雷射系列一:雷射跟一般光源差在哪裏?

■本系列我們將介紹一個有趣的元件:「反雷射」。但在這之前,我們必須先了解什麼是雷射才有辦法體會反雷射的美妙。

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漣漪示意圖

撰文|方程毅

英文 LASER 是一個縮寫,全名為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,字面上翻譯為「藉由受激輻射將光放大」。對於理解雷射的人,這是非常清楚地描述,但對一般人還是太艱澀。事實上很多試圖解釋雷射的文章及書籍都還是寫得非常學術,系列一將試圖用簡單的方式介紹雷射有什麼特別,以及雷射發光的性質。(本文用的比喻在科學上不見得百分之百精準,但較容易讓讀者理解雷射的行為。)

 

雷射,通常有幾個特徵:1. 能量強、2. 顏色單一、3. 具同調性(coherence)。

1. 能量強很直觀,畢竟雷射是以Light Amplification開頭,往後的系列文我們也將介紹光被放大的機制,這裡先按下不表。

2. 顏色單一?雷射,射出來的是光;燈泡,射出來也是光。就算發光顏色看起來差不多,其中還是大有區別。光的顏色利用波長來描述,例如紅光為633nm左右。但顏色是人的感受,波長卻是物理性質,我們所見到燈泡的顏色都涵蓋一個波段,例如紅燈泡的發射波長可能涵蓋623nm-643nm;雖然紅雷射發出來的也是紅光,但發光波長卻非常單一,633nm就是633nm,絕不會有632nm或634nm。所以與其說雷射光顏色單一,不如說發射波長單一。

3. 具同調性(coherence)就比較難懂了。同調性是指發出來的光波很「乾淨」,我們用同樣身為波動的水波來做比喻,假設有個圓形的湖,湖面平靜沒有干擾,在湖中央丟下一顆石頭會引起漣漪(如圖),波浪從湖中央以同心圓擴散,在岸邊的觀測者就能看到規律的水波,假設湖面沒有任何干擾且完美傳遞能量,在岸上便能永遠看到這個規律的水波,這時觀測到的水波即具有同調性,意指波非常規律。但如果來了幾個屁孩,滿手石頭往湖裡亂砸一通,這時湖裡的水波就變得亂七八糟,我們在岸上看到的波即不具同調性,毫無規律可言。我們平常看到燈泡發出來的光就是一群屁孩拿石頭往水裡亂砸的結果。雖然有水波,震幅還不小,但沒有任何規則可言。雷射發出來的光波就像湖面漣漪一樣純淨,只是漣漪的振幅非常大而已。

再更深入一點去理解波動,便要引入相位的概念。波有週期,可以定義波長,又因為波會不停重複,所以在一個波長內我們用相位去描述同一個相對位置,起始點是0,波峰是π/2等等。但當中學教育一直用這樣的概念介紹波動時,我們便會有美好的錯覺,認為一道光射過來就是一個漂亮的波。但事實上並非如此,大部分我們收到的波,都像是屁孩亂丟石頭。當理解現實並非完美時,再深入去理解同調性就會清楚的多,我們先簡化湖面丟石頭的例子,假設不管怎麼朝湖面丟石頭都只會產生一種週期為2秒的波。波具同調性就是指出現漂亮的漣漪,當今天某時某地在岸邊看到波峰後,你知道每過2秒,波峰又會出現,4秒、6秒,甚至100秒、102秒,都是波峰,相位可以被預測。但不具同調性的波就沒這回事,今天在某時某地看到波峰後,或許過2秒後、4秒後還會是波峰,但可能第84秒,卻看到波谷,中間不知道哪裏斷掉了,無法預測之後的相位。

另一個特別要釐清的觀念是:波長單一跟同調性是兩件事,單波長的光不見得具同調性,具同調性的光也不保證是單波長。以雷射光跟一般光源來說,雷射光就像湖面漣漪單波長且同調性;一般光源就像屁孩亂丟石頭波長各式各樣,也不具同調性。

同調性有多重要呢?拿中學物理所學的干涉效應來說,只有具同調性的光才可能產生干涉條紋,沒有同調性的光根本無法干涉。這是由於干涉要靠精準的相位疊加,如果相位不規律不可預測,就不會有規律的破壞及建設性干涉了。

雷射光具同調性在實際應用上又有什麼優點呢?我們曾在<積體光路系列七─光學調變器>介紹雷射作為通訊或運算之用,這些應用非常仰賴對光波的掌控性,因為0跟1正是利用破壞及建設性干涉寫入的,唯有精準確定光波長及相位,才能讓攜帶資料或訊號。

了解雷射的基本特性後,系列二我們將介紹如何發出如此特別的雷射光。

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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