線上管理系統

文章標題：

文章分類：
顯示文章：
置頂文章：
文章時間：

這是我在網路上找到的一篇文章，是臺灣大學蔡瑞章與陳進庭二位前輩的教材。裡面寫得蠻清楚，因為怕將來的連結斷了，我將整篇文章貼在下面，原文連結則是http://www.mc.ntu.edu.tw/department/coebm/BasicLaser/laser_cos.htm **************************************************** 雷射新知？高科技或是通識
蔡瑞章、陳進庭
1.前言
擁有美國史丹福大學物理學和工程學學位的 梅門 博士，在美國加州休斯研究所，用極亮的氙燈激發紅寶石產生輻射，再經振盪放大，產生人類第一束雷射光，這就是紅寶石雷射。從此之後，各式各樣的雷射像雨後春筍般的出現，雷射在現代科技領域裡，已經不再是一個摩登的抽象名辭，而是一種逐漸普遍應用於各種科學領域的利器，雷射甚至已經融入日常生活中，成為家戶喻曉的新發明。幾年前的波斯彎戰爭，美軍挾以優越的高科技，以雷射導向飛彈對伊拉克的戰略要地給以精準之重點破壞，令世人對雷射的神奇妙用嘆為觀止。雖然雷射可以應用在軍事上，用在武器上來殺人，但是非常幸運的，雷射在和平方面的用途遠比在軍事上的用途來的廣，例如雷射音響、雷射影碟、雷射印表機、雷射光碟機都是大家所熟悉或者擁有的雷射設備。除此之外，在超級市場結帳時的條碼判讀器，演講時使用的雷射指示器，偵測車輛速度的雷射超速偵測器，雷射舞會，節日慶典的雷射秀，雷射藝術等等均離不開雷射。雷射也應用於太空定位，光纖通訊，金屬切割，機件製造，及電積體板等，事實上有許多的精密儀器及研究儀器也都離不開雷射。
2.雷射新知通識課程的開設是一種嘗試，一種挑戰，也是一種突破
既然雷射與每個人的日常生活息息相關，應該是每個人都應該知道的通識，但是雷射的本質又是冰冰冷冷的高科技，一般人覺得高不可攀，不敢去接觸。
有鑑於此，台大醫學院雷射醫學研究中心於八十六學年度新推出「雷射新知」通識課程，嘗試將這種高科技的知識化為一般人所能接受的通識，不可否認的，這對講師而言是一個很大的挑戰。試想今年諾貝爾物理獎得主之一是華裔科學家Steven Chu，他的研究也是雷射相關的，要讓一般人知道他在研究甚麼可不容易。
此外選修學生的多樣性對授課的老師也是個挑戰，醫學院、文學院、法學院、商學院、理學院、工學院、農學院的學生都有，背景均不相同，如何讓每一位學生都有收獲，都感興趣實在不容易。學生是跨院系的，課程內容也是跨院系，跨學門的，講師之難尋自不在話下，也必須突破校際與各專業領域。
內容之安排主要是讓選修學生對雷射在目前各領域之應用情形能有一清楚的概念，授課方式除了傳統的投影片、幻燈片講課外，並常常輔以錄影帶教學、雷射實物示範、以及展示雷射藝術品、全像術成品及影像等，雖然偶爾難免要提到一些艱深的理論或原理，可能很難完全瞭解，但是至少學生已經不會再覺得雷射冷冰冰的，高不可攀，深不可及。
3.雷射的歷史與雷射專利權戰爭
愛因斯坦（Albert Einstein）於1917預測激發電子也能釋放出特定波長的光，這個預測的正確性在1928年已經被證實，但是嘗試利用這個現象來製造雷射卻是1950年代的事了。
1957年美國的Charles Hard Townes與其好友，也是妹婿的Arthur L. Schawlow合作，完成製造雷射的詳圖，於1958年夏天申請專利，並在權威的專門性雜誌物理評論（Physical Review）提出詳細的論文。Townes與蘇聯的Aleksandr Mikhailovich Prokhorov及Nicolay Gennadiyevich Basov因為quantum electronics方面的研究共同得到1964年諾貝爾物理獎。Schawlow也於1981年得到諾貝爾物理獎，但是卻不是因為雷射發明研究而得獎，而是其他雷射方面的研究。
