物质表面吸 光子所携带的能量,

1、(一)雷射的簡單原理一般的光線具多相（由不同波長的光組合而成）和散發性，所以照度和距離平方成反比。雷射光則是單相光，光線在雷射管中，反覆地反射→激發→反射，能量逐漸累積，且光線的方向一致。所以雷射光具有高能量及低散發性。可以利用這個特性。雷射是將大量的光子(photon)聚集在單一方向，使其具有高同調性及單一波長的特性，並利用光學系統將光在加工物件上聚集成一極小的範圍，通常直徑約在數百個微米(um)以下。物質表面吸光子所攜帶的能量，進而和材料進行交互作用而產生加工的效果，但隨著波長所屬範圍的不同，其交互作用的機制卻也有相當大的差異。雷射(LASER)是Lig

2、nt Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫。要瞭解雷射的基本原理必須先回想原子的構造。原子由原子核與在週圍繞轉的電子構成，電子在一定的軌道繞轉，各軌道各有一定的能量，離原子愈遠的軌道能階愈高。當電子受到外來能量的激發時(例如光子)，從基態跳躍至較高能階的軌道，此種狀態即稱為受激態。電子並不能長久處於受激態，約僅百萬分之一秒即回到原來之軌道，也就是回復基態，此時電子會放出原先吸收之能量，這就是自發放射。當電子正處於受激態時，如果正好又有外來適量的光子撞擊時，愛因斯坦認為這個光子不會被吸收，而會誘導受激態的電子落至原先的軌道，放出

3、與這個光子一模一樣的光子(相同波長，相同方向，相位也相同)，這就是激發放射。而這兩個一模一樣的光子又可以分別激發其他的受激態電子放出一模一樣的光子，總共會有四個一模一樣的光子，繼續進行連鎖反應而製造出波長相位均相同的光能，這就是雷射光。但是困難的地方是，原子的受激態大約只能維持百萬分之一秒，而且大部分的原子都在穩定的基態，只有少數的原子在受激態，所以不容易造成連鎖反應，這就有如在一個穩定的社會，只有少數人示威遊行，搖旗吶喊是起不了甚麼大作用的，但是如果整個社會人心沸騰，社會極不穩定，只要有少數人登高一呼，可能就有排山倒海的連鎖反應效果。類似的道理，要產生雷射光，也必須持續給予能量，使雷射介質處

4、於居量反轉狀態，也就是大部分的原子都在不穩定的受激態，此時少量的光子就能夠藉激發放射的連鎖反應來產生雷射光了。不同的雷射介質就會產生不同波長的雷射光，雷射常以活性介質來命名，例如用紅寶石做為介質，就產生紅寶石雷射。介質可以是固體(紅寶石雷射、釹釔鋁石榴石雷射)，液體(染料雷射)，或氣體(二氧化碳雷射、氦氖雷射、氬離子雷射、準分子雷射)。活性介質不同，發出來的光顏色也不同，也有不同的特性及應用。例如在醫療上，由於不同顏色的光與人體組織的作用效果不同，在應用時也會因病變或部位的不同而需要使用不同的雷射。(二)雷射的應用工業上應用雷射來切割金屬材質，和做表面處理，如硬化處理，使材料更耐磨，或在金屬材

5、料表面敷以異質層(在鋁的表面敷以鐵、鎳、錳或銅，可以將其抗熱度提昇，醫學上用雷射來切割組織，氣化腫瘤。來做表面處理，像消除不要的刺青，胎記，痣等，近年來更用雷射來改變角膜表面的曲度，以治療近視。博物館也用雷射來做表面處理，例如用雷射來消除古物或古畫上的發黴，以及類似的文物修護。工業上用雷射來焊接金屬，醫學上則用雷射來鎔接血管或神經，但是還在嘗試階段，尚未普遍使用。工業上用雷射來鑽孔，例如：鑽石和奶嘴的穿孔，噴霧器氣閥鑽孔等。醫學上也用雷射來鑽孔，例如冠狀動脈狹窄或阻塞的病人常造成心肌梗塞或缺血，可以用雷射在心肌上鑽許多小孔，使心臟內的血液經由這些小孔來供給心肌。另外在藥物膠囊鑽孔，可以使藥物穩

6、定而緩慢的釋放出來，這是雷射鑽孔在醫療上的另一個應用。在超級市場結帳時的條碼判讀器，演講時使用的雷射指示器，偵測車輛速度的雷射超速偵測器，雷射舞會，節日慶典的雷射秀，雷射藝術等等均離不開雷射。(三)雷射的特性 1.它是單色的(單色性) 雷射是單色光，波長一致，而太陽光是混合光，所以可以說雷射光是一種很純的光。醫學院雷射醫學研究中心擁有的雷射共焦掃描顯微鏡就是用雷射光做為光源，能夠得到更好的解析度，並且能夠在活組織做光學切面，再利用電腦做影像的立體重組。2.它是筆直，不易散開的(低發散性) 直徑一公釐的雷射光束，射到一公里外時，直徑大約是10公分，而一般的光源容易散開，光度與距離的平方成反比。雷

