安全激光：将音频信息定向发送给指定人物！

导读

近日，美国麻省理工学院林肯实验室研究人员们演示了一种“神奇”的激光。它无需借助任何接收设备，就能将“可听得到的”信息发送给特定的人。

背景

光与声，表面上似乎是两种截然不同的物理现象，但本质上其实都是波，有着许多相同或相似之处。在汉语中，我们形容“声音响”和“光线强”都会用到一个“亮”字，比如说，声音用“响亮”，光线用“明亮”。或许，这说明古人已经感觉到光与声之间存在着关联。

揭示这种奇妙的关联，“光声效应”便是一个很好的例子。简单说，光声效应是指，当物体接收光线照射时产生声波的物理现象。再详细一点解释，其原理就是：

用光照射某种媒质时，由于媒质对光的吸收会使其内部的温度改变，从而引起媒质内某些区域结构和体积变化；当采用脉冲光源或调制光源时，媒质温度的升降会引起媒质的体积涨缩，因而可以向外辐射声波。

光声效应，是被誉为“电话之父”的亚历山大·格拉汉姆·贝尔（A.G.Bell）于1880年发现的。当时，他正在通过“光线电话（photophone）”进行长距离声音传送实验。其实，不同于普通电话，光线电话是依靠光线而不是电流作为能量载体的，所以它简称“光话”可能会更贴切一点。

简单说，当时的“光话”装置，是用透镜将携带语音信号的太阳光引导至接听者。接下来，让我们来分别看看“光话”的发送端与接收端装置。

发送端装置图展示了反射的太阳光在调制前与调制后的传播路径（图片来源：维基百科）

接收端装置图描绘了调制后的光线转化为声音，以及电源P（图片来源：维基百科）

在研究“光话”的过程中，贝尔收获了意外的惊喜。他观察到，当经过调制的太阳光照射固体样本时，样本会直接产生出声波。最初是在固体样本中，之后在气体和液体样本中也观察到同样的现象。同时，他也发现生成的声学信号取决于材料的类型。

然而遗憾的是，因为传播声音的效果差且受制于诸多环境因素，这种通信技术日后并未得到应用，而是被人们遗忘多年。此后半个多世纪，光声效应的应用都未能达到发展。但是，这不代表这项技术已经走向终结，转机出现在上世纪60年代之后。激光技术的出现，为人类带来了干净、可靠、高能的新光源，让光声技术重新焕发活力。

各种色彩的激光（图片来源：维基百科）

创新

今天，笔者要为大家介绍“光声效应”的一项最新应用。

近日，美国麻省理工学院林肯实验室研究人员们演示了一种“神奇”的激光，将“可听得到的”信息发送给特定的人，并且无需借助任何接收设备。这种在空中发送高度定向的音频信号的能力，可用于跨越喧闹的房间进行通信，或者提醒重要人物有危险情况发生，例如有持枪的刺客出现。

（图片来源：麻省理工学院林肯实验室）

在美国光学会（OSA）期刊《Optics Letters》上，研究人员们报告称，采用基于激光的两种不同方法，以正常会话的音量传输各种音调、音乐、录音。

技术

新方法基于光声效应。在这个案例中，研究人员们采用空气中的水蒸气吸收光线，产生声音。

研究团队负责人 Charles M. Wynn 表示：“即使在相对干燥的环境中，这项技术也可以使用，因为空气中几乎总是有那么一点点水分，特别是人的周围。我们发现，如果我们使用能被水分强烈吸收的激光波长，那么就不需要很多的水。这一点很关键，因为吸收越强烈，产生的声音就越多。”

Ryan M. Sullenberger 和 Charles M. Wynn（图片来源：麻省理工学院林肯实验室）

其中一个新型声音传送方案，来源于一项称为“动态光声光谱（DPAS）”的技术，这项技术是研究人员之前为化学检测开发的。在更为早期的研究中，他们发现声速扫描激光束有助于改善化学反应。

论文第一作者 Ryan M. Sullenberger 表示：“声速是一种非常特殊的速度。在这篇新论文中，我们展示了声速扫描激光束（其波长处于可以被水分吸收的范围）将成为一种产生声音的有效途径。”

在DPAS相关的方案中，研究人员改变了激光扫描的长度，从而在光线中编码不同频率，或者可听得到的音高。这种激光扫描技术的一个特点就是，信号只能在距离发射器特定远处被听到。这意味着，消息可定向发送至目标人物，而不是穿过光束的每个人。此外，它也为将消息定向传送至多人开辟了可能性。

在实验室中，研究人员们演示了利用这种激光扫描技术，通过一个商用设备将60分贝的声音传输至2.5米之外的指定人物。他们相信，这个系统很容易扩展至更远的距离。他们也测试了一种传统的光声方案，该方案无需扫描激光，并通过调制激光束的功率来编码音频信息。

Sullenberger 表示：“这两项技术之间存在权衡取舍。传统光声方案带来了更高保真度的声音，而激光扫描方案带来了更响亮的声音。”

通过光声效应发送能被听到的信息（图片来源：参考资料【2】）

价值

Wynn 表示：“我们的系统可用于在一定距离之外将信息直接传送至某人耳中。这是首个利用对人眼及皮肤完全安全的激光在任意环境中将音频信号传送至特定人物的系统。”

未来

接下来，研究人员们计划在户外演示更远距离的方案。Sullenberger 表示：“我们希望它将最终变为一个商用技术。这项技术有着许多振奋人心的可能性，我们想要开发出一种多用途的通信技术。”

关键字

光声效应、激光、通信

参考资料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2019/new_technology_uses_lasers_to_transmit_audible_mes/?feed=osanews

【2】R. M. Sullenberger, S. Kaushik, C. M. Wynn. “Photoacoustic communications: delivering audible signals via absorption of light by atmospheric H₂O,” Opt. Lett., 44, 3, 622-625 (2019).
DOI: https://doi.org/10.1364/OL.44.000622.

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