LASer(雷射)

雷射 雷射的英文名稱為LASER是由Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation的每個字的第一個字母所構成的，意即「輻射的受激發射光放大」。

雷射的發展簡史-1 雷射全名:Light amplification by Stimulated of Radiation(電磁輻射激發的強光) 雷射的最基本原理:物質量子論 1900普朗克提出能量不連續的概念 1905愛因斯坦提出光量子論 1917愛因斯坦提出受激輻射(Stimulated emission) 1950E.M.Purcell 和 R.V.pound實驗證實粒子數反轉

雷射的發展簡史-2 1954年Townes實現了微波放大器-梅射(Maser) 1958湯斯提出雷射的概念 60年代初T.H.maiman成功將梅射原理發展至光頻譜帶，命名為Laser。這是第一台紅寶石雷射。 氣體雷射、半導體雷射等相繼問世

雷射發明簡史-3 1917年，愛因斯坦在他的輻射理論中，首先提出受激輻射的概念。 1953年，湯斯(Charles H. Townes)和他的同事們製成了第一個微波量子放大器─鎂射(MASER)。

1958年，肖洛(Arthur Schawlow)與湯斯把微 波量子放大器的原理推 廣到可見光頻。 1960年，梅曼(Theodore Maiman)成功的製造了第一台紅寶石雷射。幾個月後，雅 文等人又 製成了氦 氖雷射。

氦氖雷射的發明，第一次實現了連續性雷射發射，固體雷射都是脈衝型的，不適於一般使用，連續很多好處，為應用開闢了廣闊的道路。

雷射的原理

雷射基本原理-1 1.能階：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。

雷射基本原理-2 2.光子 愛因斯坦認為光是一種微粒子流。一束光就是一束粒子流。這種粒子就是光子。 光子能量：E=hv=hc/入 =6.626*10^-34*v(joul/光子) =6.626*10^-27*v(erg/光子)

當光和物質相遇時，會發生三種基本現象，也就是光與物質之間會進行三種基本交互作用：吸收(absorption)、自發放射(spontaneous emission) 和激發輻射(stimulated emission)。 吸收： 對於物質處於較低能級，吸收特定頻率的外界光輻射場(光子)而躍遷到較高的能級，這種過程，稱為受激吸收或簡稱為吸收。

吸收(absorption)

自發放射(spontaneous emission)

激發放射(stimulated emission)

粒子數反轉與光放大

雷射形成的三條件 材料要能夠發生粒子數反轉(Population Inversion)以產生增益(Gain)現象 要有泵浦(Pump)系統 要有光學共振腔(Optical Resonator)

粒子數反轉─某個高能階的電子數目要比另一個低能階的電子數多。目前已找到或製造出上萬種材料會產生粒子數反轉，可用來作雷射物質 原先高能階的電子數比低能階的電子數少(上圖) ，但是經過泵浦作用後，即出現粒子數反轉現象(下圖)

紅寶石雷射的能階系統─粒子數反轉發生在「準穩定態(Metastable State)」與「基態(Ground State)」之間

泵浦系統─將低能階的電子送到高能階，使其產生粒子數反轉的現象 常見的雷射泵浦系統有電流驅動(Current Driving)、加熱驅動，或用其他波長之雷射來驅動等方式 泵浦系統常產生大量的熱能，故需增加散熱裝置

光學共振腔 除了有激發介質和供能系統之外,還必須有光學諧振腔(三者組成了雷射器的三大部分),才能獲得雷射。

光學共振腔─光在共振腔中來回振盪，使得雷射物質不斷地產生受激輻射，因而光得以放大 穩定共振腔：當0≦(1-L/R1)(1-L/R2)≦1時，會產生穩定的雷射光輸出 常見的穩定共振腔：

雷射的特性 光束是單向性的。 光束具有高強度。 雷射光幾乎是單色的。 雷射光是同調的(相干性好)。

雷射光的基本特性 光束筆直性：雷射光束幾乎呈一直線，散射角很小 單一波長性：雷射光的波長範圍很窄，幾乎為單一波長 高同調性(High Coherence) ：雷射光波之間的相位(Phase)幾乎固定，因此適合做光學干涉(Optical Interference)方面的實驗與應用

