首頁 > 光電的應用:雷射的原理與應用
:::

光電的應用:雷射的原理與應用

雷射光具有光束高度平行、純色、同調及高強度等特性,起初是應用在遙測、科學研究、工業及軍事等方面。時至今日,它已經廣泛地應用在日常生活中,真可謂光源中的極品。
 
 
 
心細的你,可能已經察覺到好像到處都有雷射。早上到超市買麵包和飲料,收銀員以雷射光讀條碼來結帳;上課時老師可能用雷射光筆指示黑板或投影幕上解說之處;回到家,你可能會以半導體雷射去讀 DVD 光碟,觀賞勁歌熱舞;在上網時,則用到以雷射刻製的電腦鍵盤。諸此種種,能否讓你產生「雷射到底是什麼東西」的疑問?

其實簡單地說,雷射是一種光源,只是它發光的原理和一般光源不同,發出來的光就有它特別之處。一般光源是經由「自發放射」,而雷射是以「受激放射」來發光的。提及受激放射,在自然界是觀察不到的,但是它的理論,愛因斯坦早在一九一七年就已推導出來,並且預測了受激放射光的特性。只是以當時的技術,尚不足以在實驗室中證實。

愛因斯坦指出,波長較長的電磁波由「受激放射」而發射的機率會較大。二次世界大戰使用的雷達,促使微波技術快速成長。微波和光波都是電磁波,但是微波的波長要長得多,激起湯斯(Charles H. Townes)觀察受激放射微波的意念。於一九五○年,他發現氨果然可以由受激放射而發出微波,證實了愛因斯坦的理論。

但是微波的受激放射並無實際意義,因為以電子器材發射微波會更具效力。能達成以介質的受激放射釋出光波,才是具體的目標。因為唯有以受激放射所發射出來的光波,才能像水波一樣,具有真正的波性,有明顯的傳播方向和波形等。 一九六○年,梅曼(Theodore Malman)終於以人造紅寶石實現了光波的受激放射,稱為「雷射」。雷射是英文「laser」的音譯,「laser」又是取「以受激放射強化的輻射光源」(light amplification by stimulated emissions of radiation)諸英文字首所組成。迄今四十餘年之後,從本體小自微米以至可以摧毀飛彈的武器級雷射一一出現。

光與介質的交互作用

凡是能「吸收」或「發射」光的物質,都以「介質」稱之,如原子、分子及晶體等,會選擇性地吸收某些波長的電磁波,而進入了「受激態」。假設介質A及B原處於較低能態的 E1 狀態,若介質A吸收了一部分的光波而升至較高的 E2 狀態,使入射的光波強度減弱,這便是吸收。吸收是機率性的,介質A或B不一定會吸收光波,但若是能吸收則必定要滿足一項條件,那就是光的頻率f必定滿足
f=(E2 - E1)/h
h稱為「普郎克常數」,它的值是 6.6 × 10-34 焦耳.秒。

以波長 650 奈米(1 奈米 = 10-9 米)的紅光為例,它的頻率大約是 4.6 × 1014 赫,這個波長的基本能量 h × f是 3 × 10-19 焦耳,也可以說這束光的總能量是 3 × 10-19 焦耳的整倍數。只是由於介質的速度差異所引起的都卜勒效應,以及介質之間相互干擾等因素,使介質吸收的光頻率是以f為中心,但仍能吸收略高或略低的頻率,也就是說它能吸收位在一個頻帶中的頻率,只是吸收的機率有別而已。

反過來說,在 E2 狀態的介質也會放出相當 E2 - E1 能量的光子,而降至 E1 的能態,這個過程就是「放射」,稱為「自發放射」,這是放射中的一種,表示這一行動是自動自發的。基於上述的理由,一群介質所釋放光子的頻率,也是在以f為中心頻率的頻帶之中。

