǎn)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?shù)羲胸撨焙?，此時脈沖為變換極限脈沖。

審核編輯：劉清