Sử dụng ánh sáng để liên lạc xuyên suốt lịch sử

Giao tiếp rất quan trọng để chia sẻ thông tin và kết nối với những người khác. Một trong những hình thức giao tiếp phổ biến và lâu dài nhất là thông qua tín hiệu ánh sáng. Sử dụng ánh sáng và các kiểu chiếu sáng mang lại cách truyền tải thông điệp một cách trực quan trên cả khoảng cách ngắn và dài.

Việc sử dụng tín hiệu ánh sáng và truyền thông quang học đã có từ hàng ngàn năm trước. Các nền văn minh cổ đại như Hy Lạp, La Mã, Trung Quốc và Ai Cập đều có hệ thống truyền tín hiệu sử dụng đuốc, đèn hoặc gương có thể chuyển tiếp các thông điệp định trước. Giao tiếp bằng ánh sáng cơ bản nhất bao gồm các tín hiệu đơn giản như ngọn đuốc sáng trong tháp cảnh báo nguy hiểm. Các hệ thống tín hiệu được mã hóa phức tạp hơn cũng xuất hiện, đặc biệt là cho các hoạt động quân sự.

Theo thời gian, tín hiệu ánh sáng trở nên tiên tiến hơn cùng với sự phát triển của hệ thống điện báo quang học chuyên dụng vào thế kỷ 18 và 19. Những máy điện báo quang học này sử dụng cánh tay semaphore hoặc cửa chớp để truyền tải thông tin giữa các trạm trong một đường ngắm. Sự ra đời của mã Morse và đường dây điện báo cuối cùng đã khiến những máy điện báo quang học này trở nên lỗi thời. Tuy nhiên, ngày nay ánh sáng vẫn tiếp tục được sử dụng để liên lạc theo nhiều cách. Từ tín hiệu khói đến internet cáp quang, ánh sáng tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền thông tin qua khoảng cách trong nhiều ứng dụng.

Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về một số cách khai thác ánh sáng khác nhau cho mục đích liên lạc, cả trong quá khứ và hiện tại. Chúng ta sẽ khám phá một số hệ thống điện báo quang học tiên phong ban đầu cũng như các công nghệ hiện đại như laser và sợi quang. Trong khi ngôn ngữ và phương thức giao tiếp đã phát triển, ánh sáng vẫn là một trong những phương tiện phổ biến và hiệu quả nhất để truyền tải thông điệp.

Mã Morse

Mã Morse là một trong những hình thức sử dụng ánh sáng để liên lạc sớm nhất và lâu dài nhất. Nó truyền tin nhắn bằng cách bật và tắt tín hiệu quang hoặc âm thanh theo các mẫu tương ứng với các chữ cái, số và dấu câu của tin nhắn.

Hệ thống phổ biến nhất của mã Morse sử dụng các xung ánh sáng hoặc âm thanh ngắn và dài để biểu thị các dấu chấm và dấu gạch ngang tạo nên các chữ cái và số riêng lẻ. Ví dụ: chữ ‘A’ được biểu thị bằng xung ngắn (dấu chấm), khoảng im lặng dài hơn một chút và sau đó là xung dài (dấu gạch ngang). Các số từ 1 đến 5 được ký hiệu là:

• 1 = .—
• 2 = ..—
• 3 = …–
• 4 = ….-
• 5 =…..

Với sự kết hợp của dấu chấm, dấu gạch ngang và dấu cách giữa mỗi ký tự, các câu đầy đủ có thể được truyền đi khoảng cách xa bằng mã Morse. Ban đầu nó được phát triển vào những năm 1830 để sử dụng với điện báo, gửi các xung dòng điện để điều khiển một nam châm điện và tạo ra tiếng click mà người vận hành có thể hiểu được.

Mã Morse sau đó đã được điều chỉnh cho các phương pháp truyền tin nhắn khác qua khoảng cách bằng cách sử dụng đèn nhấp nháy (gọi là đèn tín hiệu), âm thanh và đèn hiệu tàu hoặc ngọn hải đăng nhấp nháy. Ngày nay nó vẫn được sử dụng bởi các nhà khai thác vô tuyến nghiệp dư cũng như đối với một số tín hiệu cấp cứu tự động như SOS.

