神奇玻璃丝织出高速通信网 “追光”路上有哪些故事
2020年10月16日 05:38:19 来源: 浙江在线-浙江日报 记者 黄慧仙 通讯员 周立超

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  超细径高分辨立体显微内窥成像系统

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  微纳光纤干涉实验

  浙江在线10月16日讯(记者 黄慧仙 通讯员 周立超)“我们已实现微米量级的成像,建立了基于显微内镜的组织病理学诊断临床评价方法,并研制出具有自主知识产权的国产关键核心部件。”

  前不久,在成果发布会上,之江实验室超级感知研究中心副主任杨青带来了中心的最新成果——超细径高分辨立体显微内窥成像系统。

  未来,该套系统将实现多器官在体“光活检”,为多器官癌症等疾病的早期诊断和手术治疗提供新的技术路径。

  这,只是人们频频提及的光纤技术的一种应用。

  光纤,全称为光导纤维,它与头发丝一般粗细,通常由纤芯、包层和涂覆层构成。由于纤芯的折射率高于包层,因此光在纤芯和包层的边界处会发生反复全反射,使得光被束缚在纤芯中传输。

  在中国的传统神话故事中,盘古开天辟地后,双眼化为日月,从此世界有了光。

  如果说,盘古的这双“眼”点亮了世界,那么近代光纤技术的发展,则是让光连接了世界。

  在我们身处的每时每刻,数以亿计的信息正穿行于光纤之中,为地球织出一张高速通信之网,探测更多深层处不为人所知的奥秘……

  之江实验室的“追光”战果

  神奇的光纤甚至能被用于治疗顽疾。

  癌症是进入现代社会以来人类健康面临的最大威胁之一。据世界卫生组织统计,全球每年有近六分之一的人类死亡由癌症造成,其中临床表示出现较晚以及无法及时获得诊断和治疗,是癌症治愈率偏低的主要原因。

  在业内专家看来,尽早对早期癌症患者进行精准筛查、病情跟踪和诊疗干预,对提高癌症治愈率和5年存活率至关重要,同时也是践行精准医疗这一国家重大战略需求的重要目标任务。

  为此,之江实验室超级感知研究中心汇集国内优势力量,针对在体亚细胞量级的病理研究和多器官诊疗一体化的难题,打造超细径高分辨多方位立体显微内窥成像系统。

  据悉,该系统拥有高分辨率在体亚细胞成像、多方位成像、大视场共聚焦拼接、多模态集成封装、高精度立体图像重建及智能分析、可视化智能控制系统等多项核心技术,并建立基于显微内镜的在体组织病理学诊断临床评价方法。据项目负责人杨青介绍,这套系统之所以能够实现在人体器官内进行高分辨率、大视角的精准实时成像,与充分运用多模光纤技术密不成分。

  “我们运用多模态光纤技术搭建了共聚焦显微系统,有效解决了医务工作者在诊疗过程中遇到的器官尺寸差异大、活检位置和手术边界难确定、浸润程度难确定等现实问题,并且为科研人员研究癌症病理提供了直不雅观依据。”杨青说。

  目前,超细径电子内窥镜样机已进入产业化阶段。“有了这套系统,我们可以使用光学方法在患者体内及时地进行十分精准和精密的疾病筛查、跟踪、诊断和反馈,真正实现‘光活检’,发现多器官癌症、炎症等疾病并消灭在萌芽状态。”杨青说。

  光纤传感“大展拳脚”

  之江实验室成立了光纤传感研究中心。光纤传感,指对光纤经过特殊的处理和封装设计,使其中传输的光信号的特征参量能随着外界环境(如温度、应力、磁场等)的改变而发生变化,通过对输出光信号特征参量的探测解调,实现感知外界环境变量的技术。

  埋在地下的管道是否存在安全隐患?桥梁建筑是否需要修整完善?工厂机器出了故障怎么检测?看似毫无关联的三个问题,光纤传感技术都能告诉你答案。

  一套大型机械设备如果依靠人力排查故障,不仅耗时耗力效率低,还存在危险作业与排查疏漏的风险。而利用光纤传感,能够对设备进行远程实时监控,精准感知故障所在。

  比拟于传统的传感技术及设备,光纤传感器具有灵敏度高、耐压耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小、重量轻、可实现远程监测和多路复用等优势。

  现有的光纤传感器达上百种,已经实现了温度、应变、压力、液位、振动、加速度、磁场、电压等多种物理量的高灵敏度测量。

  这些光纤传感器或传感系统为管道桥梁结构监测、装备故障诊断、电力设施安全监测等众多领域提供了低成本、高效率的解决方案,就像“卫士”或者“医生”一样,保障了基础设施和设备的安全运行。

  为了更直不雅观地感受光纤传感技术,之江实验室光纤传感研究中心的科研人员张芳芳用光纤干涉仪为记者展示了生动的演示实验。

  在两段单模光纤之间熔接一段细径光纤,就构成了一个小型的马赫-曾德光纤干涉仪。信号光注入单模光纤,在第一个熔接点位置激发出许多包层模式,纤芯模式与包层模式在光纤中同时传输,在第二个熔点位置一同耦合进单模光纤的纤芯。由于存在光程差,纤芯模式和包层模式发生干涉,当满足必然条件(相位匹配)时,发生干涉相消,在光谱中表示为损耗峰。纤芯模式基本不受外界环境影响,而被激发的包层模式对外界环境敏感,因此外界扰动将导致光程差的变化,最终引起光谱变化。

