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看過科幻片的人，一定忘不了星際大戰裡的雷射武器吧！絕地武士們手持光劍用力一揮，任何堅硬的金屬都會應聲而斷。在電影惡靈古堡中，網狀的雷射光束向特種部隊迎面而來，只見一個人瞬間被切成一塊塊的「人排」，雖然聽起來有點噁心，不過到底什麼是雷射呢？雷射真的有這麼神奇嗎？

雷射的原理

雷射（Laser）是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的縮寫，意 思是「利用激勵放射來增加光的強度」，產生發散角很小的光束，如圖一（A）所示。所謂的 「激勵放射」其實就是完成「能量激發」 （pumping）與「共振放大」（resonance）兩個重要的步驟。

能量激發：外加能量（光能或電能）激發材料的電子由「內層能階」跳到「外層能階」，當電子由外層能階跳回內層能階時，將能量以光能的型式釋放出來，如圖一（B）所示。

圖一：雷射的原理。（A）雷射的外觀；（B）能量激發與共振放大。 （資料來源：http://en.wikipedia.org、http://www.beamq.com）

共振放大：在發光區外加一對「共振腔」 （cavity），共振腔其實可以使用一對鏡子組成，如圖二（A）所示，使光束在左右兩片鏡子之間來回反射，不停地通過發光區吸收光能。同時使光波形成建設性干涉，最後產生共振，使光的能量放大。

圖二：固體雷射的種類。（A）鈦藍寶石雷射；（B）砷化鎵雷射二極體。（作者提供）

固體雷射

固體雷射的發光源為固態晶體，例如：鈦藍寶石雷射（Ti sapphire）、釹石榴石雷射（Nd:YAG）等，以鈦藍寶石雷射為例，先在藍寶石內摻雜鈦原子得到鈦藍寶石晶體，在晶體四周放置許多高亮度的光源（發出某一種波長的光）對著晶體照射，當晶體吸收光能產生「能量激發」，則會發出另外一種波長（顏色）的光。發射出來的光經由左右兩個反射鏡來回反射產生 「共振放大」，由於右方的反射鏡設計可以穿透 5％的光，所以高能量的雷射光就會由右方穿透射出，如圖二（A）所示。

雷射二極體

雷射二極體（laser diode, LD）又稱為「半導體雷射」（semiconductor laser），也算是固體雷射的一種，其發光源是會發光的化合物半導體，例如：砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、 氮化鎵（GaN）等，以砷化鎵雷射為例，先在砷化鎵雷射二極體晶粒（大約只有一粒砂子的 大小）上下各蒸鍍一層金屬電極，對著晶粒施加電壓，當晶粒吸收電能產生「能量激發」， 則會發出某一種波長（顏色）的光。……【更多內容請閱讀科學月刊第514期】