雷射與光電科技之應用.

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1 雷射與光電科技之應用

2 大綱 雷射 光纖 液晶與電漿顯示器 電子紙張 數位相機/攝影機 光感測器 問題與討論

3 壹、雷射

4 雷射史 1950年代，由H. Townes、N. G. Basov與A. M. Prokhorov 等人利用「受激輻射 (Stimulated Emission)」的理論，製作出微波(波長0.1-10cm)放大器的裝置 ，稱之為梅射( Maser)，此即為雷射( Laser) 光的前身。而1964年此三人共同獲得諾貝爾獎 1960年，梅曼(T. H. Maiman) 製作出全世界第一台可見光範圍(波長 nm)的雷射─紅寶石雷射，它的波長為694.3nm。而梅曼後來被尊稱為「雷射之父」

5 世界第一台紅寶石雷射

6 受激輻射示意圖 受激輻射：高能階電子受外來光子的影響而落至低能階，因而放出與外來光子相同相位(phase)及相同波長之光子

7 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)

8 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)

9 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

10 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

11 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：

12 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 其他

13 雷射光束之筆直特性與其應用

14 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

15 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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 眼罩式低功率雷射針灸儀─採用自動化內建療程，配戴眼罩透過電腦點選就可進行 (中原機械系章明教授研發)

23 雷射瞄準器 放置在槍枝上，雷射光束可協助瞄準目標物

24 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

25 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

26 雷射掃瞄儀掃瞄台南孔廟正殿

27 雷射掃瞄儀掃瞄高雄中油煉油廠中複雜的輸油管線與鷹架

28 雷射水平儀

29 雷射投手控球訓練機 利用雷射/感測器陣列，偵測棒球所在之位置，可訓練投手投出邊邊角角的好球，增強其控球能力

30 投手控球訓練機之原理 以下圖為例：當球通過雷射/感測器取樣平面時，球會擋住水平方向第5道及垂直方向第8道雷射光束，因此對應位置之光感測器便無法接收到信號，如此便可知道此時球的位置 多設幾個取樣平面，便可描繪出球的軌跡；如果還能記錄球通過各個取樣平面的時間，便能推算球的速度

31 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

32 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

33 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

34 雷射印表機簡介 雷射印表機的的原理和影印機類似。影印機使用可見光掃瞄列印滾筒，雷射印表機則改用雷射，解析度較佳。列印時印表機接收電腦傳送的資料，而雷射光則照射到滾筒，被照到的地方會帶靜電，靜電會吸引碳粉，再由滾筒壓印碳粉至紙張，經熱處理固定，即完成列印的動作

35 貳、光纖

36 「光纖通訊之父」─高錕 高錕博士生於上海，其後移居香港。他在英國取得倫敦大學博士學位，歷任歐美多家著名電訊機構的重要職位及香港中文大學校長。早年使用玻璃纖維傳送光訊號時，能量損失很大，而高錕雖不是發明光纖之人，但是他在1966年提出如何消除光纖中OH離子的方法，使得光傳輸時能量損耗降至最低，從此光纖通訊便成為可行，所以高錕被譽為「光纖通訊之父」

37 光纖通訊(Optical Fiber Communication)
光纖是用玻璃纖維製成，其內層之核心(Core)部份折射率較大，而外圍之披覆層(Cladding)部份折射率較小，因此雷射光可在內外層之間形成全反射而導光 目前光纖通訊主要是使用波長在1320nm附近與1550nm左右的雷射光

38 光纖通訊的優點 光纖通訊的傳輸頻寬，可達到微波通訊的十萬倍以上，更達到傳統低頻電纜通訊十億倍以上，因此每單位時間能傳送較多的資訊
光纖通訊可傳送較遠的距離，而微波通訊之訊號會隨著距離增加而快速衰減 光纖通訊較能避免訊號被干擾，且保密性高

39 光纖與光纜─將許多根光纖綑在一起，外圍再包一層塑膠，便可形成光纜，可傳送更多資訊

40 光纖通訊所用的零組件 (財團法人儀器科技中心施至柔博士提供)

41 光纖在醫療用內視鏡中的應用 各種醫療用內視鏡如胃鏡、大腸鏡等，都使用光纖傳輸訊號
內視鏡的基本結構─以胃鏡為例(左圖) ，前端為一個迷你攝影機，而所拍攝到的胃內部影像訊號透過光纖傳送到外部螢幕上(右圖)

42 光纖感測器 光纖除了可用於通訊與醫療之外，還可用作感測器。因為光纖的折射率，會隨著微小溫度、壓力、位移等改變而發生變化，這改變會導致光在傳輸時，產生速度、相位、極化方向(Polarization Direction) 等特性的改變，而這些改變被偵測出來後，便可推知溫度、壓力、位移等之變化量

43 光纖橋樑接縫感測器─可偵測橋樑接縫是否變大，當接縫大到超過臨界值時，便會發出警訊，通知人員檢修，以避免斷橋事件發生 (逢甲光電所劉文豐教授提供)

