雷射

雷射（英語：laser，新加坡稱影響著，中國大陸稱激光，香港稱激光 / 雷射）是「透過受著輻射產生的光放大」（LightAmplification byStimulatedEmission ofRadiation）的縮寫，指透過刺激原子致使電子興旺釋放輻射能量來產生的有同調性的增強光子束。其特點包括發散度極細、光度（功率）足懸的、單色性好、相干性好等。產生雷射需要「激發來源」、「增益介質」、「振動結構」這三个愛素。

歷史

阿爾伯特・愛因斯坦在一九一六年頭一先描述了原子的受激輻射佮自發輻射的關係。在此之後人真長時間攏咧臆講，這个現象會使予人用來加強光場，因為頭前講是介質必須愛有群數共反轉（或者是居量翻箍 / 粒子數反轉）的狀態。佇一个純粹的二級系統內底，因為熱力學的分配函數，這是無可能達成的。故人代先想著用三級系統，而且計算證實矣輻射的穩定性。

一九五八年，美國科學家查爾斯・湯斯佮阿瑟・洛發現一種神奇的現象：當𪜶共石光燈泡所發射的光照佇一種稀罕土晶體上的時陣，晶體的分子會發出顯炎的、始終會聚集做伙的強光。根據這个現象啦，𪜶提出著 " 雷射原理 "，即物質咧受著佮其份子固定有振盪頻率仝款的能量激發的時，攏會產生這款無發散的強光--雷射。伊是按呢發表著重要的論文，並分別得著一九六四年和一九八一年的諾貝爾物理學獎。

痟洛閣湯斯的研究成果發表了後，各國科學家紛紛提出各種實驗方案，猶毋過攏無成功。

一九六空年五月十六，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布得著波長為空增六九四三微米的雷射，這是人類有史以來得著的第一束雷射，梅曼因為世界嘛成做世界第一个將雷射引入實用領域的科學家。伊的方案是，利用一个懸強閃光燈管來刺激紅寶石。紅寶石佇咧物理上是一種和有閣原仔的拄仔玉仔，做紅寶石受著刺激的時陣，就會發出一種紅光。佇一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面戮一个空，這空使紅光會當對這空霧出來，自按呢產生一條足集中的纖細紅色的光柱，這號做紅寶石雷射。當伊射去到某一點仔時間，會當達到比日頭閣較懸的溫度。

半導體雷射器的發現：頭前蘇聯科學家尼古拉・巴士夫佇一九六空年發明了半導體雷射器。半導體雷射器的結構通常由 p 層、n 層佮形成雙異質結的有源層構成。其特點是：sài-sù 細、p 合效率懸、響應速度緊、波長和 sài-sù 佮光纖 sài-sù 適配、會當直接調製、相干性好。

佇一九八空年代尾期，半導體技術閣較會懸效果耐用的半導體雷射二極體成做可能，這寡佇小功率的 CD 和 DVD 光碟機佮光纖數據線中得著使用。

佇一九九空年代，高功率的雷射激發原理得著實現，譬如講片狀雷射佮光纖雷射。後者新的加工技術佮二十 kW 的高功率不斷的予人應用著材料加工領域內底，對而且部份的代替矣 CO 二雷射和 Nd : YAG 雷射。

這馬乎，雷射器已經成做工業、通訊、科學佮電子娛樂內底的重要設備。

中文名稱來源

一九六空年七月七號，美國科學家梅曼發明了第一台雷射器，一九六一年，中國大陸頭一台雷射器佇中國科學院長春光機所由王之江等人研製成功。但是彼个時陣中國並無「激光」一詞，中國科學界對伊的英文翻譯真濟種多樣，比如講「光的受著輻射放大器」、「光量仔放大器」，遮的名顯然傷長，對稱呼不利。閣有一寡音譯，如「萊塞」抑是講「雷射」。

