實驗原理

1. 雷射光的產生

(1) 量子理論

　　1917年愛因斯坦提出物質與輻射的作用有三個基本的過程，即激發吸收，自發放射和激發放射三種。激發吸收即一般的收過程，當輻射光含有hμ=E₂-E₁之光子入射處於低能階(基態)為E₁，而其任一高能階能量為E₂物質時，的光子能量將使該原子自E₁躍遷至E₂。當原子自基能躍遷至激發態後，有兩個過程使它重返至基態，其一為自發放射，即不須外界的干擾，過一段時間後，它自行自E₂之能階降至E₁之能階，並釋放出hμ的光子能量，此自發放射的方向、相位等是任意的。另一過程為激發放射即處於激發態之原子，由於受到外來光子之撞擊，而由高能階向低能階躍遷。此時，所產生的光子與外來的光子有相同特微，即它們的頻率、相偏極方向和傳播方向均為一致。由於光子的數目反而增加，故吾人稱光波有放大的作用。

圖1

　　假設物質由一堆總數為N的原子所組成，我們將原子的能階簡化成含高能階E₂和低能兩者(two-level atoms)，則上述的過程使得在E₁和E₂能階的原子數目隨E₁時間而變，針對E₂能階而言。

圖2

(2) 粒數分布倒反

圖3

　　當光與物質相互作用時，(1)節所述的三種過程總是同時出現，現在我們要問：在什麼條件下，光波經過物質時會有放大的作用？前面已提，在熱平衡狀態下，其原子處於高低階能量的數目分布為波茲曼分布，當光經過此物質時，光的吸收過程總是遠大於光的放射過程(因為N1>>N2)，所以在此情況下，我觀察不到光的放大現象，只能觀察到光的吸收現象。如果在外來能量激發下，使物質中處於高能階數大於低能階的數目，則此時光的淚發放射過程將壓倒激發吸收過程，而使激發放射占主導地位(自發放射程可暫略)，使此時在高低能階的數目分布稱粒數分布倒反(population inversion)，它是產生雷射必備之條件。

(3) 雷射的三要素

　　任何介質欲產生雷射，必須具備下列三要素，即雷射介質、激發裝置和光學腔。雷射介質所謂雷射介質是指介質受激發後能生粒數分布倒反的現象。它們均有下列同特點：即激發至高雷射能階的機會相當大，停留在該能階的時間長和低雷射能階的生命期短等。這些雷射包含氣態(如He-Ne、Ar、CO₂、N₂、金屬蒸氣、準分子等雷射)、固態(如Nd：YAG)、液態（如化學雷射）和半導體等。不同的雷射，其能階躍遷的種類和對應能階值不同，故其輸出光的波長亦不同。

激發裝置:激發裝置是指將某種型式之能量加入雷射介質，使其激發至高能階的數目大增，並產生粒數分布倒反的裝置。通常激發有：

(i)放電激發法：如一般的氣體雷射。

(ii)光激發法（閃光燈另一雷射光源）：如一般的固態染料雷射。

(iii)電流激發法：如半導體雷射。

(iv)化學激發和其他激發法：如人學雷射、自由電子雷射法等。

　　本實驗所採用的雷射是氦－氖雷射，也是氣體雷射之一種，所以是採用高壓放激發方法，有這方面的原理在後面會再詳細提及。

光學腔

　　在雷射光產生過程中，其原始光的信號來自發放射，而自發放射是雜亂無章的，如何在其中選取一定傳播方向和頻率的光信號，使和方向性的雷射光呢？最簡單的方式，即在介質兩端和加同光軸的反射鏡，稱為光學腔，其中一為全反射鏡，另一片為部分穿透鏡，當光子在光軸方向往返穿梭不斷撞擊激發原子，不斷放大，以致於激發輻射光遠大於自發輻射光。當激發至某一程度時，光子放大的因素大於撰失的因素(如部分穿透損失、鏡片吸收、繞射損失、介質散射損失等)，此時方有雷射輸出。光學腔的長度和鏡片之曲率半徑大小決定電磁波在雷射光學腔內的形式以及在腔內傳播時的損耗情形。0<g₁.g₂<=1其中g₁=1-L/R₁，g₂=1-L/R₂，R₁ (R₂)為鏡片1(2)之曲率半徑，L為光學腔，方可得到穩定之光學腔(見圖4)。而存在光學腔內有許多光波的形式，通稱為TEM波型，若我們能抑制高階型僅讓最基本的波型的增益大於光學腔的損耗，則稱此時之雷射輸出波型為TEM₀₀波型或高斯波型;在許多雷射的應用中，其波型的分布是很重要的，例如雷射切割應用等。

圖4

圖5

綜合言之，整個產生雷射的過程如圖6之說明：

(a)未激發前，介質的能量分布為波茲曼分布，即大部分原子處於基態。

(b)受激發裝置激發，處於激發態的原子大增，而有較多的自發放射。

(c)自發放射出的光子撞擊激發態原子而產生激發放射。

(d)(e)沿光軸之激發放射經光學腔反射，而有快速之成長。

(f)當光的增益(gain)克服光行進時的損耗時，此時會有雷射光輸出。

圖6-a

圖6-b

圖6-c

圖6-d

圖6-e

圖6-f

2.雷射光的特性

(1)方向性(Directionality)

　　自任何光源射出光束在傳播時，均會有擴散的現象，通常以擴散角(Full angle divergence) 來表示光束擴的程度。對於一個普通的燈泡產生的光是向360傳播，但一般雷射之擴散角僅在1毫弳左右。若在光學腔內光波為高斯型分布，稱為高斯光束(Gaussian beam)其束腰(waist)為w₀，由繞射理論可得知，在遠場時，其擴散角可寫成

(2)亮度(Brightness)的定義

光源在某一方向的亮度可定義為此光源在單位面積上，向該方向的單位立體角內發射的光功率，即

其中，B：亮度(Watts/cm² st)P：光源之功率(Watts)　A：光源之截面積(cm²)

：擴散之立體角(steradians)

　　普通光源亮度不強，而即使是1mW雷射光源亮度的雷射其比太陽光的亮度要高數百倍，故對雷射光均不可正視，以免受傷害。除了氫彈外，至今尚未有其他裝置能像雷射這樣高度的集中能量。當然，雷射的總能量是不大的，但電射把能量在空間和時間上高度地集中起來，因此就有很大的威力。利用這些特性，雷射可以從事遠距離的測量，如測地球與月球間的距離和雷達、通訊應用。另外，會聚適當功率之雷射光，在焦點附近能產生幾千度以及幾萬度的高溫，容易熔化或氣化各種材料，因此目前在工業上已成功地用雷射進行精密焊接，打孔和切割等。甚至作核融熔等反應的光源。

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