雷 射 原 理 簡 介
手持雷射槍
雷 射
•雷射全名為”
Light Amplification byStimulated 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。
(from
http://www.phy.cuhk.edu.hk/phywor ld/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
重要
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？
可以用運在雷射筆.和槍枝上的狙擊鏡.等 等雷射用途很多