號名的混亂予科學界和教育界帶來真大的不便。一九六四年寒人，中國全國第三屆的光量放大器學術報告會佇上海召開，研究並通過對專有名詞的統一翻譯佮號名。會議召開進前，《光受激發射情報》雜誌編輯部予出名物理學家錢學森寫了一張批，請伊予 laser 號一个中文名。無偌久，錢學森回信建議號名做「激光」。這名表現出光的本質、閣描述了這个類光佮傳統光的無仝，即「激」體現受激發生、激發態等意義。這名稱佇會頂懸受著與會者的一致贊同，所以中國大陸著 laser 有了統一的漢語的名稱。

佇港澳地區「激光」和「雷射」兩詞攏通用，抑若台灣一開始就咧使用「雷射」這个翻譯，毋捌使用「激光」這个名詞；新加坡有時陣嘛是音譯做講「影響著」，但雷射的性質實際上參與這種放射性重金屬的裂變射線攏無關係。

原理

輻射

電子的運動狀態會當分做無仝的能階，電子對高能階向低能階躍徙時，會釋放出相應能量的電磁波（所謂自發輻射）。一般的發光體中，遮的電子釋放光子的動作是隨機的，所釋放出來的光嘛無仝款的特性，譬如講麝絲燈發出的光。

做外加能量以電場、光仔、化學等方式注入著一个會當階統並為之吸收的話，會致使電子對低能階向高能階躍遷徙，當自發輻射產生的光子拄著遮的因外加能量佇高能階的電子時陣，遮的高能階的電子會去予人唌著通遷到低能階共釋放出光子（所謂受著輻射），受著輻射的所有的光學特性佮原來的自發輻射包括：頻率、相位、頭前進方向等等咧是仝款的，遮的受著輻射的光子拄著其他因外加能量佇高能階的電子時陣，閣會當閣產閣較濟仝款的光子，最後光的強度愈來愈大（即光線能量被放大矣），啊若佮一般的光無仝款是所有的光攏有相仝的頻率、相位 ( 同調性 )、頭前進方向。

欲做到光放大，著愛產生一个高能階電子比低能量級電子數目濟的環境，即居量反轉，按呢才有機會予高能階電子拄著光子來釋放新的光子，毋是隨機釋放。

一般雷射產生器有三个基本要素：

「激發來源」（pumping source）：閣稱「phóng-phuh源」，共能量供予低能階的電子，激發使其成做高能階電子，能量供給的方式有電荷放電、光仔、化學作用等。

「增益介質」（gain medium）：予人激發、釋放光子的電子所在的物質，其物理特性會影響所產生雷射的波長等等的特性。

「共振腔」（optical cavity / optical resonator）：是兩爿互相平行的鏡，一面總反射，一面半反射。作用是共光線佇反射鏡間來回反射，目的是使予人激發的光濟擺經過增益介質以得著有夠額的放大，放大甲會當迵過半反射鏡的時，雷射便對半反射鏡發射出去。所以，此半反鏡嘛予人號做是輸出被五花鏡（output coupler）。兩鏡面之間的距離嘛對輸出的雷射波長有選擇作用，干焦佇兩鏡間的距離會當產生共振的波長才會當產生雷射。

居量反轉（population inversion）

佇一个二級系統當中，一个電子自低能階向高能階烈遷徙佮自高能階向低能階躍遷徙的機率是仝款的。為著欲達到光放大的作用，佇咧高能階著愛有閣較濟的電子，予得受著輻射發生的機率較懸。這个狀態號做居量反轉。出於這个原因，所以光子激發的二級系統是無法度實現雷射的，所以雷射一般是以通過三級系統佮四級系統得著實現。佇咧三級系統當中，電子受激動徙到高能階後，就足緊共轉做亞穩態。是按呢雷射媒介予人激發做高能態，居量反轉會到實現。