  “以温度传感为例,简单来说,外界温度的改变一方面引起光纤折射率的改变,另一方面,光纤因热胀冷缩而发生形变。两个效应一起作用于光纤,导致光纤中的光信号特征参量改变,通过解调,就能得出外界温度的变化量。”张芳芳说。

  此类干涉仪另一个重要的应用是折射率传感。在实际生活中,如水质监测、病毒检测、食品生产过程监控等多个领域都有折射率传感的需求。

  张芳芳说:“拿病毒检测来说,用登革热病毒的抗体修饰光纤表面,传感器便可具备登革热病毒检测能力。当病人的血液或血清与光纤接触时,如果血液中有病毒,就会和抗体发生反应,引起干涉仪光谱波长漂移。漂移量的大小可以反映出病毒的浓度。”

  这个干涉仪还可用于应力应变传感。光纤应变传感器,在大型公共设施安全监控、灾害预警等方面大有可为。

  张芳芳说,例如针对高架桥梁安全检测,如果在高架桥中预先布设这样的传感器,就能对公共设施进行全天候的安全监测和健康状况诊断。一旦桥面有细微变化或抖动,都能通过光纤的数据监测出来,实现重大公共安全事件的提前预警。

  神奇玻璃丝支撑高速通信网

  一根根细如头发的光纤支撑起当下高速通信网络。

  为了更好地理解和认识光纤技术是如安在通信领域发挥作用的,张芳芳为记者做了柱状介质的导光演示实验。

  在实验中,张芳芳将有机玻璃(PMMA)当做光纤,通过将激光导入有机玻璃介质,演示光纤中光波的传播行为和传输路径。可以看到,由于折射率的不同,光线在有机玻璃介质和空气的交界面发生了反射,形成了类似螺旋状的传播线路。而通过改变入射角,我们可以实现对光束传输路径的调控。利用光在光纤中的这一特性,光纤可以用接近光速的速度传输语音、图像和其他信息,为现代高速通信搭建了信息传递之网。

  按照传输模式数目的多少,光纤可分为单模光纤和多模光纤。简单来说,单模光纤里,光只支持一种传输模式,从视觉上来看,只有一条直线传输路径。多模光纤则可以支持多种不同的传输模式,具有多条不同的传输路径。

  张芳芳进一步解释说:“在相同的情况下,单模光纤只能传输一种模式,传输过程比力不变,不容易串扰,因此光传输的过程中损耗较小,适合长距离的通信。而多模光纤则相反,容易产生串扰,相对来说损耗也较大,但因其支持多种模式,必然距离内可以实现更大容量的传输,因此更适合短距离通信。”

  追光路还在脚下延伸

  那么,你知道这根神奇的玻璃丝的来龙去脉吗?

  19世纪,英国物理学家约翰·廷德尔发现光可以沿着水流传播,水流改变标的目的后,光波标的目的也会跟着一起改变。

  基于这一现象,人们开始寻找能够导光的材料。20世纪50年代,导光的玻璃纤维被发现。由于光能传送信息,光纤通信的概念孕育而生。那时玻璃纤维中含有大量杂质,光纤制备工艺也不成熟,光在传导过程中会出现严重损耗,极大影响了光纤的应用。

  1964年,英籍华裔学者高锟提出,通过提升工艺,解决玻璃纯度和成分等问题,可以将光导纤维损耗从每公里1000分贝降至每公里20分贝以下,实现高效的信息传输。这一阈值的确立,为光纤通信打下了关键基础。1970年,美国康宁玻璃公司研制出世界上第一根超低损耗光纤,损耗为每公里20分贝。从此,光纤通信网络极速发展,将人类带入信息世界。因为在光纤领域的突出贡献,高锟被誉为“光纤之父”,并于2009年获诺贝尔物理学奖。

  1977年,美国在芝加哥首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。当时8.5微米波段的多模光波为第一代光纤通信系统。之后,在1981年、1984年以及19世纪80年代中后期,光纤通信系统迅速发展至第四代。第五代光纤通信系统则已达到应用标准,实现了光波的长距离传输。

  我国于1974年开始光纤通信技术的研究,在20世纪70年代至80年代完成了一系列实用工程,这也成为现如今国内光纤通信技术广泛应用的基础。20世纪90年代,光纤开始取代传统的电缆,我国光纤通信系统的国家干线逐步形成。截至2018年末,全国接入网络基本实现光纤化,光缆线路总长度稳居世界第一,全国光网城市全面建成,移动通信网络覆盖水平在全球领先,建成4G基站372万个,5G网络建设已全面启动。

  随着光纤技术的发展,微结构光纤、有源光纤、多芯光纤等特种光纤也相继出现,在激光传能、光束增益、光纤传感器、大容量通信等诸多方面展现出了独特的性能。短短数十年间,光纤技术已逐渐深入我们生活的诸多领域,其巨大的应用潜力正不竭带给我们惊喜与期待。

  正如一位科研人员所说,人类追光百年,开启了一个时代的巨幕,世界的动脉在光纤中流淌,让万物互联成为现实,使千里之外触手可及。追光的路还在脚下延伸。未来,光纤将衍生出更大的发展空间,科研人员也将继续捕捉光的力量,感知世界,改变未来。

  

标签: 责任编纂: 程登宇

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