雷射原理. The Principle of Laser. 授課教授 : 林彥勝博士 Contents

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1 雷射原理 The Principle of Laser 授課教授 : 林彥勝博士 yslin@mail.isu.edu.tw Contents Energy Level( 能階 ) Spontaneous Emission( 自發輻射 ) Stimulated Emission( 受激發射 ) Population Inversion( 居量反轉 ) Active Medium( 活性介質 ) Pumping Optical Resonator( 光共振器 ) Waveguides ( 波導 ) 1

2 The Principle of Laser 能階 (energy level) 原子的能量是不連續的, 是指原子具有 特定的能量狀態, 這些能量簡稱為能階 (energy level) * 能量最低的能階, 稱為基態 (ground state) * 較高能量的能階, 稱為受激態 (excited state) 2

3 Radiation Electrons in atoms can occupy many different energy levels. The further away an energy level is from the nucleus, the higher its energy. So an electron occupying energy level E4 in this picture, would have a higher energy than an electron occupying any of the other three energy levels. Bohr model of the atom According to this model, every atom is composed of a very massive nucleus with a positive electric charge (Ze), around it electrons are moving in specific paths. Z = Number of protons in the nucleus, e = Elementary charge of the electrons: e = 1.6*10-19 [Coulomb] 3

4 能階圖 (Energy Levels Diagram) 當電子抓取得一個光子獲得能量時, 有可能從較低的能階跳躍至較高能量的位階 同理地, 當電子由較高的能階跳躍至較低能量的位階時, 表示電子已經喪失能量, 此時會伴隨著一個光子的釋出 吸收或放射能量的電子光譜能階 當 光子 (photon) 進入到原子內, 電子可能會將這個光子的能量 (Ephoton = h ν; 式中 h 稱為卜朗克常數, h = 爾格秒 ; 光子頻率 ν ) 完全吸收, 使得電子得以從較低的能階 (E1) 跳躍到較高的能階 (E2), 其能量間的關係是 Ephoton = E2 - E1 ; 這呈現的 吸收譜線 (absorption line) 原子內位處於較高能階的電子, 由於能階的較不穩定, 而使得電子容易從較高的能階 (E2) 掉落到較低 較穩定的能階 (E1), 同時釋放出等同於兩個能階差的光子 ( Ephoton = E2 - E1 ); 這就是 放射譜線 (emission line) 4

5 Light Absorption and Emission When a photon, or packet of light energy, is absorbed by an atom, the atom gains the energy of the photon, and one of the atom's electrons may jump to a higher energy level. The atom is then said to be excited. When an electron of an excited atom falls to a lower energy level, the atom may emit the electron's excess energy in the form of a photon. The energy levels, or orbitals, of the atoms shown here have been greatly simplified to illustrate these absorption and emission processes. Visible Portion of the Electromagnetic Spectrum Photon "color": Blue Yellow Red Wavelength: (nm) Energy: (ev) The Tech 5

6 矽的能階圖 - 間接 (indirect) 半導體 Si 大多數的電子電洞結合都會走 "2"-"3" 這條路. 此方式會經由中間階能階 ( 或稱複合中心 ) 當作中介轉換, 使其轉換機率大增 Spontaneous Emission( 自發輻射 ) 激發原子自發地向低能級躍遷的輻射過程 原子中處於高能級 E 2 的電子, 一般要向較低的能級 E 1 躍遷, 而同時放出能量為 E 2 -E 1 的光輻射 這個過程如果不受外界因素作用而自發地進行的, 就稱為自發輻射 常見的各種白熾燈 日光燈 霓虹燈, 以及熒光材料的發光, 都是自發輻射產生的光 6

7 Spontaneous Emission( 自發輻射 ) 能量較高的物質放出電磁波, 而降低其能量的過程稱為自發放射 物質吸收光子能量後, 電子躍遷到激發態, 當入射光消失時, 電子經過一小段時間後, 會自然回到穩定的基態 這時能量將以光子方式釋放, 且朝各方向放射的機率相同, 一般的光源放射就是這種方式 Stimulated Emission( 受激發射 ) 當原子處於準穩態, 而能量等於準穩態與基態之差的光子, 經過此原子時, 原子立即從亞穩態躍遷至基態, 且將發射一個新光子, 此稱為受激發射 (stimulated emission) 或誘發輻射 (induced radiation) 7

8 Stimulated Emission( 受激發射 ) 物質與光的第三種交互作用是激發放射, 就是在激發狀態的粒子受到入射光的作用而躍回基態, 受激放射的頻率與入射光相同, 而且放射光方向與入射光運動方向一致, 也就是產生波長一樣 ( 因此能量相同 ) 且相位一致的放射光, 這是雷射光發生的重要過程 通俗地說, 激發放射是高能量的物質因為受到適當的入射光子所激勵, 而發出相同的光波 自發射 (spontaneous emission) 受激發射 (stimulated emission) 8

9 stimulated emission!! 9

10 雷射的基本工作原理 設法將大部分的原子激發至準穩態, 使累積在準穩態的原子數目極多, 然後以能量恰當的光子誘發這些原子, 使它們一起產生受激發射, 這時就可產生聚光性佳 強度高的雷射光 Population Inversion( 居量反轉 ) 居量反轉 是產生雷射光的重要條件, 就是上能階的電子密度必須高於下能階的電子密度 熱平衡下, 上能階的電子密度一般都低於下能階的電子密度, 也就是說, 如果將能階看成是樓層, 電子當做是人, 這裡的人喜歡居住在低的樓層, 而不喜歡住在高樓層 但居量反轉發生時, 高樓層住的人多, 低樓層則住的少, 這與熱平衡下的分布趨勢相反, 因為這緣故, 當雷射發生時, 才能夠放大放射光 10