另一類放射,是處在 E2 狀態的介質受到頻率f=(E2 - E1)/h的光子群 1 或 2 的誘導,而放出同一個方向,頻率和相位完全相同的光子。所謂「相位」相同,是指射出光子的波峰和波谷,與入射光子的相重疊。這種在誘導下所產生的放射,稱為「受激放射」,使得同一類型的光子數有相加的作用,所以稱為「光放大」或「光強化」。受激放射所產生的光子群,有相同的方向、波長和相位,有如齊步前進的士兵。但傳統光源所發射的光子,其波長和方向各異,當然也就沒有秩序和威力了。 當一束光通過一群介質的時候,如果頻率合宜,可能會被處在下能級 E1 狀態的介質吸收,也有可能引誘處在上能級 E2 狀態的介質放射。並且根據愛因斯坦的理論,這兩種作用發生的機率相等,至於什麼樣的介質才能藉受激放射強化光束呢?

由於吸收和受激放射都是機率的問題,所以如果處在 E2 狀態的介質數 N2 比處在 E1 狀態的介質數 N1 多,即 N2 > N1,那麼受激放射出來的光子,就比被吸收的多,光束就轉強了。所以凡是可能符合 N2 > N1 條件的介質,就可能強化光束。N2 > N1,表示能量狀態居高位的介質數比在底下的多,這是一種反常的現象,我們稱它為「群數反轉」。能進入「群數反轉」的介質有限,所以雷射的介質種類也有限。

為使介質處在 E2 狀態的介質數 N2 比在 E1 狀態的介質數 N1 多,我們必須對介質施加能量,或者說使它「活化」。那麼什麼樣的介質才能活化呢?如果有九個介質原本都處在基態 E0,在施加能量之後,有三個進入了 E1 狀態,有二個進入了 E2 狀態,或表示為 N1 = 3,N2 = 2。只是進入 E1 狀態的介質比較沒有耐性,有二個迅即脫離,但是進入 E2 狀態的就挺得住,於是變成 N2 = 2,N1 = 1,因此達成了群數反轉。這只是介質進入群數反轉的方式之一,其他的方式較難了解,在這暫不敘述。

光束在活化了的介質中傳播愈遠,就會愈強。但是把介質放在很長的容器中終非良策,梅曼想出來的方法,是在介質容器的兩端,各放置一面反射鏡。反射鏡中的一面對受激放射波長,也就是相當於(E2 - E1)的波長高度反射,而另一面部分透射,一些光就由這反射鏡逸出,成為雷射光。於是雷射的主要元件就是「介質」,「能量」輸入裝置,和以兩面反射鏡所構成的「光腔」。光腔使光來回反射通過介質予以強化,每次強化的程度愈高,反射鏡的透光率就可以愈大。

這兩面反射鏡有如固定琴弦的栓子,限定了振動的波長須滿足鏡間距離是半波長整數倍的條件。這條件可提升輸出光的純色性,但也不難達成,因為光波的波長甚短,且可以振動的波長或頻率如前所述有一範圍,所以隨意設定鏡間距離,就有好幾個波長,可以同時滿足這一距離是它們半波長整數倍的條件。為使雷射只輸出單一波長,還需下一番功夫呢! 雖然輸出了數個波長,但仍不影響純色性,從視覺的觀點來說,這些波長的光色都一樣,並且每一波長都很「純」或集中在狹窄的範圍內,所以雷射光仍是純色的。

此外,這兩面反射鏡局限了雷射光束的方向,這也是造成雷射光方向性的主因。至此我們已經知道為什麼雷射光有方向性、同調性、純色性和高強度性,以下再介紹數種重要雷射及其介質的活化方式。

重要的雷射種類

介質可能是原子、分子或離子。原子必定是氣態的,分子可能是氣態或在溶液中,離子則可能在氣體或晶體內寄居。至於半導體也是晶體,不必寄居就可以是自發或受激放射光源。以下以氣體、液體、晶體及半導體為分類,介紹幾種重要的雷射以及如何活化其介質。

