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雷射的應用. 指導老師：方信普 班級：微電三甲 學生 : 林世彬 (4973a041) 曾敬翔 (4973a043). 目錄. 雷射 雷射的應用 雷射的特性 雷射安全發展的簡史 雷射的簡單原理 雷射光的產生. 雷射發展的簡史.
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雷射的應用 指導老師：方信普 班級：微電三甲 學生:林世彬(4973a041) 曾敬翔(4973a043)
目錄 • 雷射 • 雷射的應用 • 雷射的特性 • 雷射安全發展的簡史 • 雷射的簡單原理 • 雷射光的產生
雷射發展的簡史 • 雷射最基本的原理為物質的量子論。這就是說它的發展歷史應該回溯到1900年。就在那一年普朗克（Planck）為了克服腔體輻射的困難，首先提出了原子振子及能量不連續的概念。這一年是一個在物理學發展歷史中的偉大變革的年頭。1905年愛因斯坦把普朗克的能量不連續概念推展到光量子論。1917年又提出了受激輻射（Stimulated emission）的概念，從而為雷射的發明奠定了原始的理論基礎。
60年代初許多研究小組投入到光學梅射系統的研究中去，而首先實現的是休斯公司的青年科學家T.H.Maiman。他首先把它取名為Laser（雷射）。這是第一台紅寶石雷射，它的輸出波長為6943埃。Maiman博士因而獲得了雷射之父的譽稱。過了六個月，Javan，Bennett，Henniott又實現了第一台氦氖氣體雷射。1962年Hall，Fenner實現了第一台半導體雷射。1964年C.H.Townes，N.G.Basov，A.M.Prokhorov獲得Nobel獎。至今四分之一個世紀過去了，許多物質實現了雷射，包括晶體，玻璃，半導體，分子氣體，原子氣體，離子氣體，染料等等，各種不同功率，不同激勵方式，不同波長的雷射相繼問世。雷射應用的領域不斷開拓。雷射工程的發展如旭日東升，氣勢磅礡，它旺盛的生命力必將帶給人類不可估量的影響。60年代初許多研究小組投入到光學梅射系統的研究中去，而首先實現的是休斯公司的青年科學家T.H.Maiman。他首先把它取名為Laser（雷射）。這是第一台紅寶石雷射，它的輸出波長為6943埃。Maiman博士因而獲得了雷射之父的譽稱。過了六個月，Javan，Bennett，Henniott又實現了第一台氦氖氣體雷射。1962年Hall，Fenner實現了第一台半導體雷射。1964年C.H.Townes，N.G.Basov，A.M.Prokhorov獲得Nobel獎。至今四分之一個世紀過去了，許多物質實現了雷射，包括晶體，玻璃，半導體，分子氣體，原子氣體，離子氣體，染料等等，各種不同功率，不同激勵方式，不同波長的雷射相繼問世。雷射應用的領域不斷開拓。雷射工程的發展如旭日東升，氣勢磅礡，它旺盛的生命力必將帶給人類不可估量的影響。
雷射的簡單原理 • 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「Lignt 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。
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，液體，或氣體。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。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，液體，或氣體。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。
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。
