2010年5月11日

更強的功率輸出—強場雷射,帶動研究新境界

作者/汪治平(任職中央研究院原分所)

當雷射的瞬間功率變得更強時,會引發非線性效應,影響光束的品質,甚至因游離而造成損害。唯有克服這些難關,才能更進一步地提高雷射的功率。

雷射是一種特性良好的光源,它具有很好的準直性,也就是所發出的光向同一個方向前進;也有很好的同調性,就是可以發出頻率很準確的光,或是說所發出的光具有很規律的相位變化。然而雷射光是如何做出來的?這就得先瞭解原子與光的交互作用,才能通達其奧妙。

一個原子可藉由吸收一個光子從低能階躍遷到高能階,也可藉由放出一個光子從高能階降到低能階,後者這種發光過程稱為自發放射;原子停在高能階時若受到一個外來光子的作用,就有機會放出一個相同的光子,加上原本的外來光子,變成兩個光子,這種過程稱為激發放射。持續產生激發放射的條件是高能階原子的數量要大於低能階的原子數量,也就是所謂的居量反置。在這個條件下原子受刺激而放光的速率就會大於吸收光的速率,放出來的光子便會越來越多,形成一個「光放大器」。

為了增加放大率,並控制光的行進方向,我們將作為光放大器的增益介質,放在由平行反射鏡所組成的「共振腔」中,讓光線來回反射,反覆通過光放大器而持續放大。透過共振腔的作用,我們可以限制光線以特定的方向前進。與共振腔相同方向的光線才會被放大,其餘不同方向的光線很快就逸出了共振腔,不再被放大,這是雷射具有很好的準直性的原因。

共振腔還有另外一個作用,那就是限制雷射的頻率。對於平面鏡所構成的共振腔,光線要在其中來回振盪,須遵守l=nλ 的公式(l 是共振腔長度,λ是波長, n 是某個正整數),只有符合這個公式波長的光線才會被放大。不過,共振腔的長度可以長達數公尺,光的波長卻以微米(μ m)為單位,這兩者之間相差了百萬倍,也就是說符合條件的n 範圍相當大,而非只有單一波長。究竟哪些波長可以被放大,還要考慮光放大器原子能階的寬度。能階越寬,可以涵蓋的n就越多,也就是可以同時發出很多頻率的光。如果想讓雷射只發出單一頻率的光,通常需要在共振腔中加入限制頻率的元件,以選出所要的頻率。【更詳細的內容,請參閱第485期科學月刊】

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