镭射应用与原理

图1为何称之为雷射LIGHTAMPLIFICATIONSTIMULATEDEMISSIONOFRADIATION光线放大受激发射辐射图2自然光和雷射光的例子（太阳）（火焰）（灯泡）（日光灯）振烫器（共振腔）LASER雷射1957年11月由高登克勞德美國人取名為雷射。雷射這個名稱是以輻射的受激發射所引起的光放大之英文字首縮寫為命名。燈泡和日光燈的光都屬于自然光自然光方向相位波長各不相同方向相位波長一致雷射光（人工創造的光）自然光雷射光表1电磁波和其频率（波长）注界限不明确的情况时有所见。頻率數波長名稱特征及用途103NM10NM化學性作用強100NM280NM315NM380NM400肉眼看得見的電磁波780NM光通訊15M雷達雷射加工5M3THZ100M3000GHZ距離表300GHZ1MM30GHZ1CN3GHZ10CM300GHZ300MHZ1M30MHZ10M3MHZ100M3000KHZ300KHZ1KM30KHZ10KM3KHZ100KM300HZ1000KM30HZ1萬KM3HZ10萬KM船舶羅倫導航系統C飛航用船舶用通訊宇宙通訊無線航行電視宇宙通訊大哥大衛星視訊宇宙通訊氣象航空用船舶雷達電視計程車無線電FM廣播業余無線電短波放送國際通信標准電波業余無線電廣播交通資訊。羅倫LORAN導航系統A3THZ以下的電磁波稱為（無線電波）所有的電磁場振動統稱電磁波图1电磁波的形成T時間畫在垂直相交的板子上就變成如此直角1波長電磁波的行進方向磁場電場發訊源LRLRLR图2电磁波波长的计算方法計算電磁波波長的公式波長C真空中的電磁波速度（電磁波的頻率）299792510M/S1210HZ8925CM299792510M/S1210HZ86375CM電磁波是電場和磁場垂直相交的橫波。LR90直角12GHZ的廣播電台播送的波長800GHZ的大哥大電話波長T時間225CM12GHZ的情況375CM80MHZ的情況0受激发射光就是雷射光但一直维持如此还不够。也就是为了释放出雷射光单是光的受激发射还不行还必须要有光放大的机能才行。一般说来自然界中的原子和分子具有在最低能量状态最稳定的性质也就是稳定于热力学的平衡态。这个特性强烈地支配原子和分子使它们具有保持热力学平衡的倾向。受激发射是很很少不靠人为操作就能发生的现象而且假使此现象偶尔发生也不能成为向外放射强力光线的雷射。因此除了人为的操作外还必须有光放大的机能才行。光的放大不同于电子讯号的放大要在二枚镜面间反射好几次才能实现。将二片磨光的平面镜相对让光线在其间反射好几次藉以倍增激发的原子数。受激放出的光子再刺激一个处于激态的原子接连放射出新的雷射光如此一直放大下去。这就叫光的抽运PUMPING作用。然而为了将此一受激发射光输出至外界运用雷射光非得要具备足够的能量及方向性不可为此在先前的红宝石雷射中在红宝石棒的两端装上反射镜使用比照相机的闪光管STROBO更强力的闪光灯在一定的间隔内反复闪烁使所产生的雷射光在其活性介质中来回数次。如此放大的雷射光波长相位或偏极化等都完全一致从半反射镜光的反射率为百分之五十透射率为百分之五十的镜子旁边的小洞就会放射强力的雷射光。图1如何放射出雷射光弧光灯ARC闪光灯自然放射光線電子會自然地落在低軌道上此時會釋放出光子PHOTON受激發射光原子從激態轉移至基態時電子落在低軌道上并釋放出一個光子此光子非但不被吸收反而刺激下一個原子釋放出另一個光子。接著這兩個自由光子以與兩個原子作用此一現象接連地發生連鎖反應。受激發射光只有抽運作用的話雷射光還不能成為強烈的光束。因此必須利用反射鏡進行光線的放大。雷射光光幫浦作用反射鏡为了更了解雷射光的特征我们必须谈及某一程度的量子论及数学公式。一般来说这些虽不是艰深且枯燥无味的东西但是除非你从事雷射装置研发或设计的工作否则了解它们也派不上用场。因此现在姑且不谈这些话题让我们先谈雷射光是什么东西另外和自然光相比雷射光的用途为何试着让各位理解其间的差异。自然光除了太阳光及火焰外还包括日光灯及白炽灯泡在内。这些都是人类衍生而出的人工光线但本质上太阳光和火焰相同。再说明确一点可以说它是光线的振动面以及振动面内的振幅及相位频率等在所有方向都有复杂分布的光源。相对地雷射光可说是波长和相位相当一致有单一频率而且导向性敏锐的高功率光线。它正是一种人工光线所以不存在于自然界。