鐳射光的原理 第二章

鐳射與原子的關係

簡單的來說，鐳射就是利用一個特製器具把原子的能量層次提昇之後然後在受控制的情況下回復至原來的能量層次，在能量由高至低的過程中，被激勵了的原子就會釋放出光子，而這些光子就是鐳射了。英文中　LASER 就是　Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. 大家從字面就已可理解到它的基本性質了。
雖然，鐳射的種類有很多，但它們全部都擁有某些特定的性質。在一支鐳射槍裡，大量的鐳射媒體的原子被激勵至一個高能量層次然後被一個收集器儲存起來（要達至理想的工作情況，被激勵的原子必定要達至一定多的數目才可）。一般來說，這些原子都是被激勵至較原始層次再高２至３個層次才有一定的效果。
當被激勵了的原子由高能量層次回復至原始層次時，就會如左圖 Fig.3 所示地把吸收了的能量以光子的形式釋放出來。值得注意的是以這種形式下釋放出來的光子都具有一個特定的波長（亦即某一特定的顏色）來，而決定這道光子波的波長的因素則取決於光子在被釋出時的能量而定。兩粒同元素的原子如果在同一個能量層次環境下所釋出的光子的波長都會一樣。

與一般可見光比較，鐳射光有以下的特性：

要達至以上三點，鐳射光的光子就要以有系統的激勵方式來釋出光子而不能像普通電筒般以隨機式的激勵法來釋出光子了。

從以上所述得知，某一能量層次釋出某一波長的光子，而當一粒已在某一高能量層次的原子撞上另一粒在同一層次內的原子時，第一粒原子就會把它本身所有的運動特質激勵至第二粒上去，這種引發性激勵對所釋出的光子特性複製還包括了它的振動頻率，行進方向。

另一個鐳射光的要素就是一對分別平行放在鐳射媒體兩端的鏡子。這個安排的巧妙之處就是讓那些在某一特定波長的光子可在鐳射媒體中來回反彈。在這個不停來回反彈過程中，光子不停地在碰上另一些原子後就會產生了上述的引發性激勵從而令更多相同波長及特性的光子被釋放出來。這對鏡子的其中一塊是以半銀面(half-silvered)電鍍而成，它可以把部份光線反彈而讓另一部份的光線穿透而過。被反彈的部份就是仍未被激勵至鐳射光特性的光子，能穿透的就是那些已被激勵至變成鐳射光特性的光子，跟著就透過一些計算好焦距的光學透鏡向外輻射出去。

大家可以透過下列幾幅有關深紅光鐳射(Ruby Laser)的解說圖去了解以上所講的情況。鐳射發射機本身包括一支如相機用閃光燈的閃光管，內有一支紅棒(Ruby rod)及兩面鏡子，當中的一面是全反射型的銀面鏡，另一面則只是部份反射鍍銀面鏡 (half-silvered). 那紅棒其實就是前述的鐳射媒體而閃光管就是用來激勵它的原子用。

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Fig.4A 中是在平時狀態下的鐳射媒體原子情況。

Fig.4B 顯示閃光管首先發出第一度光芒進入紅棒內的鐳射媒體從而激勵內裡的原子。

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Fig.4C 顯示當中某一些原子由被激勵後的高能量層次下降回原始層次時釋出部份的光子並向四方八面游走。

Fig.4D 可見部份這些光子是在鐳射媒體內循著紅棒的軸心方向行進而碰上兩面鏡子，之後就會不停在兩面鏡子之間來回行進。在這個過程中，每一粒光子當碰上另一粒原子時都會把它的特質激勵至原子的身上而令到帔激勵的原子也會釋出同一特性的光子來。

如是者，當這一連串的激勵在很短很短的時間內令到有足夠的光子能量在撞擊那一塊特別只有半銀面電鍍的鏡子而穿透它時，一條單一特性，包括顏色，波長，相位等的條狀光柱就會如 Fig.4E 所示激射而出成為一支鐳射光柱了。