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地科研究:探究大自然循環奧祕的雷射

雷射具有高度空間解析取樣能力,可偵測微區樣品空間解析的化學成分,藉由元素或同位素含量的變化,可推知大自然循環的奧秘。
 
 
 
自從一九六○年美國物理學家梅曼先生(Theodore Malman)在加州休斯研究所,利用氙燈激發紅寶石產生人類第一束紅寶石雷射光後,各式各樣的雷射就如同雨後春筍般出現。

截至目前為止,雷射在科學研究上的應用,有物理基本常數的測量、高解析度光譜量測、高空間解析度偵測、原子的冷卻和捕捉、支持全球定位的原子鐘、導航用的光學陀螺儀、校正天文望遠鏡的鈉星、寬頻網路的光通訊、大氣層探測、同位素分離、基因排序、全像術、半導體製程、近視矯正等,其重要性可想而知。雷射在日常生活方面的應用,例如:雷射音響、雷射影碟、雷射印表機、雷射光碟機等,都是一般人耳熟能詳的設備。此外,在超級市場結帳時的條碼判讀器,演講時使用的雷射指示筆,偵測車輛速度的雷射超速偵測器,雷射舞會等等均離不開雷射。

雷射基本原理介紹

雷射是指藉由激勵放射進行光放大作用所產生的光線。一般來說,熱輻射的光源,例如太陽光,都是沒有方向性的,而且光子間彼此沒有固定的關係。但雷射是一種光學振盪放大的光線,它輸出的所有光子具有相同的相位、方向與振幅,所以具有高強度、方向性、單光性與同調性等特質。

雷射的基本原理必須以原子的構造來描述。宇宙中所有物質皆由原子組成。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。原子核的外圍布滿著帶負電的電子,繞著原子核運動。量子力學所描述的微觀世界告訴我們,電子在原子中的分布並不是任意的,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。我們使用簡化的原子模型來說明:將這些能階想像成一些繞著原子核的圓形軌道(其實應該稱為軌域,因為電子是在某一個區域內運行),而距離原子核越遠的軌道能量越高。

電子可以藉由吸收或釋放能量從一個能階躍遷到另一個能階。例如當電子吸收了一個光子時,它便可以從一個較低的能階躍遷至一個較高的能階。同樣地,一個位於高能階的電子也可透過發射一個光子而躍遷至較低的能階。在這些過程中,電子吸收或釋放光子的能量一定得與電子跳躍的這兩個能階間的能量差相等。

當原子內所有電子處於可能的最低能階時,整個原子的能量最低,原子也最穩定,我們稱原子處於基態。若基態原子內的一個或多個電子被提升到較高的能階時,我們稱原子處於激發態。如上所述,如果電子自發地吸收光子而由基態或低能態躍遷到激發態,稱為自發吸收。又若電子自發地釋放光子而由激發態躍遷到較低能階或基態,稱為自發放射。

而另一種能量轉移的作用,稱為激勵放射,它是雷射產生的重要機制,此作用即為光子射入物質誘發電子從高能階躍遷到低能階,並釋放出與入射光子相同波長和相位的光子。而光子能量必須等於躍遷的兩能階差。一個光子誘發一個原子放射一個光子,最後就變成兩個相同的光子,連鎖激勵作用的結果,將造成大量相同的光子。

雷射基本上就是由激勵放射機制所產生。為了使光達到激勵放大的效果,能態間的分布關係需達到所謂的居量反轉,即較高能階的居量必須大於光放射頻率下的較低能階居量。

現在以一個四能階模型來描述:其能階的高低依序為E1<E2<E3<E4。首先一些光子激發原子從E1到E4,假如E4躍遷到E3的機率比E4躍遷到E1大很多,而且E4是不穩定的能階,如此E4的居量將很快衰退到E3;又假如E3是一個生命期相當長的介穩能階,則E3的居量將很慢地自發放射到E2;最後假如E2也是一個不穩定能階,則E2也將很快衰退到原子的基態E1。在這種狀態下,E3的居量很容易就大於E2的居量。此結果與常態分布下的狀態剛好相反,所以稱為居量反轉。

