海洋科普 | “指路明燈”——燈塔的光學(xué)奧秘

燈塔，常常見諸于詩(shī)歌、小說(shuō)、影視劇等，被賦予“指路明燈”的重要意義，近年來(lái)也成為人們爭(zhēng)相打卡的地標(biāo)性建筑。大家喜歡燈塔的偉岸、神秘，贊揚(yáng)“指路明燈”的偉大，卻對(duì)它的發(fā)光原理不甚了解。 燈塔之光究竟可以照多遠(yuǎn)？小小燈泡為什么能有那么強(qiáng)大的射程？發(fā)射出來(lái)的光線又是如何閃爍的？接下來(lái)，逐一解答——

燈塔的光能照多遠(yuǎn)？

1海里 = 1.852公里 。也就是說(shuō)，很多一級(jí)燈塔發(fā)出的光能繞西湖三圈多！

而在燈器內(nèi)部，只有一個(gè)小小的燈泡或燈管，增加射程的功臣還得看發(fā)光體外圍的透鏡。

如今，菲涅爾透鏡被廣泛運(yùn)用于燈塔燈器。

菲涅爾透鏡的奧秘

在菲涅爾的發(fā)明之前，最明亮的燈塔光束也只有 10海里 左右的射程，而透過(guò)菲涅爾透鏡發(fā)出的光整整 增強(qiáng)了一倍 。

這是因?yàn)橛妹骰饡?huì)損失近97%的光，使用反射鏡會(huì)損失約60%-80%的光，但是菲涅爾透鏡最多只會(huì)損失20%的光。相較于普通的凸透鏡只能在與光的交界面發(fā)生折射反應(yīng)，菲涅爾透鏡把玻璃平面由外向內(nèi)刻畫出一圈一圈的同心圓，中心保留一塊球面。

從剖面看，就好像在一條橢圓弧線兩邊形成了一個(gè)個(gè)鋸齒形凹槽，每個(gè)凹槽都能作為一個(gè)獨(dú)立的小透鏡。

這樣，幾乎所有的光線都可以被捕獲進(jìn)來(lái)，然后以平行光束發(fā)射出去。

就像這樣

由于中間的球面凸鏡形似牛眼，所以菲涅爾透鏡也被俗稱為“牛眼透鏡”。“牛眼”一瞪，光芒遠(yuǎn)照海天，為南來(lái)北往的船只指引航向。

不過(guò)，要想導(dǎo)航，只靠燈亮可不夠。

每座燈塔都有規(guī)定的燈質(zhì)，一般為不同節(jié)奏的閃光，這種間隔光線可使船舶在惡劣氣候下更容易捕捉到燈光信號(hào)。

閃光如何實(shí)現(xiàn)？

大家比較容易想到的可能是通過(guò)電組件按一定頻率開關(guān)電源來(lái)讓燈光閃爍。

此外，還有一種方式——光源始終開著，將鏡頭圍繞光源旋轉(zhuǎn)，閃爍的光線就映照在了船員眼中。

鏡頭是怎么轉(zhuǎn)起來(lái)的呢？

現(xiàn)在的燈塔基本都使用步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)，以滿足不同燈質(zhì)的要求。

更久遠(yuǎn)的時(shí)候，則是以重錘下落時(shí)產(chǎn)生的重力勢(shì)能作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，再通過(guò)齒輪的嚙合進(jìn)行減速。

每隔一到兩個(gè)小時(shí)，燈塔工要將落到底部的重錘再搖上去。如此循環(huán)往復(fù)。

另外，旋轉(zhuǎn)機(jī)組中還有一個(gè)重要角色——水銀浮槽。

因?yàn)橛行┐笮蜔羲耐哥R足足有數(shù)噸重，為了減輕轉(zhuǎn)臺(tái)承重，就將透鏡懸浮在水銀槽上，可以有效減少摩擦。

航標(biāo)的科技含量和現(xiàn)代化程度越來(lái)越高，運(yùn)行也越來(lái)越穩(wěn)定，燈塔作為重要的助航標(biāo)志，除了通過(guò)配備視覺航標(biāo)設(shè)備外，現(xiàn)在還通過(guò)配備霧號(hào)等音響航標(biāo)、無(wú)線電指向標(biāo)、雷達(dá)應(yīng)答器、AIS岸基站、VTS雷達(dá)站、DGPS基準(zhǔn)站等導(dǎo)助航設(shè)備來(lái)發(fā)揮作用。燈塔通過(guò)能最大限度捕集光線的透鏡、凝結(jié)智慧的旋轉(zhuǎn)機(jī)組，還有閃爍著不同節(jié)奏光線的燈質(zhì)，用它獨(dú)有的方式提供精準(zhǔn)的導(dǎo)助航服務(wù)，以“明燈”為過(guò)往船舶“指路”引航，用無(wú)言的堅(jiān)守為交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)奉獻(xiàn)出自己的光熱，新時(shí)期的航保人也將緊跟時(shí)代步伐，不忘初心，砥礪前行。

海一言不發(fā)

守在鴻蒙初開時(shí)她就在的地方

亙古、遼闊、深邃

千百年來(lái)，始終如一

永遠(yuǎn)不會(huì)老去，也永遠(yuǎn)不會(huì)失去魅力

矗立在海上島嶼的燈塔亦如是

安靜而堅(jiān)定地守護(hù)著過(guò)往船只

既照來(lái)路，也照歸途

相信航標(biāo)燈的光能帶我們繼往開來(lái)

接續(xù)奮進(jìn)，迎來(lái)更加燦爛輝煌的明天！

文章來(lái)源：原刊于“中國(guó)水運(yùn)網(wǎng)”，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及由中國(guó)海洋發(fā)展研究中心編排