受激輻射 • 電子的運動狀態可以分為不同的能級，電子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的電磁波（所謂自發輻射）。一般的發光體中，這些電子釋放光子的動作是隨機的，所釋放出的光子也沒有相同的特性，例如鎢絲燈發出的光。
當外加能量以電場、光子、化學等方式注入到一個能級系統並為之吸收的話，會導致電子從低能級向高能級躍遷（所謂受激吸收），當自發輻射產生的光子碰到這些因外加能量而躍上高能級的電子時，這些高能級的電子會因受誘導而遷到低能級並釋放出光子（所謂受激輻射），受激輻射的所有光學特性跟原來的自發輻射包括：頻率、相位、前進方向等會是一樣的，這些受激輻射的光子碰到其他因外加能量而躍上高能級的電子時，又會再產更多同樣的光子，最後光的強度越來越大（即光線被放大了），而與一般的光不同的是所有的光子都有相同的頻率、相位、前進方向。當外加能量以電場、光子、化學等方式注入到一個能級系統並為之吸收的話，會導致電子從低能級向高能級躍遷（所謂受激吸收），當自發輻射產生的光子碰到這些因外加能量而躍上高能級的電子時，這些高能級的電子會因受誘導而遷到低能級並釋放出光子（所謂受激輻射），受激輻射的所有光學特性跟原來的自發輻射包括：頻率、相位、前進方向等會是一樣的，這些受激輻射的光子碰到其他因外加能量而躍上高能級的電子時，又會再產更多同樣的光子，最後光的強度越來越大（即光線被放大了），而與一般的光不同的是所有的光子都有相同的頻率、相位、前進方向。
要做到光放大，就要產生一個高能級電子比低能量級電子數目多的環境，即群數反轉，這樣才有機會讓高能級電子碰上光子來釋放新的光子，而不是隨機釋放要做到光放大，就要產生一個高能級電子比低能量級電子數目多的環境，即群數反轉，這樣才有機會讓高能級電子碰上光子來釋放新的光子，而不是隨機釋放
一般雷射發產生器有三個基本要素： 1.「激發來源」（pumping source）：把能量供給低能級的電子，激發使其成為高能級電子，能量供給的方式有電苛放電、光子、化學作用…。 2.「增益介質」（gain medium）：被激發、釋放光子的電子所在的物質，其物理特性會影響所產生雷射的波長等特性。
3.「共振腔」（optical cavity/optical resonator）：是兩面互相平行的鏡子，一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來回反射，目的是使被激發的光經過增益介質多次以得到足夠的放大，當放大到可以穿透半反射鏡時，雷射便從半反射鏡發射出去。因此，此半反鏡也被稱為輸出耦合鏡（output coupler）。兩鏡面之間的距離也對輸出的雷射波長有著選擇作用，只有在在兩鏡間的距離能產生共振的波長才能產生雷射。
雷射安全 • 高強度的雷射可能與生物體組織產生劇烈的光化學、光熱、光動力、及光游離等交互作用，造成嚴重的傷害。有時雷射引起週圍器材燃燒或爆炸，間接引起傷害，所以還是需要適當的給予規範，如果依適當的規範使用雷射，雷射光只照射在很有限的局部組織，不會有甚麼傷害的。套句曹培熙教授的話：我們要敬畏雷射光束，善用防護裝備，經常檢測儀器，預防勝於治療，只要使用得當，雷射可以造福大眾而不具危險性。
分類 • 雷射器的分類有很多方式，例如按照工作狀態、工作物質的種類、輸出波長的波段、輸出雷射波長是否可以調節、雷射器的用途等特點分類
按安全標準分 • 等級I：本質上安全，不需特別的安全措施；例子：雷射裝置被密封的雷射印表機。 • 等級II：安全，針對可見光規定的等級；例子：功率小於1mW的可視連續雷射。 • 等級III：稍微危險，使用光學系統進行光束內觀察很危險；例子：功率1～5mW的可視連續雷射。
等級III：相當危險，直接觀察光束內部是危險的；例子：功率5～500mW的可視連續雷射。 • 等級IV：非常危險，有燒傷皮膚丶引發火災的危險；例子：功率大於500mW的可視連續雷射。
雷射的應用 • 雷射應用很廣泛，主要有光纖通信、雷射光譜、雷射測距、雷射雷達、雷射切割、雷射武器、雷射唱片、雷射指示器、雷射美容、雷射掃瞄、雷射滅蚊器等等。
