手持雷射槍手持雷射槍

雷 射 原 理 簡 介

手持雷射槍

雷 射

•雷射全名為”

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。

(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

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？

雷射二極體是一種雷射產生器，其工作物質是半導體，屬於固體雷射產生器，大部份 雷射二極體在結講上與一般二極體相似。由於雷射二極體的運作中，電子的能量轉變 過程只涉及兩個能階，沒有間接帶隙做成的能量損失，所以效率相對高。

镭射指示器，又稱為镭射筆、指星筆等，是把可見镭射設計成便攜、手易握、镭射模組

（二極體）加工成的筆型發射器。早期的镭射筆使用波長為633奈米(nm)的氦氖（HeNe）

氣體镭射，通常用於產生能量不超過1毫瓦的镭射束。最便宜的镭射筆使用波長接近6 70/650nm的深紅色镭射二極體。稍貴的則使用635nm的紅-橙色二極體，這一波長更 易於為人眼所識別。也有其他顏色的镭射筆，最常見的是波長為532nm的綠光。最近 幾年，593.5nm的黃-橙镭射筆也開始出現。2005年9月出現了473nm的藍光镭射筆。20 10年初[1]出現了波長為405nm的藍光（其實是紫光）镭射筆。

镭射筆照射出光點的表觀亮度不光取決於镭射的功率和表面反射率，還取決於人眼 的色覺。例如，由於人眼對可見光譜中波長為520-570nm的綠光最敏感，對更紅或者 更藍的波長敏感性下降，所以相同功率下綠光顯得比其它顏色亮。

镭射筆的功率通常以毫瓦為單位。在美國，镭射由美國國家標準學會[2]和美國食品 藥品監督管理局(FDA)來分類。功率小於1毫瓦的可見光(波長400-700nm)镭射筆為第 二類(Class 2 或 II)；功率介於1-5毫瓦的為第三類A(Class 3A 或 IIIa)。第三類B(Class 3B/IIIb)镭射(功率5–500毫瓦)和第四類(Class

4/IV)镭射(功率大於500毫瓦)按法律不能以镭射筆的名義推廣銷售。