雷 射 原 理 簡 介

手持雷射槍

雷 射

•雷射全名為”Light Amplification by

Stimulated Emission of Radiation”，簡

寫為Laser，音譯為雷射，意為「藉著受激

發射之輻射而產生之光放大」。

•物質由原子組成。下圖是一個碳原子的示意圖。原子的中心是原子核，由質子和中子組成。質子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍佈滿著帶負電的電子，繞著 原子核運動。有趣的是，電子在原子中的能量並不是任意的。

•描述微觀世界的量子力學告訴我們，這些電子會處於一些固定的「能階」，不同的能階對應於不同的電 子能量。為了簡單起見，我們可以如下圖所示，把這些能階想像成一些繞著原子核的軌道，距離原子核越遠的軌道能量越高。此外，不同軌道最多可容納的電子數目 也不同，例如最低的軌道 (也是最近原子核的軌道) 最多只可容納 2個電子，較高的軌道則可容納 8 個電子等等。

(fromhttp://www.phy.cuhk.edu.hk/phyworld/articles/laser/laser.html)

•事實上，這個過份簡化了的模型並不是完全正確的 (根據量子力學，電子不是在一些明確的軌道上繞原子核運動的，它們的位置只可利用或然率通過薛丁格方程預測。 )，但它足以幫助我們說明激光的基本原理。

能階(energy level)

•能量最低的能階，稱為

基態(ground state) 。

•而較高能量的能階，稱為

受激態(excited state)。

自發射(spontaneous emission)

受激發射

電子可以透過吸收或釋放能量從一個能階躍遷至另一個能階。當電子吸收了一個光子時，它便可能從一個較低的能階躍遷至一個較高的能階 (圖a)。同樣地，一個位於高能階的電子也會透過發射一個光子而躍遷至較低的能階 (圖b)。在這些過程中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由於光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。

當一個或多個電子處於較高的能階時，我們稱原子處於受激態。前面說過，電子可透過吸收或釋放在能階之間躍遷。躍遷又可分為三種形式﹕自發吸收 - 電子透過吸收光子從低能階躍遷高能階(圖a)。自發輻射 - 電子自發地透過釋放光子從高能階躍遷較低能階(圖b)。受激輻射 - 光子射入物質誘發電子從高能階躍遷到低能階，並釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應於兩個能階的能量差。一個光子誘發一個原子發射一個光子，最後就變成兩個相同的光子 (圖c)。

雷射光基本上就是由第三種躍遷所產生的。下圖顯示紅寶石雷射的原理。它由一枝閃光燈，激光介質和兩面鏡所組成。激光介質是紅寶石晶體，當中有微量的鉻原子。在開始時，閃光燈發出的光射入激光介質，使激光介質中的鉻原子受到激發，最外層的電子躍遷到受激態。此時，有些電子會透過釋放光子，回到較低的能階。而釋放出的光子會被設於激光介質兩端的鏡子來回反射，誘發更多的電子進行受激輻射，使激光的強度增加。設在兩端的其中一面鏡子會把全部光子反射，另一面鏡子則會把大部分光子反射，並讓其餘小部分光子穿過﹔而穿過鏡子的光子就構成我們所見的激光。

雷射的組成

雷射的共振腔

•由一對平行反射鏡組成，通常一面為100%全反射鏡，另外一面為部分反射鏡﹕雷射輸出光束由此穿透射出。

雷射的三項組成要件與功能

1.發光體（Gain Medium 增益介質）發單色(單頻/單波長)光放大光強度

2.共振腔（Resonant Cavity共振腔）以駐波形式儲存發光體所放射出的光子駐波與發光體共振(二者頻率相同)而放大

光強度3.輸入能量激發發光體（Pumping）

提供適當形式的能量激發發光體產生光子

紅寶石雷射

•它是在約幾公分長的紅寶石晶體摻入鉻原子做為雜質，周圍繞以發出高強度綠光的閃光燈。當此高強度的綠光進入晶體棒，會激發其中鉻原子的外圍電子到較高的能階。

紅寶石雷射

•這些電子跳經中間能階，然後再慢慢的跳回它們的較低能階。在這最後階段，這些電子放出紅色光的光子。這些在晶體中產生紅色光的光子會使仍處在激態的鄰近原子產生激發放射。

•激發放射的光子，其一切特徵和入射光子完全相同，而且會一而再，再而三的讓其他激態的原子產生激發放射，因此產生出一束同步調的光。

雷射的特性一般的光線具多相和散發性，所以照度和距離平方成反比。雷射光則是單相光，光線在雷射管中，反覆地『反射→激發→反射』，能量逐漸累積，且光線的方向一致。所以雷射光具有高能量及低散發性。可以利用這個特性。雷射是將大量的光子聚集在單一方向，使其具有高同調性及單一波長的特性。物質表面吸收光子所攜帶的能量，進而和材料進行交互作用而產生加工的效果，但隨著波長所屬範圍的不同，其交互作用的機制卻也有相當大的差異。

1.它是單色的(單色性)雷射光是單色光，通過三稜鏡後，不會產生色散現象。

2.它是筆直，不易散開的(低發散性)直徑一公釐的雷射光束，射到一公里外時，直徑大約是10公分，而一般的光源容易散開，光度與距離的平方成反比。雷射光光束細而直且能量集中，故可傳播至很遠的距離也不會袞減。

3.它是高強度由於雷射是單一波長且相當平行的光，所以能夠將其聚焦至很小的一點，造成很亮的效果，

雷射的特性

雷射的應用

•雷射有哪些應用呢？