在此狀況下,光吸收的效應變得很小,而相同頻率的光子通過這個雷射活性介質,將不斷地產生激勵放射,如此將產生大量相同的光子,放出強大的單一頻率的光線。若居量反轉效率越大,所得雷射的增益效果越大,所以作為雷射的活性介質就必須擁有此性質。常用的釹:釔鋁石榴石(Nd:YAG)雷射,即是利用釹離子(Nd+3)的四能階居量反轉,產生1,064奈米雷射光。

雷射主要由三個部分組成:雷射介質、激發來源與共振腔。在雷射產生的步驟中,先由激發來源閃光燈發出光去激發雷射介質,使雷射介質中的活性粒子(紅寶石雷射為鉻離子)受到激發,達到某一激發態。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雷射介質兩端的鏡子來回反射(即所謂的共振腔),誘發更多的電子進行激勵放射,使雷射光的強度達到最高。共振腔中的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,並讓小部分光子穿過,而穿過鏡子的光子就是我們所見的雷射。

閃光燈的激發脈衝時間寬度一般來講是在微秒(μs)的範圍,因此產生的雷射光脈衝較寬,造成尖峰能量偏低。為了增加雷射能量與增快雷射時序,通常會在共振腔內加入光學品質開關(Q-switch)。一般是由一個極化鏡與一個光學開關的波卡爾器(Pockels cell)組成。利用極化方向的不同將光鎖在共振腔內,然後快速啟動波卡爾器,將光線極化方向調整為放射的正確方向,瞬間放射而出。因此所得雷射光脈衝寬度可達到小於10奈秒(ns),而且強度增強許多。

雷射光是經由激勵放射作用的結果,它產生的光與燈光不同。燈光是多種波長混合而成的白光,而且是任意方向放射,而雷射光則是單一波長、有方向性和同調性的,所產生的光子都具有相同的相位、相同的偏振,它們可加成,產生強度相當大的光。

利用雷射光的特性目前已有諸多方面的應用,較常見者羅列如左表。目前雷射還在蓬勃研發階段,它的種類很多,從固體、氣體、液體到體積較小的半導體雷射;所涵蓋的波長範圍也非常廣泛,可以從紫外光、可見光到紅外光。

雷射分析儀器

雷射在分析儀器上的偵測技術,主要有雷射誘發螢光法、雷射離化儀、雷射誘發爆裂光譜法與雷射剝蝕法。前兩種已是發展得相當成熟的技術,最近比較熱門的研究課題為後面兩種技術,由於這兩種技術樣品不需要經過前置處理的步驟,而可以直接分析固態樣品,成功地突破傳統分析技術的限制。再者,由於雷射光可以聚焦到相當微小的面積,因此只要少量的樣品(幾個微克)即可分析。藉著移動焦聚的位置,更可達到高度空間解析取樣的目的。

雷射誘發爆裂光譜法與雷射剝蝕法都是將高能量的雷射聚焦在樣品上,把樣品敲出後,再利用光學或質譜去偵測。所不同的地方是雷射誘發爆裂光譜法一般使用較高能量的雷射,它把樣品激發成類似電漿的狀態,然後偵測元素所放射的特性波長;而雷射剝蝕法所用的雷射能量較低,目的在得到高解析度的取樣,所以它通常與一個高靈敏度的偵測器結合,如感應耦合電漿質譜儀(ICPMS)。

雷射誘發爆裂光譜法是使用光學放光偵測器,其偵測效果大概都在百萬分之一(ppm)濃度的範圍,其靈敏度無法與雷射剝蝕法所使用的質譜偵測器相比。因此「雷射剝蝕–感應耦合電漿質譜儀」在科學上的應用較為廣泛,這也是我們目前所要介紹的主要儀器。