1960年Theodore Harold Maiman，用極亮的氙燈激發紅寶石產生輻射，再經振盪放大，產生人類第一束雷射光，就是紅寶石雷射。很可惜的是他並沒有得到諾貝爾獎，他也一直耿耿於懷，不過他得到紅寶石雷射專利，獲得不少財富。1989年11月第八屆國際雷射外科及內科醫學會總會在台灣台北圓山大飯店舉辦時，他曾應高明見教授之邀請來台特別演講。Maiman於1960年發明第一束雷射光（紅寶石雷射）之後，各式各樣的雷射像雨後春筍般的出現：1961年Javan發明氦氖雷射，Johnson發明釹-雃克雷射，1962年Bennett發明氬雷射，1964年Patel發明二氧化碳雷射。
Gordon Gould曾於1957年在筆記本寫下有關雷射裝置的構想，可能是第一個完成雷射構想的人，雖然Gould立刻將此筆記拿去申請專利，但是當時律師告訴他要想得到專利，必須先將此構想實用化，所以Gould也就沒有申請了（直到1959年4月才申請），坐失先機，而且他也沒有將這個構想發表在學術刊物上，以致於他與Townes及Schawlow爭雷射專利權的官司敗訴。
後來Gould仍然棄而不捨的研究，並以待決的雷射專利支付官司費用給Refac Technology Development Corp，最後終於於1977年10月獲得optical pumping of laser部份之專利權，Refac立刻通知雷射製造廠商支付專利金，一週後Refac控告Control Laser Corp。1978年Gould獲得雷射應用之第二個專利權，並將部份的專利權賣給Patlex公司。後來一項新法規使Patent Office重新可以檢討已經核發的專利，並於1983否認Gould的專利，但是1987年Gould再度贏回專利權。1987年5月Patlex控告Cooper Laser Sonics獲得勝訴，之後許多公司在法庭外與Patlex達成和解，包括Eastman Kodak及Chrysler。
1987年10月，Gould獲得第三個專利權，是有關gas-discharge lasers。1988年獲得第四個專利權，有關Brewster-angle windows for lasers，墊定了Gould在雷射史上的地位，從此之後每家公司都與Patlex公司談，Gould終於獲得勝利，過著舒適的日子。
這整個過程就是雷射史上很有名的雷射專利權戰爭，這場戰爭牽涉到幾億美元的專利費用，研究人員間的恩怨，軍事機密的衝突，諾貝爾物理獎之爭，甚至連火星相關資料之發現也被拿來作為訴訟的證據，廣受各界注目。
1981年Pathfinder太空船發現火星大氣層中有二氧化碳雷射產生現象，於是被告的雷射公司憑此向法院辯稱光起能所產生的雷射放大現象乃自然現象，所以不應給予專利，這可以說是雷射專利權戰爭中之一段小插曲。
4.雷射的原理與特性
1.雷射的簡單原理
雷射（LASER）是「Lignt Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的縮寫。
要瞭解雷射的基本原理必須先回想原子的構造。原子由原子核與在週圍繞轉的電子構成，電子在一定的軌道繞轉，各軌道各有一定的能量，離原子愈遠的軌道能階愈高。當電子受到外來能量的激發時（例如光子），從基態跳躍至較高能階的軌道，此種狀態即稱為受激態。電子並不能長久處於受激態，約僅百萬分之一秒即回到原來之軌道，也就是回復基態，此時電子會放出原先吸收之能量，這就是自發放射。
當電子正處於受激態時，如果正好又有外來適量的光子撞擊時，一般人都認為電子會吸收這個光子的能量而跳躍至更高能階的軌道，但是愛因斯坦認為這個光子不會被吸收，而會誘導受激態的電子落至原先的軌道，放出與這個光子一模一樣的光子（相同波長，相同方向，相位也相同），這就是激發放射（stimulated emission）。
這兩個一模一樣的光子又可以分別激發其他的受激態電子放出一模一樣的光子，總共會有四個一模一樣的光子，繼續進行連鎖反應而製造出波長相位均相同的光能，這就是雷射光。
