铠甲勇士之光影传奇 物理学奖：光影传奇
时间：2020-07-23 07:58:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
关于光纤通信和数字图像的研究,帮助构建了当今的信息时代 10月6日下午,2009年诺贝尔物理学奖揭晓,高锟与美国贝尔实验室的威拉德・博伊尔(Willard Boyle)、乔治・史密斯(George Smith)共获殊荣。高锟的获奖成果,是在英国标准电讯实验室完成的。后来,他在香港中文大学做过九年校长(1987年至1996年),直至退休。
由于在光纤通信领域的开创性成就,高锟将获得约140万美元奖金的一半,博伊尔和史密斯发明了用于数字图像技术的CCD传感器,将各获四分之一的奖金。
三位科学家40年前的研究,帮助构建了当下的信息时代,也为自己赢得了诺贝尔奖。
高锟与低损耗光纤
20世纪60年代初,激光器的发明给光通信研究带来了新的希望――激光束不仅具有亮度高等优点,还可以在光纤中传播。
但由于缺乏稳定、可靠和低损耗的传输介质,光通信似乎仍是一个遥不可及的目标,因为光信号在当时的光纤材料中只能传输20米。
当时,高锟是国际电话电报公司旗下英国标准电讯实验室的一名研究人员。他1933年11月出生在上海的一个书香门第,孩提时代的他就喜欢科学实验,甚至自制过小型炸药弹丸。
后来,高锟随家人迁居香港,曾在香港圣约瑟书院就读。1954年,他远赴英伦,在伦敦大学攻读电机工程。
与不少同行因此对光纤传输的技术前景产生怀疑不同,高锟研究团队认为更值得关注的,是光纤原材料问题。
他后来回忆道:“那时面对的最大难题,就是玻璃的杂质问题。玻璃看似透明,其实杂有不纯的元素,所以我们构想,假若有一种没有杂质的玻璃,光波的传导就不会衰减。”
1966年6月,高锟与同事乔治・霍肯(George Hockham)在《电气电子工程师学会学报》上发表题为“用于光频的光纤表面波导”的论文指出,提纯原材料后可制造出适合长距离通信使用的低损耗光纤:在纯的玻璃纤维中,光信号可传输100公里以上。
这一研究奠定了光纤通信的基础。这一年,他年仅32岁。1970年,美国康宁公司研制出第一种超纯光纤。1975年,英国安装了世界上第一套光纤通信系统。
北京邮电大学前校长林金桐对记者说:“从高锟和霍肯的论文,到世界上第一个商用光纤通信系统的诞生,仅用了十年时间,这在重大科学研究成果向现实生产力转化的众多案例中,显得格外突出。”
诺贝尔奖评委会在新闻公报中表示,这些低损耗的玻璃纤维推动了因特网等宽带通信的发展,光在这些玻璃纤维中流动,文本、音乐、图像和视频可在瞬间进行全球传输,“如果我们拆开密布全球的玻璃纤维,将得到一条10亿公里以上的长线,足够环绕地球2.5万多圈。”
香港中文大学前任校长金耀基甚至将高锟研究成果的重要性,与印刷术、火药、指南针等中国古代发明相提并论,“今天生活在网络社会,就是因为光纤的发明改变了我们的生活。”(更多关于高锟的资料,见本期“华人”栏目)
贝尔实验室和CCD
在现代的高速网络通信中,数字图像是最主要的承载内容,而这很大程度上要归功于本年度诺贝尔物理学奖的另一项获奖内容――美国朗讯公司贝尔实验室的威拉德・博伊尔和乔治・史密斯发明的用于数字图像的装置:电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)。
博伊尔1924年出生于加拿大,26岁时在加拿大麦基尔大学获得博士学位。他在1953年加入贝尔实验室,并在1962年与同事首先发明了可以连续运行的红宝石激光器。
史密斯1930年出生于美国,29岁时在美国芝加哥大学获得博士学位后也进入贝尔实验室。
1969年10月的一天,史密斯走进同在贝尔实验室半导体研究部门工作的博伊尔的办公室,两人进行了一场“头脑风暴”。在不到两个小时的时间里,博伊尔和史密斯在黑板上大致勾绘出一种新装置的蓝图,两人将其命名为电荷耦合器件。
这种新技术的源头,还要追溯到爱因斯坦提出的光电效应,即通过光电效应,光可以被转变为电信号。然而,如何在极短时间内收集并读出信号,看上去却是一个无法逾越的技术挑战。因此,一开始,很多同行都对CCD的概念嗤之以鼻。
但博伊尔和史密斯坚信自己的想法,并成功地将蓝图变成了现实。他们采用特殊的硅半导体材料,并将硅片细分为一个个“单元格”或者说“像素”,这样,当光照射到像素之上,会产生信号电荷。当时,很多电子器件以电流或电压作为信号,CCD则采用电荷作为信号。
信号电荷不仅可以在CCD内存贮,还可以穿越一排排的“像素”,在电极与电极之间快速传输(电荷耦合),并最终被读出。
CCD的发明,带来了摄影的一场革命。光能够被电子化捕捉,而不再需要传统的感光胶卷,数码相机也得以走进千家万户。
此外,在医学等诸多领域,CCD技术均有广泛应用,数字摄影已经成为不可取代的工具。诺贝尔奖评委会在新闻公报中称,从遥远的宇宙到海洋深处,即使是先前一些无法看到的事物,“CCD技术都能为我们提供水晶般清晰的图像”。
而“潮平岸阔”,大概可以同时用来形容光纤通信和数字图像技术的发展,以及三位诺贝尔物理学奖得主科研生涯的写照。(李虎军、王端)
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