Học mã Morse cần phải thực hành nhưng có thể học dễ dàng hơn nhờ sự trợ giúp của biểu đồ, ứng dụng, trò chơi và sự lặp lại âm thanh của các chữ cái phổ biến nhất. Với trình độ thông thạo, tin nhắn có thể được gửi và nhận với tốc độ nhanh hơn gần hoặc vượt quá 20 từ mỗi phút. Mặc dù được phát minh cách đây gần 200 năm, mã Morse vẫn là một cách hiệu quả để liên lạc qua khoảng cách bằng cách sử dụng các xung ánh sáng hoặc âm thanh đơn giản.

Đèn tín hiệu

Đèn tín hiệu là một cách trực quan để liên lạc qua khoảng cách bằng ánh sáng. Họ sử dụng chùm ánh sáng tập trung để gửi tin nhắn dưới dạng nhấp nháy mã Morse mà ai đó có thể nhìn thấy và giải thích bằng kính viễn vọng hoặc thiết bị quan sát khác.

Đèn tín hiệu hoạt động bằng cách sử dụng nguồn sáng mạnh, trước đây là đèn dầu hoặc dầu hỏa và gương phản xạ để tập trung ánh sáng vào chùm tia tập trung. Chùm tia bị gián đoạn bằng một màn trập để tạo ra các tia sáng ngắn và dài tượng trưng cho mã Morse.

Đèn tín hiệu được sử dụng rộng rãi vào thế kỷ 19 để liên lạc hải quân giữa các tàu. Một trong những loại phổ biến nhất là đèn Aldis, được phát minh vào những năm 1860 bởi Thuyền trưởng Hải quân Hoàng gia Anh Arthur St. Vincent Aldis. Đèn Aldis sử dụng đèn dầu hỏa làm nguồn sáng và thấu kính lồi có cửa chớp đục lỗ. Người điều khiển sẽ hướng đèn về phía tàu tiếp nhận và nháy các thông báo mã Morse bằng cách mở và đóng cửa chớp bằng cò súng.

Với điều kiện lý tưởng, đèn tín hiệu có thể truyền tải thông điệp một cách chính xác trên khoảng cách lên tới khoảng 20 dặm vào ban ngày. Tính chất tập trung của chùm tia giúp ngăn chặn việc chặn tin nhắn của các tàu khác không thẳng hàng với đèn. Tuy nhiên, sương mù, khói và thời tiết khắc nghiệt có thể làm giảm tầm nhìn.

Việc sử dụng đèn tín hiệu để liên lạc giữa tàu với tàu đã giảm trong thế kỷ 20 với sự ra đời của điện báo và radio không dây. Tuy nhiên, ngày nay chúng vẫn được sử dụng cho một số nghi lễ và tin nhắn chính thức giữa các tàu hải quân. Đèn tín hiệu thể hiện việc sử dụng ánh sáng một cách khéo léo từ rất sớm để cho phép nhắn tin bằng hình ảnh ở khoảng cách xa trước khi liên lạc điện tử.

Semaphore

Semaphore là một hệ thống truyền tải thông tin ở khoảng cách xa bằng tín hiệu hình ảnh bằng cờ, que, đĩa, mái chèo cầm tay hoặc đôi khi là tay trần hoặc tay đeo găng. Thông tin được mã hóa theo vị trí của các lá cờ; nó được đọc khi cờ ở một vị trí cố định. Semaphores đã được chấp nhận và sử dụng rộng rãi (với các lá cờ cầm tay thay thế cánh tay cơ khí của các semaphores màn trập) trong thế giới hàng hải vào thế kỷ 19. Semaphores vẫn được sử dụng bởi các dịch vụ hàng hải và hải quân.

Hệ thống cờ hiệu sử dụng hai cột cờ ngắn có cờ vuông, mỗi tay cầm một cờ. Các cột được giữ theo chiều dọc và các lá cờ được giữ theo đường chéo, hướng xuống phía dưới mặt đất. Mỗi lá cờ đại diện cho một chữ cái trong bảng chữ cái. Bằng cách giữ các lá cờ ở các vị trí khác nhau, các từ có thể được đánh vần và truyền đạt một cách trực quan ở khoảng cách xa.

