雷射系列三：增益物質原理與激發來源

■我們在系列一介紹了雷射光的特質：強度大、波長單一且具同調性；系列二解釋共振腔及增益物質的交互作用；系列三要來談談增益物質原理及激發來源。

撰文｜方程毅

「增益物質」英文為 gain material，雷射術語中 gain 即為放大。增益物質將光放大的原理為受激輻射(Stimulated Emission)，與受激輻射對應的為自發輻射(Spontaneous emission)。兩者分別為雷射與發光二極體 (LED) 的工作原理，兩者的目的都是發光，但性質與過程卻大相逕庭，因此在解釋增益物質原理前必須先了解二者差異。

材料裡有電子可佔據的能階 (state)，高中物理告訴我們當電子從高能階掉到低能階時可能放出光子。自發輻射為LED的發光原理，如圖(a)，當電子在高能階時，會自然而然掉到低能階，放出光子；但雷射發光原裡受激輻射如圖(b)，當電子在高能階時，若有「能量與兩能階差距相同」的光子射入，該顆光子會帶動所有電子一起掉下來，一起發光，這些光子能量及相位與入射光子相同，因此雷射才會能量大、波長單一且具同調性。增益物質利用受激原理讓光子數量不斷放大，但要將這個機制跟雷射連結還必須回答幾個問題。

 

兩者會不會同時存在？

會，這些行為在材料內都不斷發生，發生機率不同，元件是 LED 或是雷射的關在於哪一個機制主宰。

這兩張圖電子數不一樣怎麼類比?

來比較一下 LED 及雷射，假設現在外界供給電流，讓電子不斷流入高能階，LED 跟雷射的差別正是高能階的電子數，LED 不需要高能階有太多電子，反正只要有電子在高能階便會掉到低能階，大家各自為政，各自自發輻射；但雷射的增益物質經過特殊設計，讓電子可以待在高能階一陣子，同時供給電子的量也較大，讓高能階累積足夠電子，等到適合光子進來，所有電子一起掉到低能階，一起放光。這也正是增益物質的「增益」所在，進來一個光子，出去數個光子。

高能階電子從哪來？

各種雷射的來源方式不同，以固態及半導體雷射來說主要有兩種方式，第一種為通電(電激發，electrical pumping)如圖(c)，這最直接，直接將電子電洞從外界灌進發光材料中，LED 所需電流較小，高能階也比較留不住電子，因此自發輻射主宰；雷射所需電流較大，當電流夠大，高能階電子累積得夠多時，受激輻射便會發生。(所以，當供給雷射的電流太小時，這個元件就變成以自發輻射為主的 LED)。我們在積體光路系列提過不少次光源，它們都必須要使用電激發才具實用價值。

第二種是光激發(optical pumping) 如圖(d)，當光子入射進材料時，也會被吸收，而且光子被吸收跟引發受激輻射是競爭關係，何者會發生取決於低能階及高能階的電子數量，假設低能階電子數量多就會以吸收為主：相反的高能階電子數量多，引發受激輻射的機率便比較高。

恩，好像哪裡怪怪的？如果光子被吸收跟觸發受激輻射的機率取決於兩個能階誰的電子數量多，高能階怎麼可能累積夠多電子？

材料的能階不可能只有兩階，因此光激發通常是用較大能量的光子激發，如圖(e)，電子到更高階激發態後，以不放光的機制稍微往下掉，如此一來入射的黃色激發光子便不會引發受激輻射，電子便可以累積在高能階等待適合的紅色光子進來了。

光激發聽起來還是怪怪？

雷射的目的是產生光，但產生光的源頭卻是另一道光，這樣有什麼意義？

還是有的。不同材料能階差不同，雷射發光波長取決於材料本質，因此當我們想要特定波長時，該波長增益物質可能無法被注入電流，這時便會使用另一支雷射當激發光源，去拿到我們想要的波長。一般來說光激發可以用於大部分的固態增益物質，而注入電流卻需要加上電極及 p-n 接面等等，製造來說較複雜。

引發受激輻射的第一顆光子哪裡來？

這要回到第一個問題，受激輻射跟自發輻射是同時存在的，因此任何時候都會有自發輻射產生的光子，這顆光子若是符合某些條件，且高能階電子累積的夠多，便會引發受激輻射，一旦受激輻射發生就不愁沒光子，雷射也就形成了。

了解增益物質原理跟激發來源後，現在回頭看看系列二雷射的成因「光在共振腔內共振並藉由增益物質(gain media)將能量放大」是否比較有概念了？

最後，再簡述一次流程：

1. 選取增益物質 [註]

2. 設計共振腔，讓兩者特定性共同決定發光波長

3. 通電(或光子能量較高的雷射激發)讓激發態累積足夠電子

4. 自發輻射光子帶動受激輻射，形成雷射。

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[註] 增益物質決定了雷射的種類及發光波長，不同種類的雷射共振腔設計跟應用方向也都不同，常見的雷射種類(及增益物質)有：半導體雷射(砷化鎵銦(InGaAs))，化學氣體雷射(CO₂,He-Ne)，固態雷射(釔鋁石榴石晶體(YAG))和光纖雷射(鉺光纖雷射(Er ³⁺-doped fiber laser)) 等等。

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參考資料：L. A. Coldren, S. W. Corzine, and M. L. Masanovic, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, 2nd ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2012.

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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。