第三章 雷射

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第三部 光

第一章 是粒子?還是波?

-歷史上的爭論 第二章 電磁波

第三章 雷射

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光充滿了我們整個宇宙,它存在於每 一個角落。但光的本質是什麼?

現代的科學家也只能告訴你一個似乎 沒有回答的答案—光的本身就是「光量子」

(photon)。

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第一章 是粒子?還是波?

-歷史上的爭論

“光的本質是什麼?”這個問題在十七世紀時曾經 引起了很大的爭論。

哲學家戴斯卡提斯(Rene Descartes, 1596- 1605)認為光是由成串的粒子所組成,所以光的性 質便可以由一些力學碰撞的理論來加以解釋了,比 如光從鏡子反射的現象就可以解釋成是光粒子撞倒 鏡面反射的結果。又比如光從空氣進入玻璃所產生 的折射現象被解釋成是因光粒子垂直於玻璃面的速 度分量在進入玻璃內產生改變,所以使光進入玻璃 後,方向產生偏折。

光粒子的假說受到牛頓的支持。

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另一個假說認為光是一種擾動或波。這一派的代 表人物是惠更斯(Christiaan Huygans)【曾自製 精良天文望遠鏡觀測天象,觀測到土星的衛星泰坦 (Taitan)】。

惠更斯提議光是一種波的現象,就像水波一樣。

水波傳播的介質是水,而他認為光的傳播是藉由一 種稱為「乙太」(ether)的介質。

一直到1802年揚氏(Thomas Young)做出

“揚氏雙狹縫干涉實驗” 闡釋了光的波理論,這時光 的波理論才漸漸地站著較穩固的地位。

◎粒子說:反射、折射。

◎波的理論:反射、折射、干涉(interference)、繞 射(diffraction)。

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第二章 電磁波

2 - 1 麥克斯威爾方程式

麥克斯威爾(James Clerk Maxwell)。1873年發表麥克 斯威爾四個方程式。由這些方 程式可以得到一個波動的方程 式,而得到一個波形式的解,

預言了電磁波的存在,而這個 電磁波的傳播速度是光速,表 示電磁波就是光。【統一了電力與磁力】

ρ

=

∇ Dv v

= 0

∇ Bv v

t B E c

=

×

v v

v 1

t D J c

B

+

=

×

v v v

v 1

麥克斯威爾(1831-1879)

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30年後赫茲(Heinrich Hertz)才由實驗上證實電磁波 的存在。現在為了紀念赫茲的貢獻,把頻率(frequency)

的單位定為「赫茲」(Hz)。

2 - 2 光譜

電磁波

光速在真空中約為每秒三十萬公里,這個速度是一個 定值。

不同的電磁波有不同的震動頻率和波長,但波長與頻 率之間有一定的關係:光的波長乘以頻率就是光速。

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光譜:

1.電力線波(power wave)

這種電磁波的來源大多是從一般的電力線而來,

這種電磁波充滿了我們生活的空間。

2. 調幅(AM)波

收音機收聽到這個波段的聲音大小是依據訊號振 幅的大小。這種電磁波的頻率在0.53-1.7MHz之 間,一般廣播電台傳送調幅訊號的方式是發射到地 球的離子層,藉由離子層大型的帶電粒子反射調幅 的訊號。

3. 調頻(FM)波

頻率在88-108MHz之間的電磁波調頻訊號,

一般直接傳送到接收器。

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4. 電視(TV)

超高頻率無線電波(UHF)用來傳輸無線電視台的訊 號,其頻率在54-890MHz之間。【因頻率越高消耗在電纜線的功率 越大,所以頻道越高的電視台收訊較差。】

5. 微波(microwaves)

頻率在1-100GHz的電磁波是屬於微波的範圍。

一般微波爐微波的頻率約為2.5GHz,原因是在這個 頻率的微波有很多有趣的特性:水、脂肪、糖分會吸 收這個頻率的微波然後把它轉換成熱,另外這個頻率 範圍的微波不被大多數的塑膠、玻璃、或陶瓷類製品 所吸收。

6. 紅外線輻射(infrared radiation)

這種電磁波的波長在1毫米與0.1微米之間,比較 接近微波端的紅外線是一種熱輻射,靠近可見光端的 紅外線就不太會熱了,我們電視的遙控器很多就是使 用這一個波段的紅外線【電視遙控器】。

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7. 可見光(visible light)

可 見 光 的 波 長 範 圍 介 在 約 400到700奈米(nm,即10-9 公尺)之間。

8. 紫外線(ultraviolet radiation)