雷射的種類 依工作物質分類 氣體雷射：氦氖雷射、CO2雷射 固體雷射：紅寶石雷射及YAG雷射 液體雷射：染料雷射 半導體雷射 化學雷射

雷射的應用 雷射加工 雷射計量 雷射通信 雷射全像術 雷射分離同位素 雷射光譜分析 雷射核聚變 雷射手術

雷射加工 切割金屬材質 表面處理─ EX1：釉化處理：對材料表面照射高功率雷射，將數十微米熔融層急冷，形成非晶質層，獲得硬質、高耐蝕性表面。

雷射光之高同調性的應用 全像術(Holography) 各式各樣的光學干涉實驗

全像術(Holography) 全像術是利用光學干涉原理做出來的，而雷射光之同調性高，因此特別適合做全像片(Hologram) 全像片在觀看時，必須要用製作此全像片時相同的光源來照射，才能產生影像 全像片為3D立體影像，觀察者站在不同角度，即可看到不同位置之景像 一般照片為2D影像，觀察者即使站在不同角度，也只能看到相同的景像。例如一個人的正面照片，絕不可能從照片中看到其側面或背影 一般照片之底片如果損毀，即無法重建影像。但是全像片底片如果被撕毀只剩一小片，仍然能重建全部影像

雷射光其他性質的應用 雷射印表機 雷射藝術或裝飾、煙火秀等

雷射指示筆(Laser Pointer) 雷射筆可用於上課、演講之中，指出投影幕上的重點位置

全像術(Holography) 全像術是利用光學干涉原理做出來的，而雷射光之同調性高，因此特別適合做全像片(Hologram) 全像片在觀看時，必須要用製作此全像片時相同的光源來照射，才能產生影像 全像片為3D立體影像，觀察者站在不同角度，即可看到不同位置之景像 一般照片為2D影像，觀察者即使站在不同角度，也只能看到相同的景像。例如一個人的正面照片，絕不可能從照片中看到其側面或背影 一般照片之底片如果損毀，即無法重建影像。但是全像片底片如果被撕毀只剩一小片，仍然能重建全部影像

雷射光其他性質的應用 雷射印表機 雷射藝術或裝飾、煙火秀等

雷射讀寫頭(Laser Pickup Head) 雷射唱盤之讀寫頭所發出的光束(左圖中紅色光點) ，可取代傳統唱機之唱針(右圖)，用來讀取儲存於光碟上的訊號

雷射光碟的優點 儲存容量大 傳統唱片、錄音帶易被唱針、磁頭等刮傷、磨損導致變形，保存不易；而雷射光碟由於讀寫頭不直接與光碟片接觸，且製作技術較進步，因此一般可保存30年以上

VCD/DVD光碟(機)與新一代光碟(機)之比較 傳統的VCD/DVD光碟，儲存的資訊量較少，而其光碟機之讀寫頭使用較長波長(650nm)之紅色雷射光；而新一代藍光DVD，儲存的資訊量較大(27GB)，而其光碟機之讀寫頭使用較短波長(405nm)之藍色雷射光。因為波長較短的雷射光才可聚焦在較小之區域範圍，讀取較密集的資料

雷射切割機或雷射手術刀 將雷射光束能量集中在一塊微小區域，可產生高熱，能切割金屬或割除身體上的痣、息肉、腫瘤等

雷射手術的優點 一般手術需將手術刀消毒，如果手術刀消毒不完全易造成傷口感染，而雷射手術並無手術刀，因此可降低感染風險，且雷射產生的熱具有殺菌效果 一般手術刀之刀刃較厚，手術切割時出血量較大；而雷射光束可聚焦在一小點，相當於用較薄之刀刃切割，因此手術時出血較少，且傷口癒合較快

雷射針灸 以雷射光束取代傳統金屬刺針，插入穴位可治療疾病、疼痛等 雷射光照射人體皮膚後，經由電磁效應或光化學作用，會刺激淺層皮膚內種種生理及代謝反應，例如血管擴張、去氧核醣核酸（DNA）合成增加、膠原組織增生、免疫功能增進等

雷射針灸的優點 雷射針灸因為沒有實際的針刺入身體，可避免感染或其他侵入性的傷害 雷射光還可加上弦波、方波、三角波等電氣調變訊號輔助，治療更多各式各樣的疾病

雷射瞄準器 放置在槍枝上，雷射光束可協助瞄準目標物

雷射測距儀與雷射掃瞄儀 雷射測距儀在1970年代問世，只要將雷射光束對準目標發射，待接收反射訊號後即可計算其距離 將雷射測距儀的雷射光束對目標物表面各處作快速掃瞄，配合影像處理系統，即可成為雷射掃瞄儀

雷射掃瞄儀的應用 左圖為雷射掃瞄儀所掃瞄出的維也納歌劇院，將歌劇院外圍與觀察者之間不同距離的景物以不同的顏色顯示。右圖則為實際影像