物理新知–激光是什麼?
李國珊   湯兆昇   

相信激光這名詞對大家來說一點也不陌生。在日常生活中,我們常常接觸到激光,例如在課堂上我們所用的激光指示器,與及在電腦或音響組合中用來讀取光碟資料的光碟機等等。在工業上,激光常用於切割或微細加工。在軍事上,激光被用來攔截導彈。科學家也利用激光非常準確地測量了地球和月球的距離,涉及的誤差只有幾厘米。激光的用途那麼廣泛,究竟它是如何產生的呢?以下我們將會闡釋激光的基本原理。

激光的發展有很長的歷史,它的原理早在 1917 年已被著名的物理學家愛因斯坦發現,但要直到 1958 年激光才被首次成功製造。

激光英文名是 Laser,即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的縮寫。激光的英文全名已完全表達了製造激光的主要過程。但在闡釋這個過程之前,我們必先了解物質的結構,與及光的輻射和吸收的原理。

碳原子示意圖
圖一   碳原子示意圖。

物質由原子組成。圖一是一個碳原子的示意圖。原子的中心是原子核,由質子和中子組成。質子帶有正電荷,中子則不帶電。原子的外圍佈滿著帶負電的電子,繞著原子核運動。有趣的是,電子在原子中的能量並不是任意的。描述微觀世界的量子力學告訴我們,這些電子會處於一些固定的「能階」,不同的能階對應於不同的電子能量。為了簡單起見,我們可以如圖一所示,把這些能階想像成一些繞著原子核的軌道,距離原子核越遠的軌道能量越高。此外,不同軌道最多可容納的電子數目也不同,例如最低的軌道 (也是最近原子核的軌道) 最多只可容納 2 個電子,較高的軌道則可容納 8 個電子等等。事實上,這個過份簡化了的模型並不是完全正確的 [1],但它足以幫助我們說明激光的基本原理。

電子可以透過吸收或釋放能量從一個能階躍遷至另一個能階。例如當電子吸收了一個光子 [2] 時,它便可能從一個較低的能階躍遷至一個較高的能階 (圖二 a)。同樣地,一個位於高能階的電子也會透過發射一個光子而躍遷至較低的能階 (圖二 b)。在這些過程中,電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由於光子能量決定了光的波長,因此,吸收或釋放的光具有固定的顏色。

原子內電子的躍遷過程
圖二  原子內電子的躍遷過程。

當原子內所有電子處於可能的最低能階時,整個原子的能量最低,我們稱原子處於基態。圖一顯示了碳原子處於基態時電子的排列狀況。當一個或多個電子處於較高的能階時,我們稱原子處於受激態。前面說過,電子可透過吸收或釋放在能階之間躍遷。躍遷又可分為三種形式﹕
  1. 自發吸收 - 電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階 (圖二 a)。
  2. 自發輻射 - 電子自發地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階 (圖二 b)。
  3. 受激輻射 - 光子射入物質誘發電子從高能階躍遷到低能階,並釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相,此波長對應於兩個能階的能量差。一個光子誘發一個原子發射一個光子,最後就變成兩個相同的光子 (圖二 c)。
紅寶石激光的示意圖
圖三   紅寶石激光的示意圖。

粒子數反轉的狀態
圖四  粒子數反轉的狀態。

普通燈光與激光的比較
圖五  普通燈光與激光的比較。

激光基本上就是由第三種躍遷機制所產生的。圖三顯示紅寶石激光的原理。它由一枝閃光燈,激光介質和兩面鏡所組成。激光介質是紅寶石晶體,當中有微量的鉻原子。在開始時,閃光燈發出的光射入激光介質,使激光介質中的鉻原子受到激發,最外層的電子躍遷到受激態。此時,有些電子會透過釋放光子,回到較低的能階。而釋放出的光子會被設於激光介質兩端的鏡子來回反射,誘發更多的電子進行受激輻射,使激光的強度增加。設在兩端的其中一面鏡子會把全部光子反射,另一面鏡子則會把大部分光子反射,並讓其餘小部分光子穿過﹔而穿過鏡子的光子就構成我們所見的激光。

產生激光還有一個巧妙之處,就是要實現所謂粒子數反轉的狀態。以紅寶石激光為例 (圖四),原子首先吸收能量,躍遷至受激態。原子處於受激態的時間非常短,大約 秒後,它便會落到一個稱為亞穩態的中間狀態。原子停留在亞穩態的時間很長,大約是 秒或更長的時間。電子長時間留在亞穩態,導致在亞穩態的原子數目多於在基態的原子數目,此現象稱為粒子數反轉。粒子數反轉是產生激光的關鍵,因為它使透過受激輻射由亞穩態回到基態的原子,比透過自發吸收由基態躍遷至亞穩態的原子為多,從而保證了介質內的光子可以增多,以輸出激光。

激光透過受激輻射產生,有以下三大特性 (圖五)﹕
  1. 激光是單色的,在整個產生的機制中,只會產生一種波長的光。這與普通的光不同,例如陽光和燈光都是由多種波長的光合成的,接近白光。
  2. 激光是相干的,所有光子都有相同的相,相同的偏振,它們疊加起來便產生很大的強度。而在日常生活中所見的光,它們的相和偏振是隨機的,相對於激光,這些光就弱得多了。
  3. 激光的光束很狹窄,並且十分集中,所以有很強的威力。相反,燈光分散向各個方向轉播,所以強度很低。
以能量劃分,激光可大致可分為三類,第一類是低能量激光,這類激光通常以氣體為激光介質,例如在超級市場中常用的條碼掃描器,就是用氦氣和氖氣作為激光介質的;第二類是中能量激光,例如在課堂上用的激光指示器;最後一類為高能量激光,一般用半導體作為激光介質,輸出的功率可高達 500 mW。用於熱核聚變實驗的激光可發射出時間極短但能量極高的激光脈衝,其脈衝功率竟可達 W!這激光可產生達一億度的高溫,引發微粒狀的氘-氚燃料進行熱核聚變。

[1] 根據量子力學,電子不是在一些明確的軌道上繞原子核運動的,它們的位置只可利用或然率通過薜定諤方程預測。
[2] 量子力學說明光也有粒子的性質,特別是在光與原子作用的時候。光的粒子稱為光子。