紫外線的波長介在0.1個微 米到0.1個奈米之間。紫外線 又分成三個區段,中段波長的 紫外線(UV-B)主要會造成皮 膚灼傷、發紅,還有會讓皮膚 曬黑,長波長的紫外線(UV-A) 不大會造成嚴重的傷害,最主 要的是會被皮膚的色素吸收使 皮膚變黑。

可見光的光譜

這是一張由衛星SOHO在西元2000年 4月24日所拍攝太陽發射紫外線的照片

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9.X-射線(X-rays)

X-射線的波長在10-10-10-12公尺之間。

10.γ-射線(γ-rays)

波長低於0.01奈米的電磁波屬於γ-射線的範圍

。其主要的來源是放射性物質、高能的粒子加速器

、和來自外太空的宇宙輻射線。

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第三章 雷射

3 - 1 一般光與雷射

雷射LASER是取自英文「Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation」每 個字的第一個英文字母合成。(大陸譯為「激光」。) 首先要了解兩種不同光子(photons)輻射的機 制 。 每 一 個 光 子 有 一 個 固 定 的 能 量 ( 特 定 的 頻 率),不同頻率的光具有不同能量的光子。這個光 子的能量是一個常數(普朗克常數)乘以這個光的 頻率(E=hν),所以頻率越高的電磁波其光子能 量就越高。

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電子能階躍遷。當電子從高能階躍遷到低能階時會伴隨著 產生一個光子,這個光子的能量是這兩個能階的能量差

當電子受到激發時(如提高溫度或用光照射),則 電子會吸收這個激發的能量而從較低的原子能階躍升 到某個能量較高的原子能階上。經過一段很短的時間 之後,這個在較高能階的電子會自發的跳到較低的能 階,而且放射出一個光子,這個光子的能量為這兩個 能階的能量差,這種輻射的現象稱為「自發性輻射」

(spontaneous emission)。

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另 外 有 一 種 輻 射 的 現 象 稱 為 「 激 發 性 輻 射 」 (stimulated emission)【愛因斯坦1917年提出,類似人 造輻射】。當一個電子在兩個能階中較高的能階時,若附 近存在一個能量為這兩個能階差的光子,則這個光子將會 觸發這個電子從高能階跳到低能階並且發射出一個與原來 光子頻率相同的光子,而原來的光子仍然存在。觸發的光 子與原來的光子方向一樣、頻率一樣,而且之間的相位差 (phase differece)也固定,我們稱這兩個光子之間的這 種一致的情形為「一致性」(coherence)。【類似核分 裂的連鎖反應】

雷射產生的機制是利用激發性輻射,所以產生的光具 有一致性。因此一般光與雷射的不同點在於雷射光有一致 性,而一般光沒有。雷射光是單色光(單一頻率的光),而 一般光則由多種頻率的光合成(白光)。雷射光有很強的方 向性和強度(因為集中),而一般光方向隨機且強度弱。

【單色光有很強的方向性和強度。】

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3 - 2 雷射的發明

雷射的發明得要追溯回到40年代的兩個科學家:道 尼斯(Charles Townes)和薛羅(Arthur Schawlow)。

1953 年 展 示 了 道 尼 斯 稱 為 「 maser 」

(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的裝置。這個裝置放大的電

磁波是在肉眼看不見的微波頻率範圍。

薛羅有一個想法就是在道尼斯maser裝置的共振腔 兩側裝上鏡子,1958年兩人把研究的成果寫成一篇論 文發表並申請專利(這時尚未做出雷射的裝置)。兩年之 後由休斯飛航器公司的梅門(Theodore Maiman)展 示了第一台“紅寶石雷射”(the ruby laser)。

1964 年 道 尼 斯 與 另 兩 名 蘇 俄 科 學 家 波 可 洛 夫 (Prokorov)和巴索夫(Basov)共享當年的諾貝爾獎。

1981年薛羅也獲得諾貝爾獎的榮耀。

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3 - 3 雷射的原理與構造

在原子能階的電子躍遷過程中,會有三種可能伴 隨的輻射情況產生:原子吸收光子、原子本身自發性 輻射、或原子與光子產生激發性輻射。若是要讓光子 的輻射高過於吸收,則需要電子處在高能階狀態的原 子數目高過電子處於低能階狀態的原子數目。這種情 況(非熱平衡狀態)就稱為「分佈反轉」(population inversion)。

我們可以利用各種不同的機制、不同的設計、不 同的材料(雷射介質,laser medium)來產生分佈反 轉,藉此產生各式各樣不同類型的雷射。底下我們簡 單介紹紅寶石雷射:

