安全激光：將音頻信息定向發送給指定人物！

導讀

近日，美國麻省理工學院林肯實驗室研究人員們演示了一種「神奇」的激光。它無需藉助任何接收設備，就能將「可聽得到的」信息發送給特定的人。

背景

光與聲，表面上似乎是兩種截然不同的物理現象，但本質上其實都是波，有著許多相同或相似之處。在漢語中，我們形容「聲音響」和「光線強」都會用到一個「亮」字，比如說，聲音用「響亮」，光線用「明亮」。或許，這說明古人已經感覺到光與聲之間存在著關聯。

揭示這種奇妙的關聯，「光聲效應」便是一個很好的例子。簡單說，光聲效應是指，當物體接收光線照射時產生聲波的物理現象。再詳細一點解釋，其原理就是：

用光照射某種媒質時，由於媒質對光的吸收會使其內部的溫度改變，從而引起媒質內某些區域結構和體積變化；當採用脈衝光源或調製光源時，媒質溫度的升降會引起媒質的體積漲縮，因而可以向外輻射聲波。

光聲效應，是被譽為「電話之父」的亞歷山大·格拉漢姆·貝爾（A.G.Bell）於1880年發現的。當時，他正在通過「光線電話（photophone）」進行長距離聲音傳送實驗。其實，不同於普通電話，光線電話是依靠光線而不是電流作為能量載體的，所以它簡稱「光話」可能會更貼切一點。

簡單說，當時的「光話」裝置，是用透鏡將攜帶語音信號的太陽光引導至接聽者。接下來，讓我們來分別看看「光話」的發送端與接收端裝置。

發送端裝置圖展示了反射的太陽光在調製前與調製後的傳播路徑（圖片來源：維基百科）

接收端裝置圖描繪了調製後的光線轉化為聲音，以及電源P（圖片來源：維基百科）

在研究「光話」的過程中，貝爾收穫了意外的驚喜。他觀察到，當經過調製的太陽光照射固體樣本時，樣本會直接產生出聲波。最初是在固體樣本中，之後在氣體和液體樣本中也觀察到同樣的現象。同時，他也發現生成的聲學信號取決於材料的類型。

然而遺憾的是，因為傳播聲音的效果差且受制於諸多環境因素，這種通信技術日後並未得到應用，而是被人們遺忘多年。此後半個多世紀，光聲效應的應用都未能達到發展。但是，這不代表這項技術已經走向終結，轉機出現在上世紀60年代之後。激光技術的出現，為人類帶來了乾淨、可靠、高能的新光源，讓光聲技術重新煥發活力。

各種色彩的激光（圖片來源：維基百科）

創新

今天，筆者要為大家介紹「光聲效應」的一項最新應用。

近日，美國麻省理工學院林肯實驗室研究人員們演示了一種「神奇」的激光，將「可聽得到的」信息發送給特定的人，並且無需藉助任何接收設備。這種在空中發送高度定向的音頻信號的能力，可用於跨越喧鬧的房間進行通信，或者提醒重要人物有危險情況發生，例如有持槍的刺客出現。

（圖片來源：麻省理工學院林肯實驗室）

在美國光學會（OSA）期刊《Optics Letters》上，研究人員們報告稱，採用基於激光的兩種不同方法，以正常會話的音量傳輸各種音調、音樂、錄音。

技術

新方法基於光聲效應。在這個案例中，研究人員們採用空氣中的水蒸氣吸收光線，產生聲音。

研究團隊負責人 Charles M. Wynn 表示：「即使在相對乾燥的環境中，這項技術也可以使用，因為空氣中幾乎總是有那麼一點點水分，特別是人的周圍。我們發現，如果我們使用能被水分強烈吸收的激光波長，那麼就不需要很多的水。這一點很關鍵，因為吸收越強烈，產生的聲音就越多。」

（圖片來源：麻省理工學院林肯實驗室）

其中一個新型聲音傳送方案，來源於一項稱為「動態光聲光譜（DPAS）」的技術，這項技術是研究人員之前為化學檢測開發的。在更為早期的研究中，他們發現聲速掃描激光束有助於改善化學反應。

論文第一作者 Ryan M. Sullenberger 表示：「聲速是一種非常特殊的速度。在這篇新論文中，我們展示了聲速掃描激光束（其波長處於可以被水分吸收的範圍）將成為一種產生聲音的有效途徑。」

在DPAS相關的方案中，研究人員改變了激光掃描的長度，從而在光線中編碼不同頻率，或者可聽得到的音高。這種激光掃描技術的一個特點就是，信號只能在距離發射器特定遠處被聽到。這意味著，消息可定向發送至目標人物，而不是穿過光束的每個人。此外，它也為將消息定向傳送至多人開闢了可能性。

在實驗室中，研究人員們演示了利用這種激光掃描技術，通過一個商用設備將60分貝的聲音傳輸至2.5米之外的指定人物。他們相信，這個系統很容易擴展至更遠的距離。他們也測試了一種傳統的光聲方案，該方案無需掃描激光，並通過調製激光束的功率來編碼音頻信息。

Sullenberger 表示：「這兩項技術之間存在權衡取捨。傳統光聲方案帶來了更高保真度的聲音，而激光掃描方案帶來了更響亮的聲音。」

通過光聲效應發送能被聽到的信息（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Wynn 表示：「我們的系統可用於在一定距離之外將信息直接傳送至某人耳中。這是首個利用對人眼及皮膚完全安全的激光在任意環境中將音頻信號傳送至特定人物的系統。」

未來

接下來，研究人員們計劃在戶外演示更遠距離的方案。Sullenberger 表示：「我們希望它將最終變為一個商用技術。這項技術有著許多振奮人心的可能性，我們想要開發出一種多用途的通信技術。」

關鍵字

光聲效應、激光、通信

參考資料

【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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