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雷射是什麼?

「雷射」是由英文laser 音譯而來,而這英文名詞則是由light amplification by stimulated emission of radiation 的字首所組成;顧名思義,即光可藉由激發放射而放大的一種裝置。

 

雷射的發明可以追溯到1958 年,物理學家夏樂(Arthur L. Schawlow)和湯里士(Charles H. Townes )在《物理評論》(Physical Review )上發表一篇名為<紅外線與光學鎂射>(Infrared and Optical Masers )的論文,從而開創了一個新的科學領域,並產生了一個具數十億美元產值的新工業,二人先後都獲得諾貝爾物理學獎。

自1960 年美國物理學家梅曼(Theodore Malman)首先利用光與共振腔產生雷射光以來,雷射幾乎成為各種領域應用上不可或缺的工具。我們可利用雷射來進行對準定位、量測精確的距離、物體表面的加工、切割與電鍍等工作;而雷射在資訊產品的應用則有光纖通訊、顯示器、消費性的雷射影碟與唱片等;在醫療上,有雷射手術與雷射除斑等。所以,雷射科技將成為廿一世紀的閃耀之星。光與物質間的作用每一種物質都有固定的能階,當光與物質發生交互作用時,原子內部的電子就從某一能階狀態躍遷到另一能階狀態,而躍遷過程會伴隨著光的吸收和輻射。

雷射的組成

雷射組成的要件通常包括活性介質、激發源及光共振腔。

活性介質必須具有居量反轉的特性,才能形成激發放射的雷射光。無論是何種雷射,其所使用的活性介質都必須具有激發後能將入射光加以放大的特性,而一般的物質則是會吸收能量而衰減入射光的反射。因此,以活性介質來區分雷射的種類,則有:使用氣體為活性介質的氣體雷射,例如氦氖雷射、二氧化碳雷射;使用液體為活性介質的液體雷射,如染料雷射;使用固體為活性介質的固體雷射,如紅寶石雷射;使用化學週期表中三族、五族半導體為材料的,如砷化鎵、砷磷化銦鎵、砷化鎵鋁等半導體雷射。

激發源的形式主要有兩種,就是光激發源和電激發源。固體雷射和液體雷射多使用光激發源,而氣體雷射和半導體雷射則使用電激發源。所謂光激發源,就是利用適當光源來激發活性介質,使電子能從基態受激躍升到較高能階的激發態,常用的有:脈波式輸出雷射用的氙氣閃光燈,以及連續式輸出用的氪弧光燈、發光二極體等。而光激發源的效益偏低,這是未來科學家要努力研究的重要課題之一。至於氣體雷射或半導體雷射則多使用電做為激發源,例如加電壓等方式。

共振腔的主要功能是將光限制在腔內以產生共振,使光返復經過活性介質不斷地被放大,達到臨界值時就會產生雷射光。共振的目的,除了使光放大外,更重要的是產生單色的雷射光。共振腔的結構主要是由兩鏡面組成,此兩鏡面可以是平面,也可以是凸面或凹面的組合,設計的觀點為穩定性與雷射光是否充分涵蓋活性介質。所謂穩定性,就是光波往返於鏡面之間,不致離開此共振腔。用幾何光學來說明,就是雷射光傳播方向必須接近光軸而且角度很小。

雷射光特性的應用

半導體雷射或稱雷射二極體具有體積輕巧、效益高、消耗功率小、使用壽命長、以及容易由電流大小來調制其輸出功率、調制頻率可達十億赫茲等特性。這些特性使它廣泛應用於資訊處理、光纖通訊、家電用品及精密測量上。而且,因製作精細、技術層次高,對於整體光電產業而言,具有舉半導體雷射的基本結構足輕重的地位,也是關鍵性元件。

物質吸收能量越多時,物質(結構或狀態)受到的影響也越多。但是,各種物質能吸收的電磁波頻率分布並不相同。例如,透明無色的物質不吸收可見光;綠色物質較能吸收紅色光。因此,單色性的光用在與物質作選擇性的交互作用,例如二氧化碳雷射之10.6 微米(1 微米=1000 奈米)的紅外光會被生物組織中的水份吸收,所以作用範圍較表淺;釹釔鋁石榴石雷射之1.06微米紅外光,則可作用到深層組織;紅寶石雷射所發出的紅光(波長694.3 奈米),不適合牙齒硬組織的處理。

