“空氣”光纖或可實現超長距離通信 據稱可應用到人類未來的火星殖民地

右圖與圖中所示的傳統光纖一樣,空氣導波管外層的折射率要低于內部,以此引導光沿著管道傳播。

科技日報訊（記者張夢然）一項可實現超長距離通信的技術，甚至可應用到人類未來的火星殖民地——美國的科學家正在研制一種以空氣為材質的新型光纖。該光纖擺脫了固體材料自身性能的局限，能夠在太空中實現超遠距離的激光通信，同時還可以應用到大氣污染探測、高分辨率地圖、軍用激光武器等領域。

光纖通信之所以是一種高效率的通信方式，在于它利用固體材質的光纜，將光信號牢牢束縛在導波管之中，阻止光失去密度或焦點。一般情況下，光的密度會隨著傳播距離的增加而逐漸降低，即便是激光這種具備高度定向的光束也一樣。同時，它還無法避免因為空氣中其他氣體的干擾而失去焦點。

據英國《每日郵報》在線版7月29日報道稱，目前的光纖產品，其結構一般由透明的玻璃管芯和由低折射材料制成的包裹外皮組成。外皮的作用是當光試圖逃逸出管芯時，將其反射回來。不過，固體材料有著明顯的短板。一是能夠控制和駕馭的能量有限，二是離不開鋪設管道、安裝支架等外部支持，使其無法在諸如大氣層甚至太空這樣的特殊環境中發揮作用。

針對這一情況，本次研究的主持者、美國馬里蘭大學物理學教授霍華德·米爾克伯格，將目光大膽投向了無形的空氣。他和自己的團隊創新出一種可以讓空氣具備玻璃導波管一樣作用的方法。據其刊發在《光學》月刊上的論文介紹，空氣導波管的結構為：一個由低密度空氣組成的“外壁”，包裹著充滿高密度空氣的內芯。而與普通光纖一樣，外壁的折射率要低于內芯。這種結構的“空氣”導波管能夠長距離、無損耗地傳送光信號。

霍華德團隊制造空氣導波管的方法，是使用超強激光脈沖。激光脈沖能夠在空氣中電離出很細的“光絲”，而這些光絲會提高周圍空氣的溫度，令空氣擴散，并在其經過之后留下一條低密度的、內部空氣折射率低于外部氣體的空洞。

光絲存在的時間短得驚人，只有約一萬億分之一秒，而空洞則可以存活幾毫秒，幾乎是激光脈沖的一百萬倍。霍華德團隊認為，正因為空氣導波管能夠較長時間的存在，因而單個的它就可以傳導激光并收集信號。

目前霍華德的團隊正在致力使空氣導波管的長度達到至少50米。憑借該技術，我們不僅可以對大氣上層或核反應堆這樣的極端環境進行化學分析，改進激光雷達的性能以繪制高分辨率的三維地形圖，最終還能在太空中的任意地方隨時交流——讓人類未來的通信方式發生質的改變。