雷射器

雷射器是利用受激輻射原理髮射雷射的器件，無仝款結構的雷射器的工課原理不盡仝款。

通過光、電或者是其他辦法對物件來進行激發，予其中一部份粒仔激發著能量較懸的狀態，當這種狀態的粒子數大於能量較低狀態的粒子數時，因為受著輻射，物質就會當對某一波長的光輻射產生放大作用，就是這種波長的光輻射通過物質的時陣，發射強度會放大，而且佮入射光波位、頻率佮方向一致的光輻射，這款講做雷射放大器。

若共激發的物質囥佇咧共振腔內底，光輻射佇共振腔內沿軸線方向往復反射傳播，濟擺通過物質，光輻射被放大足濟倍，形成一束強度大、方向集中的雷射，這就是雷射振盪器。

半導體phóng-phuh咧固體雷射（DPSS）具有效率懸、結構緊鬥、光束質量好、性能穩定、壽命長等優點，日日本引起人的廣泛重視。尤其是單頻運轉，佇光譜學、相干通訊、雷射雷達、重力波深測、光學數據存儲等領域有廣泛的應用。

雷射器的分類有真濟方式，譬如講照工作狀態、工作物質的種類、輸出波長的波段、輸出雷射波長敢是會當調節、雷射器的用途等等特點分類。

照工作狀態分

連紲雷射器
脈衝雷射器
調 Q（輸出脈闊會當達到奈秒級別）通過改變諧振腔的 Q 值，共儲存佇激烈的媒質中的能量連鞭釋放出來，以得著一定脈衝闊度的雷射強輻射的方法。Q：品質因數，用來表示倚大氣的質量，定義做 Q=( 二 π / T ) \ *（諧振腔內底儉出來的能量 / 秒損失的能量）、 T 為禮拜的時間
電光調 Q
聲光調 Q
染料調 Q
鎖模（輸出脈闊會當壓縮著飛秒級別）
脈衝phóng-phuh（phóng-phuh源本身是脈衝）

照工作物質分

根據產生雷射的媒質，會當共雷射器分做液體雷射器、氣體雷射器佮固體雷射器等等。這馬上定看著的半導體雷射器算是固體雷射器的一種。

氣體雷射器

介質是氣體的雷射器，這種雷射器通過放電得著激發。

害去雷射器：上重要的紅光放射源（六百三十二追八 nm）。一般功率較低（空七五 ~ 五十 mW）。
二氧化碳雷射器：波長差不多十歲六 μm（紅外線），重要的工業雷射。
一氧化碳雷射器：波長大約六鼻八 μm（紅外線），就佇咧寒人的條件落去做工課。
氮氣雷射器：三百三十七孵一 nm（紫外線）。
鋪排去雷射器：有幾若个波長，四仔五十七追九 nm（百分之八）、四仔七十六交五 nm（百分之十二）、四百八十八追空 nm（百分之二十）、四仔九十六交五 nm（百分之十二）、五百空一孵七 nm（百分之五）、五百一十四追五 nm（百分之四十三，由藍光到綠光）。功率對十五 mW 到五十 W。雷射表演當中上捷用的。
害去雷射器：上重要的藍光（四仔四仔二 nm）佮近紫外雷射源（三百二五 nm）。
鋪排去雷射器：有幾若个波長，三百五十追七 nm、三百五十六曲四 nm、四百七十六追二 nm、四仔八十二追五 nm、五百二十歲六 nm、五百三十尺九 nm、五百八十六追二 nm、六百四十七孵一 nm（上強）、六百七十六交四 nm、七仔五十二追五 nm、七百九十九九尺三 nm（對藍光落去到深紅光的）。功率會當到六 W，會當較大的，價數較懸。
氧離子雷射器
鋪排去雷射器
混合氣體雷射器：無含純氣體，是幾若種氣體的混合物（一般為著增加、ua等）。
準分子雷射器：比如講 KrF（兩百四十八 nm）、 XeF（三百五十一孵三百五十三 nm）、 ArF（一百九十三 nm）、 XeCl（三百空八 nm）、 F 二（百五七喔 nm，攏是紫外線 )。
金屬蒸汽雷射器：譬如講銅蒸汽雷射器，波長介於五百十一岫六彰五百七十八爬二 nm 之間。因為誠好的加強性，會當毋免倚振鏡。
金屬鹵化物雷射器：比如講周化銅雷射器，波長介於五百十一岫六彰五百七十八爬二 nm 之間。因為誠好的加強性，會當毋免倚振鏡。