7、射的這個特性被用來做為遠距離的測量，光纖通訊，光束武器，精密加工，節日慶點的雷射秀，以及工程、環境、軍事、生物體等的遙測。有一次為社會治安而走的遊行曾經用雷射光將認錯兩個字投射到總統府的牆上，就是利用雷射的這個特性。摘要： 1911年荷蘭物理學家發現，當把水銀溫度降至4.2K時，水銀的直流電阻消失了。這種物質稱為超導體，1993年荷蘭科學家發現，當金屬轉入超導態時，原本穿過金屬的磁力線立即被排斥出去，就叫做Meissner效應，顯示超導體具有完全的反磁效應。全文： 當物質處在超高溫、超高壓或超低溫的特別條件下，它的狀態會起奇怪的變化。1911年荷蘭物理學家Onnes發現，當把水銀溫度降至4.2

8、K時，水銀的直流電阻消失了。這種物質稱為超導體，1993年荷蘭科學家Meissner和Ochsenfeld發現，當金屬轉入超導態時，原本穿過金屬的磁力線立即被排斥出去，就叫做Meissner效應，顯示超導體具有完全的反磁效應。磁場能穿透入超導體表面大約只有的深度，而且磁場也存在有一個臨界值。當時，物質溫度再低也不可能變成超導態。若在超導體上通以直流電，則此直流電會產生磁場，當大於某一臨界值時，它所產生的磁場也會破壞超導性，而使超導性消失。更值得注意的是，如果保持超導體在轉變過程中不和外界發生熱量的交換，即所謂絕熱轉變，當給處在超導狀態的物質加上的磁場，而使它變回正常態時，它的溫度將下降，反之，

9、若去掉外磁場，使它絕熱回復到超導態時，它的溫度將升高。進一步，若我們要加上使超導變回正常態，且保持恆溫，則超導體將須吸熱，反之則放熱，故可知物質由正常導電態變成超導態也是一種相變。(注意：超導體在恆溫下轉變到正常態所吸入的熱不是潛熱，事實上，以單純的降溫使導體由正常態變成超導態，並不需要放出潛熱，宏觀上僅僅是導電性質的突變而已。)為了解釋超導現象，Bardeen-Schrieffer-Cooper (BCS)三人在1957年提出一個理論，認為這是因為物質在極低溫下，其內部的電子會形成Cooper對，而且所有的Cooper對，會作集體運動，因此發生碰撞的機會很小，電阻係數因而變得很小很小(可看成

10、近於0)。為何一向以庫侖力相互排斥的電子，在極低溫下卻變成兩兩相耦的Cooper對呢？我們可以如下了解：當溫度從室溫下降時，電子由於喪失動能，就一個個往較低的能態掉，並按Pauli排斥原理排列，從最低能階填起，一直到所有低能階都完全填滿為止，填滿電子的最高能階稱為Fermi (能階)表面，此時所有的電子均落入Fermi sea。此種能態應該是具有最低的能量了。但這種能態不會是超導態，因為並無自由電子在Fermi sea之外，因此反而不會有導電性。但實驗結果顯示金屬的在T很低很低時，其值接近零(超導態)。因此上述的電子分佈顯然並非超導態的機制。使金屬變成超導態，非得有自由電子被激發到費米能表面外

11、不可。但任一個電子跳到費米能表面外面，就會增加動能，兩個電子跳出去，除了增加動能外，又會增加電子與電子間的排斥位能(>0)，反而使能量變高而不穩定。但假如跳出去的電子間的作用力不是排斥力而是吸引力(<0)，則此時總能量就會降低。這種在Fermi sea外有兩電子吸引的態，會反而比全部電子掉到Fermi sea更為穩定！而且兩電子手牽著手一起跑，總比一個電子單獨跑要減少碰撞機會，使電阻變得更小。若在Fermi sea外所有電子都一起跑，則電子相互間無碰撞就無電阻了！那麼兩電子在什麼情況下才會有吸引力呢？當溫度很低時，正離子幾乎都排在晶格的結點上，不太振動(故由於熱運動引起的非彈性散射

12、的機會小)。當一個自由電子在晶格中行進時，會把它行進路線附近的正電荷稍稍拉向電子，這些正電荷一被拉向電子，就破壞了局部的電平衡，因此會在電子的軌跡附近，造成暫時性的正電區，而使得另一進入這正電區附近的電子受到吸引而靠近，這彷如兩電子相吸接近一樣。這種相吸須靠晶格振動(phonon)作媒介才能產生，這在常溫下不可能，因常溫下晶格因熱而振動，一下子就會抵消第一個電子進入所造成的正電荷集體向內吸進的行為。而且晶格被吸後也要彈回去再彈回來，這樣才會使晶格的振動持續一段時間，以便讓第二電子感受到正電荷集體向內吸進的效應。因此，若兩電子的動量相差太大，這種經由晶格共振所造成的效果不會顯著，故兩電子之間的吸引力就會很小，甚至會因而造成排斥作用(因為第二電子過來時看到的不是正電區而是負電區)。但若兩電子的動量相差很小，甚至為零，則此時聲子(晶格振動)的作用就是吸引的。兩電子的動量相差越小，吸引作用就越強，當動量在數值上相等，自旋也相反時，兩個電子的相吸作用最強，才有可能超過它們之間的庫侖排斥作用，因而出現了淨吸引作用，於是這兩個電子對就會束縛在一起，形成了電子對。由於兩個電子動量相等又相反，在運動中的總動量又要保持不變，因此當通以直流電時，晶格若對其中一個電子產生了散射作用，