但是困難的地方是，原子的受激態大約只能維持百萬分之一秒，而且大部分的原子都在穩定的基態，只有少數的原子在受激態，所以不容易造成連鎖反應，這就有如在一個穩定的社會，只有少數人示威遊行，搖旗吶喊是起不了甚麼大作用的，但是如果整個社會人心沸騰，社會極不穩定，只要有少數人登高一呼，可能就有排山倒海的連鎖反應效果。
類似的道理，要產生雷射光，也必須持續給予能量，使雷射介質處於居量反轉狀態，也就是大部分的原子都在不穩定的受激態，此時少量的光子就能夠藉激發放射的連鎖反應來產生雷射光了。
不同的雷射介質就會產生不同波長的雷射光，雷射常以活性介質來命名，例如用紅寶石做為介質，就產生紅寶石雷射。介質可以是固體（紅寶石雷射、釹釔鋁石榴石雷射），液體（染料雷射），或氣體（二氧化碳雷射、氦氖雷射、氬離子雷射、準分子雷射），除此之外尚有化學雷射，半導體雷射，自由電子雷射等。活性介質不同，發出來的光顏色也不同，也有不同的特性及應用。例如在醫療上，由於不同顏色的光與人體組織的作用效果不同，在應用時也會因病變或部位的不同而需要使用不同的雷射。
2.雷射的特性
1.它是單色的（單色性）
雷射是單色光，波長一致，而太陽光是混合光，所以可以說雷射光是一種很「純」的光。醫學院雷射醫學研究中心擁有的雷射共焦掃描顯微鏡就是用雷射光做為光源，能夠得到更好的解析度，並且能夠在活組織做光學切面，再利用電腦做影像的立體重組。
2.它是筆直，不易散開的（低發散性）
直徑 一公釐 的雷射光束，射到 一公里 外時，直徑大約是10公分，而一般的光源容易散開，光度與距離的平方成反比。雷射的這個特性被用來做為遠距離的測量，光纖通訊，光束武器，精密加工，節日慶點的雷射秀，以及工程、環境、軍事、生物體等的遙測。有一次為社會治安而走的遊行曾經用雷射光將「認錯」兩個字投射到總統府的牆上，就是利用雷射的這個特性。
3.它是很強（很亮）的（高強度）
由於雷射是單一波長且相當平行的光，所以能夠將其聚焦至很小的一點，造成很亮的效果，物理學術語稱它很「強」，或強度很高。醫學上利用雷射的這個特性來精準的切割或氣化組織，工業上則用來切割厚的金屬。
4.它是同調的，步伐整齊一致（高相干性）
雷射光有如部隊踢正步走，不但每一步的大小一樣（波長相同），方向一致（低發散性），而且每一步落地的時間都一致（高同調性或高相干性）。這種整齊的步伐容易造成干涉的現象，物理術語稱之為具有很高的相干性。藉雷射的干涉效應能夠反映物質狀態及分佈，產生全像記錄。雷射全像術應用於檢驗，資料的高密度存取，藝術，防仿冒標籤等。信用卡上亮亮的立體標記及電腦Intel CPU或微軟的視窗軟體的防仿冒標籤就是全像術的成品。
1.雷射是一種超極工具
英國小說家威爾斯於1898年出版的宇宙戰爭中提及外星人利用「熱線」使地球淪為廢墟。他描述著「突然，強光一閃，熱線快速且準確地向外掃射，所到之處，所有的物體和生物皆發出燦爛的光芒而死去，真是一把看不到又躲不過的熱劍。」，當時雷射尚未發明，我們不得不佩服他的想像力，他所描述的能量射束熱度極高，威力又強大，所有被碰觸的物體悉數遭到破壞，這與目前的高能量雷射非常相似。
很遺憾的是，這就是一般人對雷射最普遍的認識。其實雷射能量雖高，本身卻沒有熱度，雷射雖然可以當殺人的武器，大部分卻是和平用途，用途非常廣泛。雷射的正確觀念是：它是一種超極工具，能切割5公分厚的鋼板，也能當光學鑷子夾起或移動一個微小的粒子，這種超極工具能夠應用在非常多的領域。以下將簡單的介紹雷射在各領域的應用。
2.用雷射來做甚麼？
雷射是一種良光，具有高亮度，低發散性及高同調性等特點，所以以往光所能做的事，用雷射光來做會更好。那麼我們能用光來做甚麼？
1.用光做傳遞：光通信、影像傳送。
古時候的人用火把，煙霧，亮光來傳遞情報。現代的人開車時也常閃大燈來表示警告，或督促前車開快點，或告訴對側來車前有警察，雖然不是正確的，法定的通信方法，但卻是大部分人所共同體會的一種不成文的默契，但是這並不是光最主要的用途。