化學激發雷射器是一種特殊的形式。激發通過媒介中的化學反應來進行。媒介是一改性的，使用了後就予人消磨掉去。對高功率的條件佮軍事領域是非常理想的。

鹽酸雷射器
碘雷射器

固體雷射器

介質是固體的雷射器，這款工作物質通過燈、半導體雷射器陣列、其他雷射器光照phóng-phuh提著激發。熱透鏡效應是大多數固體雷射器的一項缺陷。

紅寶石雷射器：世界是頭一台雷射器，一九六空年七月七號，美國青年科學家梅曼宣佈世界上第一台雷射器誕生，這台雷射器就是紅寶石雷射器。
濫人攑 a-lú-mih 石榴石（Nd : YAG）雷射器：上捷用的固體雷射器，工作波長一般為一千空六十四 nm，這波長是四能階系統，猶閣有其他能階會當輸出其他波長的雷射。定定透過 KTP , BBO , LBO 等非線性晶體轉換做五百三十二 nm , 三仔五 nm , 兩百六十六 nm 波長光源。
含著肉箭酸（Nd : YVO 四）雷射器：低功率應用上廣泛的固體雷射器，工作波長一般為一千空六十四 nm，會當通過 KTP , LBO 非線性晶體倍頻後產生五百三十二 nm 的雷射進行波長的轉換。
濫人攑 a-lú-mih 石榴石（Yb : YAG）雷射器：適用佇高功率輸出，這款材料的碟仔片雷射器佇雷射工業加工領域有誠強的優勢。
被藍寶石雷射器：有較闊的波長調節範圍（六百七十 nm～千二百 nm）
光纖雷射器：用濫有稀塗元素的玻璃 ( SiO 二 ) 光纖作為增益介質。

半導體雷射器

半導體雷射器是電驅動的二極體。施加電流產生的大量電子佮電洞複合時，便產生受激發射作用的光增益。佇晶體的解理面端點處的反射形成光學諧振腔，通常是利用兩種無仝款的材料來形成共振腔，就算講有一寡設計是共振腔囥佇咧半導體晶體的外口。

商業雷射二極體的發射波長是對三百七十五 nm 到三千五百 nm。低到中等功率雷射二極體被應用佇雷射印表機、CD / DVD 播放機佮雷射指示器。應用佇工業切割拋接，工業雷射二極體的上懸功率已經達到囉十 kW ( 七十 dBm )。

染料雷射器

染料雷射器使用有機染料作為增益介質。

自由電子雷射器

自由電子雷射器（Free electron lasers），抑是 FEL，是以自由電子做工作物質，將高能電子束的能量轉換做雷射的裝置，有短波長、大功率、高效率佮波長伊可調節的特性，波長對微波，到太赫茲輻射佮紅外線，到可見光譜，到軟 X-射線。

Bio laser

活細胞會當基因改造工程產生綠色螢光卵白（GFP）。綠色螢光卵白（GFP）被用做雷射的「增益介質」，干焦放大就咧發生佇 GFP。

光子學晶體雷射

構成

雷射器大部份攏是由激發系統、雷射介質佮光學諧振腔三部份組成。激發系統就是產生光能、電能抑是化學能的裝置，如雷射電源。目前使用的激發手段，主要有光照、通電抑是化學反應等。雷射介質是會當產生雷射的物質，如紅寶石、ma玻璃、分氣、半導體、有機染料等。光學倚振腔的作用，是用來放大加強輸出雷射的光度 ( 強度 )，調節佮選定雷射的波長佮方向等等。