氣體雷射 第一部問世的氣體雷射是氦氖雷射,它也是繼梅曼製成紅寶石雷射之後的第二部雷射。雷射的介質是氖,但是在氦氖混合氣中氦遠比氖多,才能使氖產生雷射作用。這種雷射一般以小型為主,輸入數瓦至數十瓦的放電功率,輸出數毫瓦至數十毫瓦的633奈米紅光。因為以放電為激發的方式,所以雷射管放電時看似霓虹燈。雖然雷射的功率不高,但是光束的品質最佳,最能示範雷射光以及光波的特性。

二氧化碳雷射是以放電方式激發的高功率雷射,目前商品化的已達萬瓦。這種雷射中的氣體,以氦及氮為主,介質氣體二氧化碳反而最少,原因是大量的氦和氮,才能幫助少量的二氧化碳進入群數反轉。二氧化碳雷射的效率,也就是輸出光功率和輸入電功率的比值可達15%,較氦氖雷射高約百倍。輸出的波長是10.6微米(1微米=10-6米)紅外線,也證實了愛因斯坦長波長介質較容易發生受激放射的理論。

鹵化惰性氣體是優秀的紫外線雷射介質,其種類有氟化氬、氟化氪、氟化氙、氯化氙等,都輸出紫外線,且效率可達1%。惰性氣體如氬、氪和氙等,原本不會與其他的元素化合,但是如果把它們和化學性最活潑的鹵族氣體如氟、氯等混合,再以放電刺激,就會產生前述氟化氬等在受激態的分子。

因為分子一降到基態就告分解,表示只要有分子是在受激態的,就是進入了群數反轉。這種分子稱為「準分子」,這些雷射稱為「準分子雷射」。準分子雷射輸出極強的閃光,或稱為脈波的紫外線,效率也高,是重要的雷射。

惰性氣體如氬、氪和氙等,在高電流放電時所產生的離子,是優秀的可見光雷射光源。氬離子和氪離子雷射,分別輸出紫、藍、天藍、綠和黃、橙、紅等波長的雷射。這些雷射以高輸入和輸出為特色,把這兩種氣體混合,雷射光看似白色但又可把各色光分離,在舞台效果方面甚受重用。

前述氣體雷射都賴放電輸入能量,另有氣體雷射是以化學反應產生活化介質。這種雷射不需電力輸入,是極佳的摧毀性軍用雷射,目前已發展到空載以對抗飛彈的階段。

液態雷射 溶解在水或其他溶劑中的染料,在以光照激發後,得以成為雷射介質。每一種染料,在以適當的波長激發後,可以在某一範圍內調變它輸出的雷射波長,並且更換不同的染料及激發光源,雷射輸出波長可包含全部可見光及其附近的紫外線和紅外線,在基礎科學研究上極具價值。前述的離子雷射原本是染料雷射的最佳激發光源,現在又有倍頻的固態晶體雷射可取而代之。

固態晶體雷射 人造紅寶石中的鉻離子,是梅曼最先發現的雷射介質。他原本是研究以紅寶石強化微波,卻發現它可以強化深紅色的光波。紅寶石並不是優良的雷射介質,它的效率甚差,但因它是世上第一具雷射,其歷史價值相當重要。

寄居在釔鋁石榴石中的釹離子,是一種優良的雷射介質,稱為釹—釔鋁石榴石(Nd:YAG)雷射。起初研發這雷射時是以放電燈為激發光源,吸收光源中以810奈米為中心的紅外線,發出1.064微米的雷射光,效率約3%。現在以波長808奈米的半導體雷射為激發光源,總效率可達20%,是現有雷射中最優秀的。這種雷射的波長可經二倍頻成為532奈米的綠光,甚至三倍頻成355奈米的紫外線,可取代離子雷射以激發染料雷射。現在石榴石雷射的輸出可達數千瓦,成為極佳的工業用雷射。