自從光纖發明之後，使使光能彎曲傳送，所以用光來傳遞訊號更加方便與有效率，光訊也由類比進步到數位，雷射配合光纖更是如魚得水，例如長距離傳送訊號時若經由人造衛星，則因距離較遠，在時間會有延遲的現象，最常見的情況如打國際電話，若經由人造衛星線路撥接，講完一句話後要等1至2秒才能聽到對方的回答，總覺得不自然與不方便。若經由海底電纜撥接就比較不會有這種情形，但是在長距離傳遞時訊號會衰減，所以需要許多中繼器（relay）來增強訊號，如果以光纖取代金屬電纜，中繼器距離由9公里延伸為35 -100公里，可以減少中繼器的數目。
由於光纖訊號是光而非電，所以不生火花，不受雜訊干擾，是未來電話、電視、電腦通訊網的主幹。光纖到家（FTTH, Fiber To The House）是未來希望能達到的目標。目前台灣中華電信局已經有光纖整體服務數據網路（ISDN），其優點就是光訊號在光纖中損失率極低（<0.20dB/km），可增長中繼器間距，降低通訊成本，且光纖中之光訊號不受干擾，可提高通訊傳真度。
此外光纖之載訊頻寬極寬，可大幅提高載訊容量，整合電話通話，數據通訊網路及視訊傳播成為共同天線視訊傳播（CATV,common antenna TV）。目前常上電腦網際網路的人戲稱WWW（World Wide Web）為World Wide Wait（全球一起等），這是因為傳送的速度實在太慢了，如果能完成光纖高速公路（Optic Fiber Freeway），則地球村（Global Village）的理想是指日可待的。
2.用光做測量：光應用感測
雷射可以測量距離（雷射測距儀），可以測量大過地球與月球之距離，也能夠測量小至微米或更小的距離（干涉測量法）。雷射可以測量速度，像國外已經有用雷射偵測汽車超速的裝置。雷射可以測量流速，像臨床上使用的laser Doppler，可以測量血流速度。
雷射用於建築上可以維持正確直線或直角，在挖掘傾斜的農業灌溉水道時，雷射可以協助準確的維持傾斜角度，雷射也可以協助隧道工程兩端挖掘準確相遇。雷射測地衛星能夠檢測大地的動態而這些極輕微的震動常是地震的前兆。
在工業上，雷射可以協助裝配作業線上的檢查，布料檢查，檢查不平滑的邊緣，或焊接接頭的檢查等。此外飛機上的雷射陀螺儀能夠準確測量飛機的旋轉運動。
3.用光來讀寫：光碟、全像掃描、雷射印表機
雷射可以判讀超級市場內物品的條碼，而條碼除了能夠簡化庫存、統計、結帳工作外，亦能應用在病歷管理或圖書館的圖書分類與管理。
雷射光束可以將焦點聚集在直徑僅0.001公釐的小點，所以可以將資料寫的很密，儲存資料的光碟也愈來愈小，影像及聲音的品質卻愈來愈提昇，從CD（compact disc；只有聲音，品質比錄音帶及唱片好）、雷射影碟（LD,laser disc；有影像及聲音，但是像舊唱片一樣大）、影音光碟（VCD, videoCD；如CD大小，有影像及聲音，但解像度不如LD）、一直到最近的DVD（Digital Versatile Disc；高品質影像及聲音）就是很好的例子。
此外個人電腦用的CD-ROM（唯讀光碟機）的光碟片，一片如CD大小的光碟片就能夠裝26冊的百科全書的內容，這是以往所無法想像的，目前又進步到CD-R（可讀寫式光碟機），對大量的資料儲存及檢索都很方便。柯達公司也推出PhotoCD，將照片影像儲存在光碟片上，不會退色及發黴。
近年來數位相機逐漸普遍，不需底片，不需沖洗，只要接電視或個人電腦就可以觀賞，照壞了洗掉重照就可以了。CD-I（互動光碟），可以協助互動式的學習，亦可以選擇劇情的發展或結局，以符合個人的喜好。雷射印表機也是到處都見的到的應用雷射的裝置。
全像攝影術就是以雷射製造立體影像的技術，能夠記錄光振幅及相位，目前常用於藝術，包裝紙，信用卡或防仿冒標籤（Intel CPU或微軟的視窗軟體）等。亦有少數國家應用在護照上，以特殊波長的光照射才能看到影像內藏的記號或文字。將來應該也會用在鈔票上，防止偽鈔。
全像攝影術干涉計能夠測量兩個影像間的微小差異，例如以飛機的輪胎檢查為例，在正常狀況下製作輪胎的全像照片，以後重複拍攝的輪胎的全像照片可以與原來的比較，發現極小的變化。同樣的道理也能發現古畫上的微小剝離。