44 光纖的其他用途 可使用光纖將太陽光導引地下室或暗無天日的地方，對於必須長年生活在這些地方的人之健康極有幫助，會比只使用電燈或日光燈照明要好得多 許多藝術家用光纖導引各種顏色的光，製作不同的景物造型

45 參、液晶與電漿顯示器

46 各種顯示器的應用

47 顯示器的演進 傳統的電視及電腦等均使用陰極射線管顯示器(CRT Display) ，其螢幕解析度差、厚且笨重、耗電量大、散熱不易
近年來液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)及電漿顯示器(Plasma Display Panel, PDP)越來越普及，其解析度佳、耗電量小、形體薄、質量輕，於是CRT Display便逐漸遭到淘汰 我國政府在2002年提出的「兩兆雙星產業發展計畫」中，極力推動台灣成為全球第一大LCD面板供應國，但是電漿顯示器產業並不在政府的規劃之中

48 LCD面板正面之照片(左圖)與反面照片(右圖)

49 LCD之基本結構(一)─包含光源、液晶(Liquid Crystal)、極化器(Polarizer)、彩色濾光片(Color Filter)、薄膜電晶體 (Thin Film Transistor, TFT)等

50 LCD之基本結構(二)

51 畫素結構─TFT控制液晶排列方式，Black Matrix控制彩色濾光片

52 LCD之原理─改變液晶的排列方向，便能改變穿透光的強度大小
以下圖為例，左邊液晶排列方向的改變使得輸出光的極化方向被旋轉了90度，但右邊的液晶與輸出光的極化方向均無改變 如果放置在輸出端的極化器只能讓極化方向轉了90度的光通過，則右邊的輸出光會被擋住，但左邊的輸出光則可以通過，反之亦然 運用以上原理，便能調變穿透光的強度

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55 穿透式LCD所用之背光模組

56 新型LCD所用的光源─白光二極體，它包含各種顏色光的成份

57 光的三原色

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59 產生彩色畫素(Pixel) 光的三原色─紅(R)、綠(G)、藍(B) 控制彩色濾光片，使其調整穿透光之三原色強度比例，即可得到各式各樣的色彩

60 畫素之顏色控制

61 LCD超大電視螢幕

62 電漿顯示器之原理 利用惰性氣體(Ne, He, Xe等)放電時所產生之紫外線激發彩色螢光粉，再轉換至人眼可接受之可見光

63 電漿顯示器的優點 視角寬廣，可達到160度，在任何角度都可輕鬆的觀賞 螢幕邊緣的影像不會扭曲 做成大尺寸螢幕非常容易 省電

64 肆、電子紙張

65 電子紙張顯示器 電子紙張是一種很薄的顯示器，能像紙張一樣可以折疊，或是捲起來，因此攜帶十分方便
未來報紙、雜誌、書籍如果都採用電子紙張並結合網路功能，便可隨時更新內容 電子紙張屬於「軟性電子材料」產業，我國工研院目前正結合台科大、交大、中央、台大等校光電相關系所大力發展中

66 黑白電子紙張原理

67 日本Hitachi公司於2006年所開發成功的彩色電子紙張

68 以電子紙張作為報紙之影片

69 軟性電子材料顯示器

70 微胞化之液晶顯示製程技術包含Photo-polymerization induced polymer wall LCDs (PWLC)及Microencapsulated LCDs技術‧PWLC方法是將LC與添加光起始劑之含乙烯單體或不飽和雙鍵樹脂混合均勻，塗佈在兩片基板中，在曝光的過程中搭配光罩，經紫外光照射後樹脂系統行聚合反應而形成Polymer-rich之Polymer wall及LC-rich之domain‧因LC-rich domain範圍較大，故其中之LC分子在光線通過時仍保有Phase retardation及Polarization rotation之特性，因此開發出高對比之軟性液晶薄膜。其研發重點在於液晶與高分子之材料配方選擇、相位分離條件之最適化及塑膠基板之組立技術開發等‧在Microencapsulated LCDs技術方面，乃是使用微膠囊化技術將膽固醇液晶或向列型液晶摻混二色向染料包裹起來，前者之顯示機制是藉由未加電壓時的週期性結構─Planar State所造成的Bragg反射(亮狀態)及加電壓後形成的垂直結構─Focal Conic State所造成的光穿透(暗狀態) 來完成，後者之顯示機制乃利用散射效果及主客效應中二色向染料之吸收效果來達成亮暗顯示。

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72 伍、數位相機/攝影機

73 數位相機/攝影機是目前我國與南韓、日本在國際上競爭的主要光電產品
數位相機/攝影機除了可單獨使用外，也可做在手機之中，或搭配其他電子產品使用 我國政府希望數位相機產業，台灣能擺脫對日本的技術依賴