Semaphore là một cách đơn giản và khá mạnh mẽ để giao tiếp trực quan vì nó không cần điện hoặc điện tử. Tuy nhiên, nó có một số hạn chế. Mỗi lần chỉ có thể truyền tải một từ và các từ phải được đánh vần từng chữ cái, khiến hệ thống này trở nên chậm chạp so với mã Morse. Những người giao tiếp phải ở trong tầm nhìn của nhau để có thể nhìn thấy tín hiệu. Thời tiết khắc nghiệt như mưa, tuyết, sương mù hoặc gió lớn có thể cản trở tín hiệu. Và cần phải có một lượng đào tạo khiêm tốn để tìm hiểu hệ thống. Semaphore đã được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu trong liên lạc hàng hải trước khi có đài phát thanh, nhưng ngày nay nó phục vụ một mục đích thích hợp hơn.

Tín hiệu khói

Các bộ lạc người Mỹ bản địa đã sử dụng tín hiệu khói như một hình thức liên lạc đường dài trong hàng nghìn năm. Các tín hiệu cho phép các bộ lạc gửi tin nhắn qua khoảng cách xa bằng cách tạo ra ngôn ngữ mã hóa bằng khói.

Tín hiệu khói hoạt động bằng cách giải phóng những luồng khói lớn qua đám cháy. Điều quan trọng là tạo ra làn khói dày và đủ tối để có thể nhìn thấy từ xa. Sử dụng thảm thực vật và lá cây ẩm ướt sẽ tạo ra khói trắng, trong khi đốt dầu hoặc cao su sẽ tạo ra khói đen sẫm bay cao lên không trung.

Các cấu hình, số lượng và màu sắc khác nhau của khói có ý nghĩa cụ thể mà người khác có thể giải thích nếu họ biết mã. Ví dụ: ba nhịp ngắn thường có nghĩa là “chú ý” hoặc “nhìn đây”. Một hơi thở duy nhất có thể có nghĩa là “mọi thứ đều ổn” trong khi hai hơi thở có thể báo hiệu “đến đây”. Các mã tín hiệu khói phức tạp hơn sử dụng các kết hợp và trình tự để truyền tải các thông điệp và thông tin phức tạp qua khoảng cách xa.

Phạm vi tín hiệu khói phụ thuộc vào cảnh quan và điều kiện thời tiết. Vào những ngày quang đãng với tầm nhìn tốt, tín hiệu khói có thể truyền tải thông điệp cách xa 10-20 dặm hoặc thậm chí xa hơn nếu ở trên cao. Tuy nhiên, mưa, sương mù, cây cối và địa hình có thể hạn chế đáng kể phạm vi hiệu quả. Các bộ lạc bản địa sẽ bố trí các vị trí đốt tín hiệu một cách chiến lược để tối đa hóa tầm nhìn.

Mặc dù đã lỗi thời như một phương thức liên lạc đường dài chủ yếu nhưng tín hiệu khói vẫn có ý nghĩa văn hóa đối với nhiều bộ lạc người Mỹ bản địa. Kỹ thuật truyền tín hiệu và ngôn ngữ mã hóa được truyền qua nhiều thế hệ đại diện cho di sản và truyền thống văn hóa quan trọng. Trong khi công nghệ đã cho phép các hình thức liên lạc mới, tín hiệu khói cung cấp cơ hội nhìn vào những cách hiệu quả mà các bộ lạc duy trì liên lạc quan trọng và truyền thông tin qua khoảng cách rộng lớn.

Tín Hiệu Ngọn Hải Đăng

Ngọn hải đăng đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ để cảnh báo và hướng dẫn tàu bè trên biển. Ngọn hải đăng sử dụng tín hiệu ánh sáng có kiểu, trình tự, màu sắc và khoảng thời gian giữa các lần nhấp nháy đặc biệt để giúp người đi biển xác định vị trí của họ dọc theo bờ biển nguy hiểm.