表1表2分别就其差异作图解。表1光的种类自然產生的光線太陽光火焰人工產生的光線日光燈燈泡雷射光具有只能由人工產生的特性的光線自然光光表2雷射光和自然光的差异比較項目自然光雷射光應用例其他導向性光通訊雷射掃瞄器光碟雷射雷達同調性全像朮HOLOGRAPHY干涉條紋的精密測定能量密度雷射加工焊接雷射手朮刀雷射武器單色性單一波長分光分析光波的波長分析同位素分離1234表1雷射光的波长范围和主要的雷射名称波長名稱103NM1NM10NM極遠紅外線380NM40100NM15M次微波1M線X線遠紅外線UVC中紫外線UVB近紫外線UVA可視光線近紅外線中紅外線遠紅外線微波10M5M780NM315NM280NM10NM二極體激發固體雷射閃光燈激發固體雷射NDYLFQUANTAN公司雷射2紫外線領域短波長雷射顯示器熱熱波能又稱熱波雷射加工微弱電波的放大太空通訊晒傷是由于化學線的作用所致半導體制造裝置雷射標幟器262NM37NM30KWILEAR尖峰公司離子雷射亞歷山大雷射准分子雷射YAG雷射二氧化碳雷射微波雷射MASER微波放大器106M240WSYNRAD公司457M1WNATIONAL雷射公司二氧化碳雷射紅寶石雷射RUBY稀有氣體准分子雷射RAREGASEXCIMER藍紫綠紅性接質近光的熱能大無線電波化學線光線4070NM肉眼可見的電磁波范圍780NM15MCD唱機光通訊雷射雷達測距計熱輻射紅外線領域雷射光既看不见也听不到更无法用手镯摸。虽然雷射光有好几个波段但即使在可见光领域四OONM七OONM中也无法用肉眼直接看见。只能透过光的反射或散射才间接看得到雷射光图1图2。一般在拍摄雷射光的照片时总会拍出闪闪发亮的束状光线图片1这是由于空气中的悬浮微粒子将雷射光散射才使我们间接地看见雷射光。如果没有反射光线的物体存在时人的肉眼是无法直接看到的就像外线雷射或X光雷射等可见光以外的雷射即使照射在人体上我们也无法感觉到它的存在。用于室外舞台演奏会或表演节目以及室内的表演活动等常使用可见光雷射以带动热络的气氛在这些表演节目中常利用薄薄的烟雾干冰屏幕云建筑物等作为雷射光的反射物体。如果有人非亲眼看到的雷射光不可的话只好朝与雷射光行进的反方向看也就是直接让雷射光进入眼睛。此方虽可实现你的愿望但会带给视网膜严重的伤害绝对要避免才行。然而在众多操作过雷射设备的人们之中也许有人会觉得看到了红黄色的光线其实那并非雷射光。例如卸下氦氖HENE雷射玻璃的金属盒可以发现从玻璃管内的雷极部位确实会射出红黄色的光线。但是这并不是雷射光的发射亦即它是方向不对的无用光线却往往使人误以为是雷射光。图1雷射光无法直接看得到雷射振燙裝置雷射光束即使是可見光領域中的雷射在真空中也無法用肉眼看到雷射光束图2肉眼看得到的雷射光是散射光雷射振燙裝置雷射光束散射光散射光煙懸浮微粒子看成光束狀肉眼肉眼螢幕遭到散射的雷射光看起來是閃閃發亮的光束很容易區分它和一般光線的不同。图片1激光束的照片CAUTION雷射光这个名词对一般人来说会觉得它好像是非常危险的。那是因为你把科幻世界和现实世界混在一起因而无法分辨真相所致。在HG韦尔斯（一八六六一九四六）的星际大战这部科幻作品中（一八九八年出版）出现了外星人他们能放射出强力的热光线（当时还无雷射这个名称）故事描述地球上的生物及建筑都一一被破坏殆尽至今这幅景象大概仍深留大家的脑海里吧这也让人们将雷射光和杀人光线划上了等号。在雷射普及化的今日虽有切断金属用的二氧化碳雷射但仅只于花费时间工夫才把静止物体切断程度而已根本不是星际大战中所用的光线。而且我们手边常使用的CD唱机或个人计算机的CDROM等信息产品采用的都是低输出的雷射根本无法对人体造成伤害。但是像这样安全的雷射光照射入人类的双眼也是非常危险的。即使是低输出的雷射万一长时间持续照射事实上还是会给身体带来不良的影响。尤其是眼球内的网膜遭受破坏会出现灼伤现象引起暂时性或永久性的视力障碍。这点不限于雷射光线而已以望远镜或聚光凸透镜看强烈的太阳光时也会发生此种伤害。图1雷射光和人体的关系在身体部位中眼球最怕雷射光（不管是哪种雷射光都不可直接照射眼睛）雷射光束HENE632NM雷射振燙裝置波長紅黃色照射皮肤也没问题雷射光束雷射聚光點焦點螢幕雷射指示器半導體雷射波長綠色POINTER50NM即使是像切割钢板那样强的雷射能量如果曝露于光线下的时间短暂顶多是皮肤受到轻微灼伤而已雷射光束手鋼板切割鋼板焊接曝露時間只有秒左右會留下輕微的皮膚灼傷01二氧化碳雷射波長106M紅外線下文略述笔者的人段往事诚属惶恐。