第2节
光波导传感器与缺陷
光子设备包括多种类型的传感器，对光纤来说，在沿光纤的不同点上，这些传感器可能会发挥不同的作用。光纤传感器不仅可以用作固定位置的传感器，还可以提供信息，这些信息来自传感设备连续长度内的不同光纤段。这些传感器的设计制造需要通过加入合适的杂质或其他缺陷，使其性质能够随热量、压力、辐射、应变、化学变化或湿度等因素而变化。如果光纤的局部区域发生改变（如因受热而发生变化），则折射率将发生改变，因此，当我们用光纤传输光脉冲时，大部分光脉冲可以到达远端，但有一小部分光将从具有不同反射率的区域边界反射出来。只需记录发送反射脉冲与接收反射脉冲之间的时间间隔，就能知道到光纤变化部分的距离。反射信号的强度反映了变化的程度，通过改变波长，我们也可以探测出其他性质。从概念上来说，这就像蝙蝠声呐一样，回声、频率响应和强度都有助于确定反射器的距离、大小和类型。工程师们希望强调他们取得了全新的重大进展，因此针对光纤中与蝙蝠声呐原理相同的方法，他们发明了一个新名称，“时域反射计”（Time Domain Reflectometry）。
现在，在建筑物和桥梁中安装光纤传感器已成为惯例。这些传感器可以探测火灾，也能监测地震的影响，风导致的混凝土畸变或其他部件屈伸以及道路工程造成的损坏等。重大故障会破坏光纤，因此通过“时域反射计”可以找出断点位置，偏差只有几毫米。玻璃纤维会因应力而断裂，悬索桥的钢索也会断裂。近年来，人们已经意识到这一问题的严重性，并利用光纤探测器和传声器来记录每一次断裂事件，并试图找到它的位置。许多较旧的悬索桥已有多达10%的连续钢索断裂，人们担心更加沉重的交通荷载和日益脆弱的结构最终会导致坍塌。
使用了光纤的分布式辐射传感器非常适合在核反应堆堆芯附近的区域进行监测，因为这是人类无法进行操作的区域，许多电子系统会因背景辐射而遭到严重的破坏。近些年，光纤传感器也被用于医学，检测血流量和血氧量。我们可以将光纤内置于衣服中，使其通过相关的发射器发出连续的信号，不需要再将电缆和管道等物连接到患者身上。
光纤传感器可以提供不同类型的数据记录，可是人们常常忽视掉那些用不到的信号。这种疏忽的案例有很多。一个典型的例子是，早在地面测量发现臭氧耗竭问题之前，通过空气记录的数据就已经反映了这一问题，但人们未能意识到南极上空臭氧空洞的形成。
光子晶体结构
光子学的未来有许多可能性与奇特的潜在用途，包括隐形斗篷等话题。还可以通过许多意想不到的方式来引导光或选择性地阻挡或透射某些特定颜色的光。要实现这些目标，材料的构成必须均匀，包含一个在中心的固态核，四周为一系列平行的孔洞。如果孔洞与结构都达到光学波长的尺度，那么光波正好能感应到平均玻璃密度。打孔玻璃平均密度较低，因此折射率较低。这是制作光波导的一种途径。图12.7提供了一个示例。光的透射和反射由两列光波大规模的干涉决定，发生干涉的两列波的波长往往相同。这种吸收和着色效应的尺度与晶体中简单的“点”缺陷和吸收格位的纳米原子尺度截然不同。从性质上来说，这些光子晶体结构还有其他特异之处，比如它们可以阻挡或传输特定波长或使所有颜色的光以相同的速度传播（即恒定的折射率）。人们早已理解了其中的理论，但直到近30年才开始设计和制造这些作用于光学波长的光子晶体。我相信，新的想法和用途将源源不断地出现，光子晶体将进一步增加光子元件的多样性。
图12.7 光子晶体结构
注：在光学波长的尺度上控制孔洞模式，使其可以传输、弯曲、选择或阻挡光线，或者使不同的波长以相同的速度传输。
隐形斗篷
科幻小说中所描写的隐形斗篷可能不会在现实中出现，但将物体包裹起来，使其不那么明显是绝对有可能实现的。早在多年前，多层抗反射涂层就已应用于光学领域，因此我们可以将透明物体伪装成隐形的。这一结果对多种光学器件都很有价值，从防眩光玻璃和不反光的电视屏幕，到狙击手步枪上的望远镜（这种望远镜并不会暴露狙击手的位置）。低反射率也有不利的一面，它可能导致人和其他动物难以注意到窗户或物体。
制作不透明固体的隐形斗篷虽然颇具挑战性，但在有限的光谱范围内并非完全不可能。人们在早期进行过一些尝试，比如设计制造与普通玻璃等具有反向色散的材料。因此，与波长越短折射率越大（就像玻璃棱镜一样）的情况相反，新材料的折射率随波长增加而增加。这种结果出人意料，就像看到一道颜色排列顺序相反的主彩虹一样。给一些较小的物体涂上这种涂层，光会在它们周围偏向并继续传播，就仿佛这个物体并不存在。目前的案例大多只在实验室内完成，但我认为这个话题领域仍会不断发展。其中一个重要原因在于，它获得了大量的军方投资。
隐形斗篷不仅限于微小物体，为了强调这一点，我们可以留意一个事件，即2009年，法国和英国的核潜艇在大西洋发生的一次小规模碰撞。两个国家都具备非常先进的声呐隐形斗篷。声呐的波长比光的波长长，但这一事件表明，光学上的隐形也是可行的。