Những người canh giữ ngọn hải đăng đã phát triển các hệ thống tín hiệu phức tạp để truyền đạt thông tin tới các tàu ngoài việc cảnh báo các mối nguy hiểm. Bằng cách quan sát kiểu ánh sáng nhấp nháy, các thủy thủ có thể xác định danh tính độc đáo của ngọn hải đăng và vị trí tương đối của chúng so với bờ biển.

Mỗi ngọn hải đăng có kiểu và tần số nhấp nháy đặc trưng riêng, hoạt động như một “dấu vân tay” quang học để người đi biển nhận biết. Những chuỗi ánh sáng này được công bố trên hải đồ để thuyền trưởng có thể giải mã tín hiệu của ngọn hải đăng. Một số mẫu đơn giản như một đèn flash dài cứ sau 5 giây. Những cái khác phức tạp hơn với sự kết hợp của các khoảng thời gian tối ngắn, dài và khác nhau giữa các lần nhấp nháy.

Vào ban ngày, các ngọn hải đăng cũng sử dụng hình dạng, màu sắc và dấu hiệu độc đáo để biểu thị nhận dạng ban ngày. Những điểm đánh dấu ngày này đã giúp tàu thuyền xác định được ngọn hải đăng một cách trực quan và xác nhận vị trí của chúng trong khi di chuyển dọc theo bờ biển. Các điểm đánh dấu ngày tương ứng với chuỗi ánh sáng nhấp nháy vào ban đêm của ngọn hải đăng đó.

Những người canh giữ ngọn hải đăng phải bảo trì đèn và hệ thống quang học quay để định hình các chùm ánh sáng. Họ đảm bảo còi báo sương mù, đèn chiếu sáng và điểm đánh dấu ngày hoạt động bình thường để truyền đạt các tín hiệu cần thiết cho người đi biển cả ngày lẫn đêm. Các kiểu ánh sáng, màu sắc, điểm đánh dấu ngày và tín hiệu sương mù độc đáo của ngọn hải đăng đóng một vai trò quan trọng trong liên lạc và dẫn đường vì an toàn hàng hải.

Đèn máy bay

Máy bay sử dụng đèn để dẫn đường, cảnh báo chống va chạm và hướng dẫn hạ cánh. Những đèn này cho phép máy bay báo hiệu sự hiện diện và hành động của chúng cho người khác.

Đèn điều hướng máy bay bao gồm đèn chiếu sáng màu đỏ và xanh lá cây ở đầu cánh và đèn trắng ở đuôi. Những đèn màu này cho biết hướng và hướng của máy bay vào ban đêm hoặc trong điều kiện tầm nhìn kém. Ví dụ: nếu một chiếc máy bay đang tiến đến gần, người ta sẽ nhìn thấy đèn chiếu sáng bên hông màu đỏ và xanh lục. Nhưng nếu nó bay đi thì chỉ nhìn thấy đèn đuôi màu trắng.

Đèn nhấp nháy hoặc đèn chống va chạm nhấp nháy nhanh để tăng tầm nhìn cho máy bay. Chúng thường được lắp ở đầu cánh, đuôi và bụng máy bay. Đèn flash xenon trắng cường độ cao làm cho máy bay nổi bật trên nền. Tất cả các máy bay thương mại đều có đèn nhấp nháy để cảnh báo người khác về sự hiện diện của họ.

Đèn hạ cánh giúp chiếu sáng đường băng và đường lăn khi hoạt động vào ban đêm. Chúng được gắn trên mũi hoặc cánh của máy bay. Phi công bật chúng trong giai đoạn tiếp cận, hạ cánh và lăn cuối cùng. Đèn hạ cánh cải thiện tầm nhìn của phi công và cho phép điều hướng an toàn trên mặt đất. Một số máy bay thậm chí còn có đèn có thể thu vào và kéo dài xuống dưới để chiếu sáng tốt hơn.

Vì vậy, dù là để điều hướng, tránh va chạm hay hạ cánh, đèn máy bay đều đóng một vai trò quan trọng đối với an toàn hàng không. Màu sắc, vị trí và độ sáng chuyên dụng của chúng giúp cho biết đường đi và hành động của máy bay thông qua tín hiệu hình ảnh. Đèn máy bay giúp chuyến bay an toàn hơn trong điều kiện tầm nhìn thấp và bóng tối.