有一次我有闪光灯做雷射光的激发实验时闪光灯在很近的距离闪光我的眼睛不小心直接看到光源。结果无论我张眼或闭眼闪光灯的形状依旧残留在视网膜上产生了严重的视力障碍这一症状一直持续了二个月左右。这种光并非雷射光但即使是自然光只要是让肉眼曝露在强烈的火线之下就会使眼球产生各种障碍。因此纵然是低输出的雷射光其能量也足与太阳光匹敌因此务必要避免正面直视激光束。人的肉眼非常畏惧像雷射那样的高能量密度的光线。下面具体说明理由。图2表示雷射光和自然光投射于眼球上时所产生的个别情况。现在假定用四十W的灯和一W的雷射光照射于眼球内四十W的灯泡光每秒约射放出四兆光子。此时网膜上的吸收功率密度是104W/C。另一方面照射一W的雷射光成像的大小缩小至二十M直径它的吸收功率密度是灯泡的约十亿倍105W/C因此纵使有一位数左右的测量误差在网膜上也会聚集非常强大的能量。因此在较短的时间内便会发生网膜灼伤网膜破坏导致视力发生障碍。为此凡是雷射装置的操作员都有义务要配载与雷射光波长吻合的护目镜GOGGLE图1。另外最近在医疗方面雷射也应用在眼科的角膜屈率矫正手朮上。这就是在角膜上投射ARF准分子雷射以矫正其屈率的治疗法。虽然雷射光本来是危险的但依其需要而加以控制便能用于近视或远视的矫正。图1保护身体避免雷射光的伤害图2射入眼球内的雷射光和自然光的差异1W的雷射光会在视网膜上集中照度为40W灯泡的10亿倍反射吸收雷射光金屬板雷射光束護目鏡厚重的衣服123護目鏡隨著波長的不同其穿透率也作調整角膜網膜眼球聚光面積大燈炮為的情況是光容易擴散因此距離會有影響40W自然光燈泡的燈泡水晶體凸透鏡對雷射光而言距離沒有多在影響50CM在一點上聚光成像1W雷射光表1雷射产品的辐射安全标准JISC6802等级危险度标准1本质上安全不需特别的安全措施即使眼睛连眨都不眨地连续看光源一百秒对视网膜也没有损害。透过封装PACKING抑制光的外泄激光打印机或CD即属此类。不论在何种条件下都不超过MPE。使用望远镜之类的辅助光学系统观看也很安全。2安全针对可见光规定的等级针对025秒的瞬间曝光仍能确保视网膜不受损。使用望远镜之类的辅助光学系统也很安全。雷射指示器等即属此类。与雷射口径无关HENE雷射在1MW以下单脉冲宽脉冲度107秒在3W以下的可见光雷射。3A稍微危险使用光学系统进行光束内观察很危险针对可见光输出是等级2的5倍。然而为了定出不使用辅助光学系统直接观看的定全性每单位面积的功率必须与等级2的程度相同口径为7MM的雷射为1MW。CW在5MW以下短脉冲10W以下的可见光雷射3B相当危险直接观察光束内部是危险的扩散反射光的最小观察距离为13CM以上最大观察时间只要在10秒以内就安全。在CW之下为05W以下的可见光雷射4非常危险等级3以上的高输出雷射连扩散后的反射光都很危险。有烧伤皮肤引发火灾的危险。许多实验用工业用雷射是属于此类。超过05W的可见光雷射注雷射制造业者务必要在等级2以上的产品上张贴说明警告标签才行。一九六零年首度发明人工光线的雷射光。在此之前许多在背后默默努力的科学家和研究者都有不容抹减的贡献。我们将依时间的先后为各位作详细说明在此先介绍主要的七位研究者。第一位是艾伯特爱因斯坦德国人后来移民美国。爱因斯坦在一九一六年曾提倡电子掉到低轨道而释放出一个光子时诱发它的光子不会被吸收而会继续前进于是相同能量的光子变为一个这就是所谓受激发射的原理。第二位是查尔斯H汤尔斯美国人。他不用光线而改用微波透过阿摩尼亚分子的激发制作出最初的受激发射仪也就是梅射MASER。第三位是尼可莱G巴塞夫前苏联人。第四位同样是前苏联人的亚历山大M普洛赫洛夫。汤尔斯巴塞夫普洛赫洛夫这二人开创了雷射发明之路成就广受世人肯定。于是在一九六四年获颁诺贝尔物理学奖。第五位是阿瑟L谢朗美国人他和查尔斯H汤尔斯合作取得了美国关于雷射基本原理的第一个专利。他后来又将原子和分子的性质应用于雷射光上继续研究在一九八一年也获颁诺贝尔物理学奖。第六人是高登克尔特美国人他从查尔斯H汤尔斯的梅射得到启示在一九五七年设计出光梅射相当于雷射的装置原型并命名为雷射。换言之高登克尔特是第一个使用雷射LASER名称的人。克尔特曾在他的