雷射系列二:如何產生雷射? | 合法醫療器材資訊網
2016年12月20日—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 ...
(CC-BY-SA))撰文|方程毅
在雷射系列一[1]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。
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...
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