第三章 雷射

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

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)。

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。

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)。

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)

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。

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。

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】。

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

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。

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。

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)。

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。】

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。

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，

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)。

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。

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

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。

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】

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。