11 在平常時候, 高能階中的原子數目或居量 (population) 應較低能階之居量為小 如果高能階中的原子居量比低能階中的原子居量高的話, 便稱為居量反轉 (Population \ Reversion), 這便是活性介質會發生雷射光的首要條件, 當高能階的原子迅速躍回低能階時, 將會放出強度高而且性質相當一致的光子出來 Population Inversion 11

12 Active Medium( 活性介質 ) 以活性介質分類 氣體電射, 例如 : 氦氖雷射 正氬離子雷射 二氧化碳雷射 氮雷射 氫氰酸雷射 染料雷射, 其活性介質是液態溶劑內的染料分子 ( 有時候是固態溶劑 ) 固態雷射 滲雜的晶體或玻璃, 例如紅寶石雷射 鈦藍寶石雷射和半導體雷射 活性介質可以是封閉型的, 密封在雷射共振腔內, 也可以是採開放迴路型的 如果是封閉在共振腔內, 那麼共振腔的函封 (sealing) 技術便非常重要 活性氣體供應如二氧化碳雷射採開放迴路型時, 造價比較昂貴, 通常只實施於較大型的雷射上 活性介質不一樣, 所發出的波長也不一樣 12

13 激發來源 "(pumping source) 激發來源 "(pumping source) 激發系統就是產生光能 電能或化學能的裝置 目前使用的激發手段, 主要有光照 通電或化學反應等 13

14 激發來源 "(pumping source) 激發源的形式主要有兩種, 就是光激發源和電激發源 固體雷射和液體雷射多使用光激發源, 而氣體雷射和半導體雷射則使用電激發源 所謂光激發源, 就是利用適當光源來激發活性介質, 使電子能從基態受激躍升到較高能階的激發態, 常用的有 : 脈波式輸出雷射用的氙氣閃光燈, 以及連續式輸出用的氪弧光燈 發光二極體等 而光激發源的效益偏低, 這是未來科學家要努力研究的重要課題之一 至於氣體雷射或半導體雷射則多使用電做為激發源, 例如加電壓等方式 Optical Resonator( 光共振器 ) 共振腔是由兩片鏡片所構成的, 前面的鏡片是半反射鏡片, 而後面的鏡片是全反射鏡片 雷射光振盪的次數, 端視共振腔所使用的前反射鏡之穿透率如何而定, 穿透率越低, 則來回的次數越多 至於前反射鏡的穿透率要如何安排, 又要看雷射種類之本身其增益的大小而定 共振腔內雷射光去和回來的波會形成共振, 因此可以視同駐波的效應 14

15 光共振腔 ( Optical resonator ) 基本上設計還可以分為穩定及不穩定共振腔兩類 (l) 穩定共振腔 ( Stable resonator ) 通常低能量及增益值小的雷射, 大都採用穩定共振腔 基本上, 它的結構就是兩片有著適當的曲率的凹面鏡放在介質的兩端, 光波在這兩面鏡子之間來回而放大 其中一面鏡子允許部份輻射穿透, 形成雷射的輸出 ( Output ) 在穩態 ( Steady State ) 狀況下, 這輸出的能量就相當於在作用中光波所增加的能量 (2) 不穩定共振腔 ( Unstable resonator ) 不穩定共振腔通常用於較高能量或輸出比例較大的雷射 這種共振腔中, 光波每來回一次, 其面積就會被放大一定的比例, 輸出的方法就是用刮鏡 (Scraper) 將這多出來的部份反射出共振腔 這類設計的優點在於有較高的模區別比例 ( Mode discrimination ratio ), 因此對鏡面的像差 ( aberration ) 及介質的不均勻性比較不敏感 Stable and Unstable Resonator 第一個問題是鏡面的材料, 尤其是紫外線造成的鏡面損害 第二個問題是共振控對排列的敏感性 另外一個問題是共振腔長度的控制 對鏡子傾斜的敏感度及共振腔長度的控制, 在目前一般的不穩定共振腔設計上, 還是一個嚴重的問題 15

16 Various Resonators 奈米共振器 設計的光共振器以光子晶體為基礎, 這種光子晶體是在矽基板上排列數列直徑約 200 奈米的小孔, 並使相鄰的 3 個小孔呈三角形分佈 光射入這種光子晶體後就會連續發生反射, 最終, 光穿越光子晶體比穿透普通物質多花了 1.45 納秒 (1 秒等於 10 億納秒 ), 這相當於光的傳播速度下降到了每秒 5.8 公里, 約等於真空中光速 ( 每秒約 30 萬公里 ) 的五萬分之一 開發的光學結晶納米共振器 16

17 Waveguides ( 波導 ) 光纖波導的原理其實相當簡單, 就是應用光波從高折射係數介質進入低折射係數介質時所發生的全反射現象 藉由全反射原理, 光波能量被限制在內徑約 10 微米 (1 微米等於百萬分之一米 ) 的玻璃纖維管內, 做單一方向的傳輸 17

18 凹面型微光柵 -- 下一世代光通訊分波與生醫晶片關鍵性元件 光通訊為現代化社會的基本條件, 當國內外產學研各界積極開發光通訊用波導型 高密度波長分波元件 (DWDM) 關鍵性零組件之際, 從事前瞻性技術開發的國科會精密儀器發展中心, 成功研發出下一世代 DWDM 的關鍵性元件 凹面型微光柵, 此凹面型微光柵亦為生醫檢測晶片之關鍵性元件 Fabrication of Two-Dimensional Arrays of CdSe Pillars Using E-Beam E Lithography and Electrochemical Deposition 18