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手持雷射槍手持雷射槍

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雷 射 原 理 簡 介

(2)

手持雷射槍

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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」。

(4)

•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。

(5)

• 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)

(6)

•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。

(7)

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)。

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自發射(spontaneous emission)

(9)

受激發射

(10)

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。

(11)

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)。

(12)

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。

(13)

雷射的組成

(14)

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。

(15)

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

(16)

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。

(17)

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。

(18)

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。

(19)

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

(20)

雷射的應用

•雷射有哪些應用呢?

一、普通白光光源通過三稜鏡後,會產生色散的現象。

  例如:一般手電筒;照射到遠距離後,會散開成錐形,且光線強度明顯減弱。

二、雷射光的特色:

1.雷射光是單色光,通過三稜鏡後,不會產生色散現象。

2.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。

三、雷射的用途:

1.醫療上用途:用來除斑、開刀、止血、治療網膜剝離、近視等。

2.生活上用途:雷射唱片、LD、V CD、D VD等。

3.工業上用途:測量距離、鑽孔、切割、焊接等。

4.其它用途:遊戲玩具、教學指示筆等

參考文獻

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