關於雷射

Laser,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 。意思就是:由激發輻射所加強的光。因此,也有人稱雷射為激光,前者為音譯,後者為意譯。


光與介質的三種交互作用:

1)吸收(Absorption)

一介質受到一光子的照射,此光子的能量恰好對應到此介質的一組能階能量差,這組能階能量差可讓光子有機會被電子吸收,使得電子由低能階的價電帶被激發到高能階的導電帶,而使得介質處於受激態或激發態(excited state)。

2)自發輻射(Spontaneous emission)

處在激發態的電子掉回到低能階的價電帶時,會放出光子,此種光子通常稱為螢光(fluorescence)。通常螢光不會有特定方向。

3)受激輻射(Stimulated emission)

愛因斯坦提出,當一激發態介質被相同能量的光子照射時,處在高能階的電子會掉到低能階,同時放出光子,此光子與之前照射的光子具有相同的狀態。也就是說,兩者具有相同波函數,有相同的波長、頻率與相位和相同的行進方向。


雷射的三要件:

1)活性介質(Active Medium)

用以產生雷射光的物質,形式上可以是固體、氣體或液體燃料。

2)幫浦作用(pump)

要產生雷射光的條件是一個系統內處在高能狀態的介質(原子或分子)數目比低能態的介質數目多。

居量反轉(population inversion)

要達到這一狀態,必需打破熱平衡下依波茲曼曲線分布(Boltzmann distribution)的居量狀態。打破的方法可以利用高壓放電、強光照射、驅動電流、化學反應等方法,先提供系統一些能量,使介質吸收這些能量後,躍遷至高能狀態以等待激發輻射時放出光子。

3)共振(resonator)

為了使激發輻射放大的光不斷繼續放大,必需設法使這些光子不要一下子離開,還有機會不斷誘發其它高能狀態的介質。實際作法上都是利用兩片高度反射的鏡片把活性介質拘束在當中,使光子來回激發高能狀態的介質放大輻射,當放大與損失(包括輸出)平衡時即可形成雷射振盪。


雷射特性:

1)光束平行性(Directionality)

2)同調性(coherence)

3)單色性(Monochromatity)

4)高強度(Intensity)


四能階系統:

用來說明雷射系統。

一開始,大部分的電子處在最低能階 Latex formula(ground state)。為了達到居量反轉的效果,我們利用幫浦機制,將電子打到高能階狀態(外界提供 Latex formula 能量),一般來說,電子會在極短時間內釋放出部分能量,而來到亞穩態能階(metastable level) Latex formula。電子在 Latex formula 能階會停留比較久的時間,如此, Latex formula 能階才能累積較多電子。一段時間後, Latex formula 能階的電子會自然躍遷到較低能階 Latex formula 而釋放出光子。當然,電子在 Latex formula 能階的存活時間要短,也就是說,在 Latex formula 能階的電子很快的會回到最穩定的 Latex formula 能階狀態,如此一來,才可以造成 Latex formula 能階與 Latex formula 能階間電子的居量反轉。

若此時有一光子進來(利用共振腔),此光子能量剛好跟(Latex formula)一樣,則在 Latex formula 能階的電子會受激躍遷到 Latex formula 能階,並釋放出一個與入射光子一樣的光子 Latex formula。(此過程為受激輻射)