寄居在藍寶石晶體中的鈦離子,經以綠色雷射光激發後,可發出波長可調範圍甚廣的雷射光。經調制後,每一脈波時間可達10-14秒,或波段長度僅(3 × 108 m/s)×10-14 s=3 × 10-6 m,可謂薄如紙張。波長可調且時間甚短,是非常有用的光源。

半導體雷射 正(P)型與負(N)型半導體接觸時,在接觸面附近會形成空乏區。若對P型和N型側各施以正和負偏壓,則可驅趕電洞和電子進入空乏區,電洞和電子的結合會釋出能量並導通電流。因為電子和電洞分居高和低能級,偏壓就能在空乏區造成群數反轉。如果能級間差距夠大且電子和電洞移動夠快,就足以產生雷射作用。

砷化鎵系列或三五族半導體,在摻入雜質後可成為P型或N型的半導體,二者接觸後的空乏區在施以偏壓後可發出波長840奈米一帶的雷射光。若分別在砷化鎵中摻入其他等價的元素如銦和磷等,就能變化雷射的波長。半導體雷射本身甚小,在封裝後也僅及米粒的體積,輸出功率也不高。若把一群半導體製成雷射陣列,體積雖仍然很小但輸出甚高,可用以激發石榴石雷射,甚至有工業上的用途。

雷射的應用

雷射是一種工具,現代各行各業都少不了它。以下略述它的用途。

教育是百年大業,「光」又是科學教育中不可缺的一部分。在以前求學的年代,光波的知識都是「用背的」,這是因為當時沒有任何光源可以發出整齊的光波。當年的老師費盡了力氣,也很難做出繞射和干涉等效果。

今日氦氖雷射既夠明亮,又能發出最為「整齊」的光波,利用氦氖雷射,不費吹灰之力實驗就做出來了。如果你認為氦氖雷射太貴,可以到光華商場以新臺幣約三百元買一支紅光半導體雷射筆,再自製狹縫等進行實驗。至於多狹縫,可以用側放的梳子來替代。而圓孔的繞射,用針在不透明的紙片上鑽一小孔,令雷射光透過後射到暗室中的牆上即可看出。總之,今日的教師和學生,都比從前有福,萬餘元的氦氖雷射光束品質要優秀的多,各級學校又都買得起,應該多採用。

工業是經濟的命脈,財富的來源。今日對工業製品的要求日趨個人化,所以量少、樣多,精緻又汰換快速,雷射切割、焊接等,正好能滿足這些需求。此外,如引擎、齒輪和軸承等,必須耐用耐磨,經雷射處理的材料能達成這些條件。精密的加工,要靠精確的量測來檢驗,雷射量測的誤差可達波長級,或10-7公尺,可謂相當精準了。

二氧化碳雷射和石榴石雷射主要用於加工金屬材料。銅和鋁等對紅外線有很強的反射,石榴石雷射勉強可藉其脈波或閃光輸出來加工。二氧化碳雷射只宜加工鋼及鎢等。加工的機制在於材料吸收光波,溫度升高而熔化,所以和材料的硬度無關。堅硬如鎢、鉻和鎳等,反而容易以雷射加工。

使用二氧化碳雷射可輕易切割木材,於是美國家具工業又告復活,可見只要使用合宜的工具,沒有所謂的「夕陽工業」。準分子雷射鑽孔的效果極佳,但因使用成本較高,非必要時不採用。

除了切割、焊接和鑽孔等類型的加工外,石榴石雷射適於刻製印記。個人電腦鍵盤上的字母、數字和注音符號等,都是用石榴石雷射刻製的。脈波石榴石又可用於去除石像和金屬表面上的污垢或銹蝕,可能會成為標準清理表面的方法。

如果把對材料的施工轉到人體上,雷射的功率不必太高,就可以作外科手術、止血、去除色斑和修正視力等。因為進行手術時不接觸傷口,可減少感染。此外,雷射在整容方面的功能最受重視,這正反映了愛美的天性。

