雷射系列二:如何產生雷射?

(CC-BY-SA))
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撰文|方程毅

雷射系列一介紹雷射的性質後,系列二我們來談談雷射怎麼形成的。

雷射的成因是「光在共振腔內共振並藉由增益物質(gain media)將能量放大」。光的本質是波動,要理解這句話,可以從比較簡單的波動現象解釋。下圖(a)為繩子固定於牆兩端形成駐波之示意圖,駐波的成因是共振,意即兩面牆形成一個共振腔(resonator),讓特定頻率的駐波存在,同時儲存駐波能量使其不會散逸。駐波要能在共振腔形成必須具備特定頻率,這些特定共振頻率被稱為模態(mode),每個共振腔根據其設計及尺寸之不同會支持不同頻率的模態存在,以圖(a)來說,只有節點間距離是 L、L/2、L/3……的駐波模態能在該共振腔裡生存。假設兩面牆之間距離變長,能夠在裡面形成駐波的頻率(波長)便不相同。

假設現在有一個光學共振腔,我們外部供給能量,在共振腔隨機產生各種波長的光,但最後只會有該光學共振腔允許的波長(頻率)會產生駐波形成共振,形成共振的光波才能被保留下來,其他未共振的光波能量就會隨時間消散。這是雷射能夠產生單一波長光束的重要元素:共振腔可以選擇特定波長的光留下。

 

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但這樣還不夠,共振腔充其量是把能量留起來不至於散逸,光波能量不會被放大。因此需要雷射的另一個元素:增益物質(gain media)。增益物質的原理我們即將在系列三解釋,其顧名思義是個可以把光能量增益放大的材料。但特別的是,增益物質並不會把所有波長的光能量都放大,而是根據材料特性不同針對特定波長進行放大。

增益物質如何工作如圖(b),黃色矩形即是增益物質,假設這種材料只放大節點距離為 L/2 駐波,其他的不影響(或是吸收能量),節點距離為 L/2 駐波在共振腔內就會不斷被放大,其他不變或是消散,久而久之,節點距離 L/2 駐波便宰制了整個共振腔如圖(c),能量強又只有單波長的雷射光就這樣產生了,除此之外,共振腔限制了波的相位,就像圖中結點(node)一定發生在牆上,也因此產生的光具同調性。

圖(a-2)-(c-2)是整個過程的示意圖,不同光波長的駐波可以同時存在於共振腔,但最終只有增益物質選擇的波長被放大。

或許你還有一個問題,駐波都在共振腔裡面,那光要怎麼射出來呢?

沒有共振腔是完美儲存能量的,因此只要它會漏,就能從外面收光。至於光要漏多少就是仰賴雷射設計者去煩惱了。

共振腔的設計百百種,未必要像圖中一樣兩道牆,環狀 (ring resonator) 或柱狀也都有人使用。雷射共振腔可以自由設計,但增益物質卻是材料本身的特性,因此雷射的發光波長取決於增益物質,大部分雷射也以增益物質來命名。例如紅光雷射(波長:632.8 nm)所使用的增益物質為氦氣(He)及氖氣(Ne),被稱為「氦氖雷射」;波長 730~850 nm 使用鈦藍寶石 (Ti Sapphire),被稱為鈦藍寶石雷射;而<積體光路系列四─波長的選擇>提及波長 1550 nm 則必須要用砷化鎵銦 (InGaAs) 或磷砷化鎵銦 (InGaAsP) 作為增益物質,但因為這裡的化合物較複雜,基本上統稱為半導體雷射。

通常來說雷射有三大要素:共振腔、增益物質及激發來源 (pump source)。我們再回頭看本文一開始提到的雷射成因:「光在共振腔內共振並藉由增益物質將能量放大」。這句話是否比較好懂了呢?

系列二我們介紹了共振腔及增益物質,但增益物質不會自己把能量放大,否則就違反能量守恆,增益物質必須靠外界提供能量,也就是第三要素:激發來源。系列三我們將會介紹增益物質放大光能的原理及激發來源如何跟增益物質進行交互作用。

參考資料:氦-氖雷射(He-Ne Laser)

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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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