小小能量點亮世界：雷射
作者：文晏
星際大戰科幻片裡的太空船發出的雷射光束，看來僅僅是一道光，為何被當作攻擊武器？到底雷射光束內藏什麼神奇的力量？本期就來做一點基本概念的解析。
雷射取自英文名稱LASER的音譯，是英文（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）各單字頭一個字母組成的縮寫，意譯是「受激輻射產生的光放大增強現象」；也就是說利用儀器設備產生能量，激發原子內部電子使其由較低能階躍遷至高能階後，透過增益介質釋放輻射能量而產生具有共振能力的強大光波，基於同調相干性極好的特徵，讓光波強度變強，達到其能量足以摧毀目標物的目的；依照雷射名詞所包含的意義，完全表達了製造的主要過程與目的。
小小晶體創造極大能量
1960年美國加州休斯實驗室物理學家西奧多．哈羅德．梅曼（Theodore Harold Maiman，1927～2007）成功製造了世界上第一台雷射器，開啟第一道光波能階放大的曙光，被譽為光電產業之父。梅曼博士利用紅寶石晶體，產生了受激輻射，受激輻射的觀念，來自1916年愛因斯坦所提出的概念：「一但通常都處於最低能階的基態原子獲得能量後，便有機會躍遷至激發態，而處於高能階激態原子，會以輻射的方式釋放能量放出光子再返回基態。」處於激發態的原子可以自動地返回基態，稱為自發輻射（Spontaneous emission），可以被光誘導而返回受激輻射（stimulated emission）。原子經由輻射激發可產生與誘導光子相同波段的光子，透過光子連續連鎖反應，形成光學放大現象。紅寶石雷射的實驗成果提出，激發並鼓舞了許多雷射的相關研究與應用，不斷地推陳出新，此後1970年代可以說是物理學家對雷射相關科學研發與快速發展的黃金時代。
常見雷射的種類可以分為：固體雷射、液體雷射、氣體雷射與半導體雷射四種。要發出雷射，受激輻射是最基本的條件，必需透過外加的小小光能或電能激發，由於電子於外層軌域運行所需的能量比內層軌域更大，透過激發摻雜原子裡的電子產生電子跳躍，電子由較低能階內層軌域跳到高能階外層軌域；當電子由高能階又跳到低能階時，能將兩種能階所差距的能量以光能的型式釋放出來。當晶體吸收光能產生能量激發，雷射在發光區外加諧振腔，光束在一對鏡子之間來回反射，不斷地通過發光區增益介質吸收光能，最後產生諧振效應，使光的能量放大。由於其具高準直、高同調性（coherent）特質，因而使得光能將能量放大。例如：紅寶石雷射的激發過程是三能態雷射系統，受激發後躍遷到亞穩態後發出紅光。紅寶石晶體在閃光燈中，晶棒兩端鏡子都鍍膜，使光到達一端高反射，但另一端反射率稍低穿越出雷射鏡子，如此往返不斷來回震盪，致使光子所攜帶的能量被不斷放大，直到足以摧毀任何物體的狀態為止，而形成所謂摧毀性「雷射」運用於各種科技領域。
本文選自《生活潮藝文誌》第二十三期，值得對電影、藝文有興趣的年輕人關注，各大網路書店現正販售中。