紅寶石的主要成分是氧化鋁(Al2O3)。它的紅 色 來 源 主 要 是 因 紅 寶 石 裡 面 含 有 鉻 離 子 雜 質

(Cr3+)。底下的圖是這個鉻離子與產生紅寶石雷射 相關的能階,

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紅寶石雷射鉻離子的相關能階圖。紅寶石雷射光的頻 率來自從鉻離子的E2能階到E1能階的激發性輻射

E1是基 態(ground state);E3是激態(excited state),電子停在這個能階的時間非常短(10-8秒)便 會躍遷到較低的能階;E2也是激態,但電子在這個能階 的時間相對的比E3較長(3×10-3秒),所以把這個能 階稱為「準穩態」(metastable state)。

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紅寶石雷射所發射出的雷射光是從能階E2到基態 E1的激發性輻射所產生的光子,這個雷射光的波長是 694.3奈米。要達到分佈反轉使處於E2的原子數目多 於處於E1的原子數目,利用電子處在E2的時間比在E3 較長的特性,在紅寶石外圍圈上會發出接近特定波長 附近光線(550奈米)的放電燈管(一般使用氙的燈管),

使處於基態電子的原子吸收這個頻率的光躍升到E3能 階上,處於E3狀態的原子會做快速的降遷到生命期較 長的E2能階上,這樣便可以達到分佈反轉的狀態。分 佈反轉的情形達到以後,隨時會有一個從E2到E1的自 發性輻射發生,而這個光子便可以用來觸發一連串其 他處於E2狀態的原子而產生激發性輻射。

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一般雷射構造裡有一個雷 射振盪器(laser oscillator)

和 一 個 雷 射 放 大 器 ( laser amplifier)。

利用各種不同的雷射介質 和分佈反轉的機制可以製造出 各種不同的雷射,例如有:

氦氖雷射(效率非常低,但可產 生連續的光,而不是脈衝。)

氦硒雷射(可產生好幾種頻率)

二氧化碳雷射(效率、功率很高) 半導體雷射(利用半導體的p-n 連結,效率很高,調制容易且 反應快速。)

雷射放大器

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3 - 4 雷射的應用

不管是在學術的研究上、商業用途上或軍事上,

很多不同的領域都利用到雷射所特有的一些性質,例 如在醫療上用雷射光束來切割或接合身體組織,雷射 也可以用來精確測量兩點之間的距離。在軍事用途上 做為武器。雷射也被用於現在的通訊和資訊科技上的 應用。另外也可以利用雷射來做快速的化學分析,用 雷射光束把原子或分子離子化,被離子化的原子或分 子會發射出特定的光譜線。還有許多其他的應用,在 這裡我們舉例說明光碟機利用雷射來讀取資料的作用 原理。

壓電材料(piezoelectric materials)是一種具有 特殊晶體結構的物質,當壓力作用在這個物質時,會 造成晶體結構的改變,這個改變會在物質的兩側形成 一個電位差。反過來,若把一個電壓加在壓電材料 上,結果將會造成這個物質產生變形。

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我們可以把聲音以電壓大小的形式紀錄下來。

紀錄訊號的方式常使用的是數位(digital)數據的 形式。

圖中顯示的是CD與DVD的一個小部份放大後的結構。我們可以看到DVD比CD有更緊密的結構

CD或DVD是以1跟0的形式把數據儲存在光碟片上。

CD與DVD光碟片上有一圈一圈的螺旋型軌跡,而1跟0 這些數據就刻在這些軌跡上。【凹下去的洞⇒0,平整

⇒1】

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圖中分別顯示CD與DVD的結構並雷射光照射凹凸刻痕反射的情況

CD播放器或DVD播放器就是利用雷射來讀取貯存在碟片 中的數據,這種雷射是由雷射二極體(laser diode)發射。雷 射 光 會 經 過 一 個 偏 光 分 歧 器 (polarization beam splitter),分成兩條路徑。DVD會有兩組雷射從反射面反射 回來的雷射與第一道雷射光產生所謂的干涉現象,然後轉折 入射到光二極體陣列。這兩道雷射光波若是波峰遇到波峰時 為建設性干涉,而當波峰遇到波谷時為破壞性干涉。所以雷 射光遇到軌道上的凹槽時,產生破壞性干涉,相同的道理當 雷射光照射到軌道平整的部份產生建設性干涉,用這樣的方 式來讀取紀錄在光碟片上的數據。

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