雷射剝蝕–感應耦合電漿質譜儀的裝置主要由一部雷射與一部感應耦合電漿質譜儀所組成。其常用的雷射有釹:釔鋁石榴石雷射與準分子氟化氬雷射,所用的雷射光波長有266奈米(1,064奈米四倍頻)、213奈米(1,064奈米五倍頻)與193奈米。雷射光經過能量與光徑大小調節裝置,通過一個聚焦鏡片,聚焦在樣品上。其聚焦的孔洞直徑大小約可達到1微米。目前研究結果,波長較短的雷射光,可得到比較好的剝蝕效果。

感應耦合電漿質譜儀是一種微量元素分析及同位素分析儀器,它結合了感應耦合電漿高效率的游離作用,以及質譜儀高靈敏度的元素偵測能力。其中感應耦合電漿可將大部分的元素形成一價離子,只有少數元素會形成二價離子,它是無機質譜儀相當理想的離子源。而質譜儀則是利用不同的荷質比來偵測元素,可同時且靈敏地分析各種元素。所以雷射剝蝕法與感應耦合電漿質譜儀的結合可成功地應用在不同種類的樣品分析上。目前雷射剝蝕–感應耦合電漿質譜儀的偵測能力,若使用磁場式質譜儀與聚焦50微米孔洞大小的取樣,其元素偵測的濃度極限約在十億分之0.5~20(ppb)之間。此結果已超越其他的直接偵測固態樣品技術。

雷射在地球科學上的應用

由於雷射可聚焦到小於微米的孔洞大小,因此雷射剝蝕法可達到樣品高度空間解析的偵測效果。以下介紹三種利用此特性所進行的研究︰鋯石鈾–鉛定年;珊瑚骨骼中微量元素與颱風的關係;鰻魚耳石微化學分析。

鋯石鈾–鉛定年 鋯石化學成分是ZrSiO4,為火成矽酸岩、結晶石灰岩或變質岩中常見的一種附屬礦物,因為其特殊物理化學性質,可良好保存其形成年代資訊,然而因為其結晶顆粒甚小(可達數十微米),傳統分析方法應用極為困難,利用雷射剝蝕法的高空間解析度,可針對鋯石不同位置偵測其中鉛和鈾的同位素比值,而推得其形成的年代,藉此了解其地質演化的歷史。而其中也發現使用較短波長的雷射光取樣,有較好的剝蝕效果。

珊瑚骨骼中微量元素與颱風的關係 珊瑚對生長環境的變化極為敏感,其骨骼成分與海水化學或天候的變化息息相關。使用雷射剝蝕法對珊瑚中不同年月的骨骼成分做精細的空間化學分析,可解析許多環境變遷和污染問題,例如我們發現其鍶/鈣比為良好表水溫度指標比值,而鋇/鈣比變化則與颱風出現日期有相當密切的關係,當颱風來臨時,因陸源物質的加入,使鋇/鈣比值劇烈上升。

鰻魚耳石微化學分析 鰻魚耳石記載著鰻魚的成長生活史。因為在不同的環境裡,耳石中的微量元素跟著改變,藉由耳石中鍶/鈣比值與海水、淡水鍶/鈣比值的比較,可以推測什麼時候鰻魚游到河裡或海水中。早期的研究是使用電子微探測偵測,許多微量元素受限於偵測感度,藉由雷射剝蝕法可達到更高空間解析的目的,而且使用更靈敏的感應耦合離子電漿質譜儀,可同時得到更多元素的同位素資料,藉此可推測出更仔細的鰻魚生活史。

展望

雷射應用在科學儀器上已演化成為相當重要的工具之一。而且目前還不斷在發展改良當中,對於分析極限上的貢獻也不斷在進步。以雷射剝蝕法來講,使用波長較短的紫外光雷射與脈衝寬度達到皮秒或費秒的雷射,將可達到更好的剝蝕效果。

對於雷射剝蝕法-感應耦合電漿質譜儀的分析技術在地球科學的應用上,由於雷射提供高空間解析度的偵測能力,可以讓我們直接量測所有地球實際樣品,而且觀測到更微區樣品的元素和同位素變化,來推測地球的演化情形。如此,我們便可由微小的世界中去探知大宇宙的自然循環現象。
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