雷射光束的低發散性可以讓雷射光照射到很遠的地方,仍保持相當高的強度,其中的光線很近似互相平行,可用在工程、軍事、環境、生物體等的遙測,例如測微血管內的血流速率,以及精密加工、光纖通訊、飛行器的光纖導航儀、光束武器等。雷射光的高強度使受照的單位面積上每秒內獲得很高的能量,產生相當強的熱能、光動力(撞擊及光壓)、光化學、電磁場等作用。非線性光學的現象更使光脈波的脈寬、光波波長(頻率)得以調變,探測光譜時,可獲相當高的靈敏度及鑑別率。

雷射光的相干性高,可用於藉干涉效應反映物質狀態及分布,產生全像紀錄。而全像可應用在檢驗、資料的高密度存取、藝術、防仿冒標籤等。例如光纖導航儀,也是利用雷射光干涉效應的精密器件。從衣食住行育樂到醫療、資訊與通訊、科技研發、工程施工及品管、藝術活動、文物維護、環境監測、國防攻守,雷射光的應用範圍逐漸增加,其中每樣用途都發揮了雷射光束的一種或多種特性。以下就其中幾項加以說明。

光纖通訊

光纖通訊具有不受電磁波干擾、長距離傳輸以及通訊容量遠大於電纜線的優點,已逐漸成為通訊的主流,而其中光源主要是半導體雷射。當電的訊號經過驅動電路後,經由半導體雷射轉換成光的訊號,再經放大器放大及訊號處理器處理後,就成為輸出訊號輸出。目前,實用的光纖通訊光源是高穩定度的砷化鎵及砷化鋁鎵等半導體雷射,波長在0.8 ∼1.5 微米之間。

通訊容量與傳輸訊號的頻率關係密切,頻率愈高,可傳輸的資料愈多。光波頻率約為1014 赫茲(Hz ,每秒振動的次數),而電通訊用的無線電波頻率只有1010 赫茲,光波的頻率整整高出10000 倍。因此,使用雷射為主的光纖通訊,有驚人的通訊容量。

雷射醫療

雷射在醫療上的應用,主要是利用雷射的熱效應、光生化效應、壓力效應及電離層的效應。例如,雷射手術刀就是利用熱作用,其原理是,當功率大於某一定值的雷射光照射在人體時,表皮內的水份吸收光能而蒸發,其周邊表面形成炭化層,炭化層內部形成變性層。炭化層與變性層愈薄,則傷口癒合得愈快。除了切割外,雷射熱效應也可應用在凝固,當雷射功率較小時,照射於血管組織,使其水分減少而達到凝固止血目的。另外,除去刺青、黑痣、雀斑、肝斑等,都可使用雷射來治療。

雷射的光生化效應可用在治療癌症,當適當波長的雷射光照射腫瘤時,使基態的氧分子激發到激發態,激發態的高能階的氧使惡性腫瘤組織產生氧化,而達到消除癌細胞的目的。當雷射光的波長不被皮膚表層所吸收,而能深入皮內組織,就可應用在治療疼痛上。

雷射光碟

光碟是將連續的類比聲波或影像,切成許多小間隔,再將這些小間隔依振幅大小變成十六位元的二進位數位信號。訊號經數位化後,利用雷射打孔成固定大小的孔,以1 和0 來代表孔的有無,而將聲波記錄下來。其音質的好壞取決於單位時間內波形的變化,以及聲音強弱分割的細微程度。讀取訊號時,雷射光照射光碟表面,反射回來的光經光檢測器接收後,依光量大小轉為強弱不同的電波訊號,而重現影像或聲音信號。

光碟除了容量大,還有許多優點,例如,因為是非接觸式的讀取,所以不怕磨損,很耐用,唱頭使用壽命長,諧波失真小等。

雷射科技早已成為目前各個研究領域與應用上不可或缺的工具,例如,精確的距離量測,是由雷射來完成;雷射影碟和光碟,就是雷射在資訊方面的產品;各種材料的切割或加工,也可由雷射來擔任;而醫療上的應用更是廣泛。美國在雷根總統時代,曾經想利用大功率的雷射,經由衛星的反射而摧毀敵國的飛彈,可見雷射在軍事用途上,也有一席重要的地位。所以,我們可以預期,未來雷射在各行各業的應用將日益增廣,也就是說,雷射工業如旭日東升,前途無量,值得投入更多人力、物力去研發。

作者:徐冰

 

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