光纖通訊（Fiber-optic communication），是指一種利用光與光纖（optical fiber）傳遞資訊的一種方式。屬於有線通訊的一種。光經過調變（modulation）後便能攜帶資訊。自1980年代起，光纖通訊系統對於電信工業產生了革命性的作用，同時也在數位時代裡扮演非常重要的角色。光纖通訊具有傳輸容量大，保密性好等許多優點。光纖通訊現在已經成為當今最主要的有線通訊方式。
雷射雷達，是指通過發射雷射，並通過接收到的雷射信號進行遙感信息獲取。其功能和原理類似於傳統的雷達，但由於雷射的指向性好，收干擾小，所以在大氣探測、軍事、和地面測量領域具有重大的應用價值。雷射雷達，是指通過發射雷射，並通過接收到的雷射信號進行遙感信息獲取。其功能和原理類似於傳統的雷達，但由於雷射的指向性好，收干擾小，所以在大氣探測、軍事、和地面測量領域具有重大的應用價值。
雷射武器就是用高能的雷射對遠距離的目標進行精確射擊或用於防禦飛彈等的武器，也稱為戰術高能雷射武器（THEL）。它的突出優點是反應時間短，可攔擊突然發現的低空目標。用雷射攔擊多目標時，能迅速變換射擊對象，靈活地對付多個目標。雷射武器的缺點是不能全天候作戰，受限於大霧、大雪、大雨，且雷射發射系統屬精密光學系統，也受大氣影響嚴重，如大氣對能量的吸收、大氣擾動引起的能量衰減、熱暈效應、湍流以及光束抖動引起的衰減等。由於雷射武器需要大量的電能，在能量儲存設備難微型化（如高能電池）的問題解決前，比較難實現大規模應用。雷射武器就是用高能的雷射對遠距離的目標進行精確射擊或用於防禦飛彈等的武器，也稱為戰術高能雷射武器（THEL）。它的突出優點是反應時間短，可攔擊突然發現的低空目標。用雷射攔擊多目標時，能迅速變換射擊對象，靈活地對付多個目標。雷射武器的缺點是不能全天候作戰，受限於大霧、大雪、大雨，且雷射發射系統屬精密光學系統，也受大氣影響嚴重，如大氣對能量的吸收、大氣擾動引起的能量衰減、熱暈效應、湍流以及光束抖動引起的衰減等。由於雷射武器需要大量的電能，在能量儲存設備難微型化（如高能電池）的問題解決前，比較難實現大規模應用。
雷射武器攻擊方式 • 致盲：利用強烈的雷射束對人的眼睛或光學探測器進行射擊，會燒傷人的視網膜造成失明從而喪失戰鬥力或會損壞光學探測器令其無法正確判斷目標。 • 穿孔：高功率的雷射束使靶材表面急劇熔化令其汽化，汽化物質向外噴射，反衝力形成衝擊波，並在靶材上穿出一個孔。 • 層裂：靶材表面吸收雷射能量後，原子被電離，形成電漿體。向外膨脹噴射形成應力波向深處傳播。應力波的反射造成靶材被拉斷，形成「層裂」破壞。除此以外，電漿體還能輻射紫外線或X光，破壞目標結構和電子元件。
雷射唱片 • CD（英語：Compact Disc），是一種用以儲存數字資料的光學碟片，原被開發用作儲存數位音樂。CD在1982年面世，至今仍然是商業錄音的標準儲存格式。 • 在CD尚未發明之前，音響系統都是屬於「模擬制式」的，音樂的來源大多是30公分直徑的LP唱片、收音機，以及錄音機等，CD發明之前根本就沒有數位音響，因此CD可說是繼電晶體以來最偉大的發明。
雷射指示器，又稱為雷射筆、指星筆等，是把可見雷射設計成便攜、手易握、雷射模組（二極體）加工成的筆型發射器。常見的雷射指示器有紅光(650-660nm)、綠光(532nm)和藍紫光(405nm)等。通常在會報、教學、導賞人員都會使用它來投映一個光點或一條光線指向物體，但它可能會破壞或影響導覽物的場所，例如藝術館（有些畫作怕光）、動物園等都不宜使用。雷射指示器，又稱為雷射筆、指星筆等，是把可見雷射設計成便攜、手易握、雷射模組（二極體）加工成的筆型發射器。常見的雷射指示器有紅光(650-660nm)、綠光(532nm)和藍紫光(405nm)等。通常在會報、教學、導賞人員都會使用它來投映一個光點或一條光線指向物體，但它可能會破壞或影響導覽物的場所，例如藝術館（有些畫作怕光）、動物園等都不宜使用。