應用

雷射應用足廣的啦，主要有光纖通信、雷射光譜、雷射測距、雷射雷達、雷射切割、雷射唱片、雷射掃描、雷射滅蠓器等等。

第一改佇大眾日常生活當中使用雷射是超市條碼掃描儀，佇一九七四年推出。光碟佇一九七八年推出，是包括雷射的第一个成功的消費產品，但光碟放送器是頭一个裝備有雷射器的捷看設備。咱趕緊，佇一九八二年開始出現雷射印表機。

一寡其他的用途有：

醫學：無血手術、雷射治療、手術治療、腰子結石治療、雷射矯視、牙科
工業：切割、拋接、材料熱處理、拍標記、非接觸性的測量
軍事：目標記、彈藥制導、飛彈防禦、雷射武器
司法：指紋鑑定、超速取締
科研：光譜學
生產 / 商業應用：雷射印表機、光碟、條碼掃描儀、雷射指示器
雷射燈光顯示：雷射燈光秀
美容手術皮膚治療：雷射美容
建築：雷射水平儀、雷射測距儀二空空四年，無包括二極體雷射器，大約一百三十一 , 零一个雷射器被賣出，價值為二十一孵九億美金。仝年，共賣出大約七孵三三億二極體雷射器，價值為三十二億美金。

安全性

準做是頭一級的雷射嘛予人叫是有潛在性的危險。西奧多・梅曼創造的頭一个雷射器只有「吉列」彼功率，伊干焦會當燒吉列剾喙鬚刀的刀片。猶毋過，幾毫瓦的低功率照射，攏真危害著人眼的目睭。若是該雷射的波長佇目睭角佮透鏡會當良好聚焦佇視網膜的範圍內，就意味對這種相干性低的發散的雷射會去予目睭注意著佇咧視網膜頂懸足細的區域，只要幾秒鐘抑是閣較短的時間，就會造成視網膜局部的燒燙佮永久性的燒烙，有機會致使視網膜穿空（網膜出現裂空）佮嚴重情況出現視網膜甪去。

雷射器通常攏會標示有著安全等級編號的雷射警示標籤：

第一級（Class I / 一）：佇裝置內是安全的。通常是因為光束予完全的封閉在內，譬如講佇 CD 放送器內底。
第二級（Class II / 二）：正常咧使用狀況下是安全的，目睭的𥍉目反射會使避免受著傷害。這類的設備通常功率是低的 mW，比如講雷射指示器。
第三 a / R 級（Class IIIa / 三 R）：功率通常會達到五 mW，而且咧𥍉目反射的時間內會有對目睭造成傷害的小風險。注視這種光束幾秒鐘會對視網膜造成隨的傷害。
第三 b / B 級（Class IIIb / 三 B）：佇暴露下會對目睭造成隨的損傷。
第四級（Class IV / 四）：雷射會燒火皮膚，佇某一寡狀況下，就算散射的雷射嘛會對目睭佮皮膚造成傷害。真濟工業佮科學用的雷射攏屬於這級。

這種標示的功率是針對可見光佮連紲波長的雷射，對脈衝雷射佮袂可見光雷射閣有其他適用的限制。著用第三 B 級佮第四級雷射工課的人，閣需要會使吸收特定波長光的護目鏡保護𪜶目睭的安全。

某一寡波長超過一爿四 μm 的紅外線雷射通常予人歸類做著「目睭安全」的。這是因為水份子的內咧分子震動對這一波段附近的頻譜有著強烈的吸收，所以這波長的雷射佇通過眼角膜的時陣會予人透薄，完全無法度殘留的光線會予透鏡聚焦甲達視網膜。猶毋過 " 目睭安全 " 的標籤可能會造成誤導，因為伊干焦適用佇低功率的連紲光束，任何高功率抑是講有 Q-斷路器的雷射，佇這種波長仝款會當燒燙燙角膜，造成目睭嚴重的損傷。

軍事用途

參考文獻

外部連結

《物理園》：雷射是啥物？

歷史