Đèn giao thông

Đèn giao thông là một trong những công dụng quen thuộc nhất của ánh sáng trong giao tiếp trong cuộc sống hàng ngày. Đèn giao thông chạy điện đầu tiên được phát minh vào năm 1912 tại thành phố Salt Lake, Utah. Nó được vận hành bằng tay và có đèn đỏ và xanh. Vào những năm 1920, đèn giao thông bắt đầu được kết nối thành hệ thống để điều phối luồng giao thông.

Đèn giao thông ba màu đầu tiên được tạo ra ở Detroit, Michigan vào năm 1920. Nó có đèn đỏ, hổ phách và xanh lục. Đèn màu hổ phách cảnh báo tài xế chuẩn bị dừng xe khi đèn sắp chuyển sang màu đỏ. Điều này đã giúp cải thiện sự an toàn tại các giao lộ.

Đèn giao thông hiện đại sử dụng mã màu phổ quát:

• Màu đỏ có nghĩa là dừng lại
• Hổ phách có nghĩa là chuẩn bị dừng lại
• Màu xanh lá cây có nghĩa là tiến hành thận trọng

Đèn giao thông được lập trình với các chu kỳ đèn cố định để luân phiên hướng nào nhận được đèn xanh. Các chu trình này được các kỹ sư giao thông tối ưu hóa để đảm bảo lưu lượng giao thông được lưu thông hiệu quả. Các cảm biến gắn trên đường sẽ phát hiện các phương tiện đang chờ và có thể điều chỉnh chu kỳ ánh sáng cho phù hợp.

Tín hiệu qua đường dành cho người đi bộ được tích hợp vào nhiều hệ thống đèn giao thông. Họ sử dụng các biểu tượng và đèn để báo hiệu khi nào an toàn cho người đi bộ qua đường. Tín hiệu đi bộ chiếu sáng biểu tượng người đi bộ màu trắng. Tín hiệu cấm đi bộ sẽ chiếu sáng biểu tượng bàn tay giơ lên ​​màu đỏ yêu cầu người đi bộ chờ đợi. Đồng hồ đếm ngược hiển thị số giây còn lại để vượt qua. Tín hiệu dành cho người đi bộ có thể tiếp cận sử dụng âm thanh có thể nghe được, thông điệp bằng lời nói và bề mặt rung để hỗ trợ người đi bộ khiếm thị.

Đèn giao thông là một ví dụ phổ biến về việc sử dụng đèn màu để liên lạc trên đường của chúng ta. Trình tự, thời lượng và ý nghĩa đèn được tiêu chuẩn hóa tạo điều kiện cho cả phương tiện và người đi bộ di chuyển an toàn và hiệu quả qua các nút giao thông. Các kỹ sư giao thông tiếp tục tối ưu hóa hệ thống đèn giao thông khi nhu cầu vận tải phát triển.

Sợi quang

Truyền thông sợi quang sử dụng các xung ánh sáng được truyền qua sợi thủy tinh siêu tinh khiết để truyền thông tin. Ánh sáng tạo thành sóng điện từ có thể truyền tín hiệu đi khoảng cách xa với ít tổn thất hơn so với cáp điện.

Ở đầu phát, tia laser hoặc đèn LED phát ra các xung ánh sáng biểu thị dữ liệu được gửi. Ánh sáng truyền dọc theo lõi sợi thủy tinh, phản chiếu lớp vỏ bọc xung quanh lõi. Nguyên lý phản xạ toàn phần này cho phép ánh sáng truyền đi quãng đường dài với mức độ suy hao tối thiểu.

Truyền thông sợi quang có nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong viễn thông, nơi nó được sử dụng để truyền điện thoại, internet và truyền hình cáp. Dung lượng băng thông cao của nó cho phép nó mang theo lượng dữ liệu khổng lồ. Mạng cáp quang tạo thành xương sống của Internet.

Các ứng dụng khác bao gồm mạng máy tính, TV mạch kín và gửi hình ảnh y tế cũng như quy trình phẫu thuật từ xa qua video. Các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và quốc phòng cũng dựa vào sợi quang cho hệ thống định vị và viễn thám.