74 數位和傳統相機的差別 傳統相機是利用光線讓底片感光，而將影像記錄在底片上，無法直接連接電腦作處理
數位相機是利用電荷耦合元件(Charge Coupled Device , CCD)或是互補式氧化物金屬半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)的影像感應功能，將光線轉換為數位訊號，這些訊號可儲存於內建的記憶體晶片上，並且可直接連上電腦作影像處理

75 影響數位相機畫面品質的因素 鏡頭的好壞─如果鏡頭設計不佳，影像品質也會不好
CCD或CMOS的面積─面積越大，解析度越佳。由於手機數位相機體積較小，因此所用的CCD或CMOS的面積也較小，所以其解析度較一般的數位相機差 內建記憶體的大小─記憶體越大，能儲存的畫素訊號越多，解析度越好 鏡頭的好壞─如果鏡頭設計不佳，影像品質也會不好

76 鏡頭設計不佳所造成畫面失真的實例─文化大學電機系學生將某廠牌的數位攝影機放置在距離方格紙(5cm×5cm)前50cm處拍攝，發現畫面失真十分嚴重

77 採購數位相機/攝影機須知 如果用數位相機拍攝4吋×6吋大小的照片，必須要315萬畫素以上；如果要拍攝A4大小的照片，則必須要600萬畫素以上；如果要拍攝全開大小的照片，必須要3000萬畫素以上，這樣拍出來的照片才會與傳統照片有相同的解析度

78 陸、光感測器

79 光感測器 光感測器種類很多，除了偵測可見光(波長 nm)之外，也有一些可以偵測人眼所看不見的紫外線(波長小於400nm)與紅外線(波長大於800nm)，而以偵測紅外線的光感測器用途最多 日常生活中的紫外線，主要來自於太陽或日光燈。紫外線可用來殺菌，或用於半導體廠之光罩製程設備等 日常生活中的紅外線，主要來自於高溫物體。而紅外線常用於家用電器之遙控器等

80 會追蹤紅外線的響尾蛇飛彈 響尾蛇飛彈於1953年由美國試射成功，它使用紅外線感測器追蹤敵機，可鎖定敵機引擎的位置，因為飛機引擎的溫度最高，會輻射大量紅外線 1958年(民國47年)台海「八二三砲戰」期間，我國空軍F-86「軍刀式」戰鬥機發射AIM-9B型響尾蛇飛彈，擊落中共空軍 10 架以上米格15戰鬥機

81 紅外線防盜器 人的體溫與周圍環境不同，會發射特定波長範圍的紅外線，因此可用紅外線感測器來製作防盜器，只要感測器偵測到有人靠近，即可發出警訊
紅外線防盜器只能偵測是否有人靠近，但無法分辨是「好人」還是「壞人」，必須要配合其他方法

82 紅外線攝影機 紅外線攝影機的原理與防盜器相似，都是利用人的體溫與周圍環境不同，便可發射出不一樣波長的紅外線。它可拍攝躲在暗巷中的不法份子，或在山林中搜尋失蹤的登山客，戰爭時則可用來搜尋躲在濃密草叢中的敵軍

83 深夜犯罪現場─左圖為普通攝影機所拍到的模糊影像，右圖則為紅外線攝影機所拍到的歹徒綁架被害人之影像

84 使用紅外線感測器測量氣功師父所發出的氣功
氣功為人體所發出的能量，大多數無法以肉眼觀察。我國學者李嗣涔(現任台大校長)等人，從1987年(民國76年)起以紅外線感測器測量不同門派的氣功，證實氣功的存在

85 以銻化銦紅外線感測器測量氣功師父發出「養氣(Helpful Qi)」之反應─發功(start)時手掌溫度會升高，使得紅外線感測器的輸出電壓增加 (台大校長李嗣涔教授提供)

86 以銻化銦紅外線感測器測量氣功師父發出「殺氣(Strong Qi)」之反應─發功時手掌溫度會下降(類似「寒冰掌」)，使得紅外線感測器的輸出電壓略微降低。但氣功師父收功(stop)後，手掌溫度會急速升高，使得紅外線感測器的輸出電壓突然增加(類似「七傷拳」)

87 問題與討論 一、家用電器的遙控開關，是否適合用雷射光來控制？說明你(妳)的看法。
二、台大物理系蔡定平教授，2002年研發出當時全世界容量最大的光碟片(100GB，相當於現在DVD的20倍)，比新一代的藍光DVD(27GB)容量還要大得多，且已技術轉移至錸德等知名廠商，但直到2006年底為止，全世界並無廠商準備量產，你(妳)認為有那些原因？

88 三、如果有一片光碟可儲存100部電影，但只有一部是你(妳)想看的，是否會影響你(妳)租片或購買的慾望？
四、根據本課程所學的知識，為什麼瓜子臉的人上電視會比大餅臉的人吃香？ 五、你(妳) 認為「天龍八部」中游坦之所練的「寒冰掌」與 「倚天屠龍記」中金毛獅王謝遜所練的「七傷拳」，是否真的有這種武功？台大校長李嗣涔過去所作的研究是否可以百分之百證明其存在？

89 隱形斗篷