二氧化碳雷射

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二氧化碳雷射 (Carbon Dioxide Laser)
國立臺灣大學物理系蔡雨錡

要了解二氧化碳雷射前，首先要來了解雷射。電子狀態有不同的能階，當電子自發地從高能階往低能階躍遷時會釋放出相應能量的電磁波，這樣的現象稱做自發射 (spontaneous emission)。如果有外界干擾（例如入射電磁波），也會促使電子從高能階往低能階躍遷，如此而釋放出電磁波的現象稱為受激發射 (stimulated emission)。雷射就是靠這種「以光生光」的機制來產生相干性很好的光源。受激發射的概念是愛因斯坦在1917年首度提出。受激發射所有光學特性跟自發辐射相同，包括频率、相位、前进方向，只是光的强度放大。而「laser」就是受激發射的光訊號放大 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 的縮寫。

一般的雷射產生器有三個重要要素：提供外加能量的激發來源 (pumping source)、被激發釋放光子的電子所在物质-增益介質 (gain medium)、一面全反射，一面半反射 (output coupler)，两面互相平行的镜子製成，使被激發的光在鏡子間來回反射，多次經過增益介質以得到足夠的放大的共振腔 (optical cavity/optical resonator)。兩鏡面之間距離要適當調整使雷射波在兩鏡間產生共振，如此雷射才能透過建設性干涉來增強。

1964年貝爾實驗室發明了世界上最早的氣體雷射，二氧化碳雷射。二氧化碳雷射發出的波長為9.4-10.6微米，為红外線波段。其中使用的氣體並非純二氧化碳，通常是二氧化碳 (10~20%)，氮氣 (10~20%) 跟氦氣的組合，比例會根據用途調整。由於其能源轉換率高達20%，現在全世界流行的工業用雷射切割機使用的就是高功率的二氧化碳雷射，雷射雕花則只需要低功率的雷射。在軍事方面，因為大氣層對紅外線波段的阻擋很弱，再加上二氧化碳雷射高功率，所以常被拿來研發雷射武器。

而在美容及醫學方面，常常被用来做各種手術。去疤磨皮：因為水在二氧化碳雷射的光頻率極容易揮發，雷射光化能被皮膚細胞內的水分吸收而產生高熱能，將皮膚細胞瞬間蒸發汽化，移除病變或老化皮膚。部份熱能分散在皮膚深層產生作用，進而刺激膠原蛋白重組而達到去皺除疤磨皮的功效。鼻手術：鼻塞與鼻漏、流鼻血、鼻粘連或鼻部腫瘤皆可以使用二氧化碳雷射手術。可使鼻黏膜表面燒灼讓鼻肉體積變小來解決鼻塞與鼻漏。口腔或著口咽雷射手術：針對白斑症、紅斑症、黏膜下纖維化或者是疣狀增生等癌前病變可以做不良部分切割或是止血，傷口恢復比傳統電燒刀來得快速。打鼾症也可以用二氧化碳雷射做懸壅垂軟顎雷射成形術。近年來還有跟顯微鏡結合的咽喉部顯微鏡雷射手術以及耳硬化症手術，可以精準切除，提升晚期咽喉癌病患的生活品質或是做鐙骨開窗手術協助重建聽小骨。