關於雷射 | Optoelectronics Lab

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 $E_g$ （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 $h \nu_1$ 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） $E_m$ 。電子在 $E_m$ 能階會停留比較久的時間，如此， $E_m$ 能階才能累積較多電子。一段時間後， $E_m$ 能階的電子會自然躍遷到較低能階 $E_l$ 而釋放出光子。當然，電子在 $E_l$ 能階的存活時間要短，也就是說，在 $E_l$ 能階的電子很快的會回到最穩定的 $E_g$ 能階狀態，如此一來，才可以造成 $E_m$ 能階與 $E_l$ 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（ $E_m-E_l$ ）一樣，則在 $E_m$ 能階的電子會受激躍遷到 $E_l$ 能階，並釋放出一個與入射光子一樣的光子 $h \nu_2$ 。（此過程為受激輻射）