Những lợi ích của việc sử dụng truyền thông cáp quang bao gồm:

• Băng thông cao hơn và tốc độ nhanh hơn – cáp quang có thể mang nhiều dữ liệu hơn cáp đồng
• Độ suy giảm thấp hơn để tín hiệu có thể truyền đi xa hơn mà không bị suy giảm
• Khả năng miễn nhiễm nhiễu điện từ từ các loại cáp hoặc thiết bị khác
• Kích thước nhỏ hơn và trọng lượng nhẹ hơn trên mỗi công suất
• Bảo mật cao hơn vì kính không cho phép chạm vào hoặc rò rỉ điện áp
• Không dẫn điện nên không có nguy cơ gây ra tia lửa điện

Bằng cách khai thác tốc độ và hiệu quả của sóng ánh sáng, truyền thông cáp quang đã cách mạng hóa ngành viễn thông và tạo điều kiện cho các dịch vụ băng thông rộng mà chúng ta dựa vào ngày nay. Từ các cuộc gọi điện thoại đến các bộ phim trực tuyến, cáp quang giúp thế giới kỹ thuật số hiện đại của chúng ta trở nên khả thi.

Truyền thông laze

Giao tiếp bằng laser, còn được gọi là giao tiếp quang học trong không gian tự do, đề cập đến việc truyền dữ liệu không dây qua không gian trống bằng cách sử dụng ánh sáng từ laser. Công nghệ mới nổi này có một số lợi thế so với truyền thông tần số vô tuyến truyền thống:

• Băng thông cực cao – Giao tiếp bằng laser có thể đạt băng thông 10 Gbit/s trở lên. Điều này cho phép truyền tải một lượng lớn dữ liệu rất nhanh chóng.
• Độ an toàn cao – Các chùm tia laze rất hẹp và tập trung, khiến việc đánh chặn trở nên khó khăn. Dữ liệu khó bị chặn hoặc bị kẹt.
• Không cần giấy phép – Giao tiếp bằng laser sử dụng bước sóng ánh sáng không yêu cầu giấy phép của chính phủ như tần số vô tuyến. Điều này làm giảm các rào cản pháp lý.
• Kích thước và trọng lượng nhỏ – Thiết bị liên lạc laser nhỏ hơn và nhẹ hơn nhiều so với thiết bị vô tuyến. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng tàu vũ trụ và trên không.
• Công suất thấp – Máy phát và thu laser yêu cầu ít năng lượng hơn radio. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng di động và chạy bằng pin.

Một số ứng dụng quan trọng hiện tại và tương lai của truyền thông laser bao gồm:

• Tàu vũ trụ – NASA và các cơ quan không gian khác đang phát triển hệ thống liên lạc bằng laser cho tàu vũ trụ gần Trái đất cũng như các sứ mệnh không gian sâu. Có thể có tốc độ dữ liệu lớn hơn 10-100 lần so với radio.
• Máy bay – Các hãng hàng không và quân đội đang xem xét liên lạc bằng laser để thay thế radio và giảm trọng lượng trên máy bay.
• Xe tự hành – Ô tô tự lái và máy bay không người lái có thể sử dụng liên kết laser để chia sẻ dữ liệu thời gian thực với độ trễ cực thấp.
• Truyền thông lượng tử – Sự vướng víu lượng tử để đảm bảo an ninh tuyệt đối một ngày nào đó có thể thực hiện được bằng cách sử dụng tia laser trên khoảng cách toàn cầu.
• Cứu trợ thiên tai – Liên kết laser cho phép triển khai mạng nhanh chóng khi cơ sở hạ tầng trên mặt đất bị xâm phạm.
• Nền tảng độ cao – Khinh khí cầu, khí cầu và máy bay không người lái trong tầng bình lưu có thể tạo ra mạng lưới laser trên không để truy cập Internet băng thông rộng.

Tương lai có vẻ tươi sáng cho công nghệ truyền thông laser. Khi chi phí giảm và công nghệ được cải thiện, các liên kết laser băng thông cao có thể trở nên phổ biến cả trên mặt đất và trên bầu trời. Điều này có thể biến đổi ngành hàng không, viễn thông và thám hiểm không gian.