半導體雷射可以讀取光碟中儲存的訊息,經轉換後可以成為音樂或影像。半導體雷射的輸出可以看作是由近似點光源發出來的,因光波的繞射效應而成錐狀,和一般雷射的光束很不一樣。但因光源如同點狀,光錐可以用透鏡平行化,或再聚焦成光點。這光點的大小,除了視原光點的大小之外,原光點愈大再聚焦光點也愈大,並受到光波波長的限制,波長要短則聚焦點才能小,現在藍光半導體雷射是熱門的題目。

一張光碟如果以藍光雷射來寫和讀,儲存的節目至少是現有紅光DVD光碟的兩倍長。由此可以了解VCD儲存節目較短的原因,在於是以紅外線半導體雷射讀和寫。

待有一天綠光和藍光半導體雷射都成熟後,配合現有紅光半導體雷射,R(紅)G(綠)B(藍)三原色雷射俱全,就可以在銀幕上投射電影。這時電影的亮度和解析度高,可以在有照明的室內觀賞,畫面較液晶或電漿顯示器大,而價格可能更為低廉,那時家庭電影院就告正式上市了。

在舞臺上的表演,常以跳躍的雷射光束來營造氣氛。這時雷射光束要能看得到,所以雷射的輸出要達數瓦,目前以離子雷射為秀場的主角。

雷射光效令人歡樂,但它在戰場上的應用也令人恐懼。世人可能都知道以雷射光導引的飛彈,只攻擊所要摧毀的目標,且一定不會失誤。在戰場上,雷射也可以測距和測速。這些功能也可以用在交通管制上,所以研製武器並不一定是壞事,其效用可以推及日常生活。飛彈是一種令人恐懼的武器,反制之道是以直接摧毀飛彈或照射其尋標器,恰如強光使人目眩而誤失目標,所以雷射武器或反制武器都值得研發。

波灣戰爭和伊拉克之戰,都和石油有關,可見能源是造成爭端的主因。自從了解如何促使氘—氚核融合產生巨大能量,成為恐怖的氫彈後,核子科學家就在設法引爆一連串的微小氫彈,以提供可資利用的能源。努力的方向之一,就是以由四面八方同時照射的雷射光,壓縮小型的氘—氚靶球以引起核爆。

目前這方法已經證明的確可行,但如何利用小型核爆產生足夠能量以發揮經濟效益,仍是在探索中的問題。這方法給予科學家無限的希望,其原因在於不會產生放射性副產品,要比目前的核能發電「清潔」得多。又何況氘及氚取自海水不虞枯竭,可以解決眼前的能源問題。

基礎科學的研究,帶動了科學及技術的進步。雷射光的純色性及極短脈波等,成為發掘物質新特性的有利工具,在物理、化學、生命科學等方面的貢獻可謂日益重大。科學研究的特性,可以說是解決了舊問題即啟動了新問題,似乎永無寧日,而雷射正可能是解開新課題之鑰。新課題可能要用新功能的雷射來解決,於是新雷射的開發也是永恆的挑戰。

以光纖傳送半導體雷射所發出來的光訊號,已取代以電纜來傳送的電訊號。當然,光纖也組合成光纜,其通訊量、傳訊速度和通話清晰度等,都遠勝電子訊號產生器和電纜的組合。往日臺灣在淹水後常話路不通,改用光纜即解決了問題。此外,光纖中的光訊號不會外洩,所以無法偷聽。雷射有線通訊是仍在發展中的科技,日漸多采多姿,當然,其目的在於提升通訊的品質和擴充通訊量。

本文以引起青年人對雷射的興趣為目的,力求簡單易懂。但是有些內容,還是要用到更深入的物理學才能說得清楚。請對雷射有興趣的青年學子,耐心地逐步學習,先培養興趣,作為進一步探討的動力。
推薦文章