4.用光來切割或熔接及鑽孔：雷射加工、雷射醫療
雷射在工業上的應用與在醫學上的應用其實在很多地方都是很類似的。工業上應用雷射來切割金屬材質，醫學上用雷射來切割組織，氣化腫瘤。工業上用雷射來做表面處理，如硬化處理，使材料更耐磨，或在金屬材料表面敷以異質層（在鋁的表面敷以鐵、鎳、錳或銅，可以將其抗熱度提昇，醫學上也用雷射來做表面處理，像消除不要的刺青，胎記，痣等，近年來更用雷射來改變角膜表面的曲度，以治療近視。博物館也用雷射來做表面處理，例如用雷射來消除古物或古畫上的發黴，以及類似的文物修護。
工業上用雷射來焊接金屬，醫學上則用雷射來鎔接血管或神經，但是還在嘗試階段，尚未普遍使用。工業上用雷射來鑽孔，例如：鑽石和奶嘴的穿孔，噴霧器氣閥鑽孔等。醫學上也用雷射來鑽孔，例如冠狀動脈狹窄或阻塞的病人常造成心肌梗塞或缺血，可以用雷射在心肌上鑽許多小孔，使心臟內的血液經由這些小孔來供給心肌。另外在藥物膠囊鑽孔，可以使藥物穩定而緩慢的釋放出來，這是雷射鑽孔在醫療上的另一個應用。
5.用光來做為武器：軍事應用，癌症之光動力療法。
見光即死的「死光」一直是科幻小說中的題材，科幻小說中的雷射槍、光線槍雖然不是不可能，但是雷射卻不適合做殺人兵器，因為成本太高，且目前並不實用，所以雷射在軍事上的應用大部分是戰略性的，例如用來做瞄準用，或引導導向飛彈。雷射為自動化電子戰之重要角色，具有以下優點：易改變瞄準方向、光速度前進、瞄準不需修正、不易衰減及擴散。此外雷射也常用來使轟炸機、或敵人之導向飛彈癱瘓。
醫學上也用雷射來做為武器，殺滅癌細胞。除了手術中以雷射直接燒灼氣化腫瘤組織，另一種方法就是光動力療法（PDT,photo dynamic therapy），其基本原理就是先用光感物質來標示腫瘤細胞，再用雷射光照射，雷射光與癌細胞或癌組織中的光感物質發生光化學作用，在光感物質所在的位置造成細胞毒性，殺滅癌細胞。光動力療法能夠選擇性的造成腫瘤壞死而不傷害週圍的正常組織，近年來相當受到腫瘤學家的矚目。
施行這種療法時先將特定的光感物質注射入體內，光感物質會選擇性的滯留於腫瘤組織內，然後以藍光照射，腫瘤內的光感物質會產生螢光，可以協助腫瘤的診斷及尋找腫瘤的位置及範圍，再以紅光照射，光感物質吸收光能，藉由光化學反應將光能轉移給組織內的其他物質，產生對細胞有毒性的自由基（free radicals），或與組織細胞內之氧分子作用，形成對細胞有毒性的單一態氧（singlet Oxygen），藉此達到選擇性殺滅癌細胞的效果。
光動力療法雖然起步不久，但其作用機轉理論上具高度選擇性，能破壞腫瘤組織，而不傷害正常組織，因此它是一種極有潛在價值的局部治療法。
6.光與藝術及娛樂
雷射與藝術似乎是風馬牛不相及的兩碼事，如果說他們有共同點，就是兩者都深入生活中，兩者都走在時代尖端。
一般而言，科學家專注於研究，有著嚴謹的理性架構、常忽略所發現的自然美，藝術家憑著敏銳的感官，將新科技轉換成創做素材，充分發揮豐沛的感性與科技意匠，雷射就是一個很好的例子。
雷射提供藝術創造者的思考有更多樣性的方向，也提供在雕塑、繪畫、設計、陶藝等方面有更深一層的探索。中正紀念堂台北燈會主燈，飛龍在天、三陽開泰、洪福齊天等，均應用雷射光、燈光及煙霧。節日慶典的雷射秀有千變萬化的圖案，配合反射鏡、迴轉鏡、稜鏡、濾光鏡、千面鏡等造成魔術般的神奇感覺。這種以大自然及生活環境為畫布，以雷射為畫筆作畫真可說是雷射在藝術方面應用的最高境界。
遊樂場所，迪斯可舞廳，演唱會，產品發表會，週年慶、晚會等也都少不了燈光效果，而雷射的燈光效果也廣被使用。雷射與娛樂的相關也是很密切的，007電影中好幾集內都有雷射武器，很多數位化電影特殊效果也應用到雷射，像侏羅紀公園、魔鬼終結者II等。除此之外，娛樂設備也離不開雷射，像大型雷射投影、個人雷射投影器、雷射遊樂器、雷射虛幻模擬器等。
以上只是雷射在各行各業應用的簡單介紹，詳細情形在雷射新知課程內分別有專精的學者專家來講授，如果有興趣歡迎明年來選修這門課，若只對其中的幾個領域的應用感興趣，也歡迎來旁聽。
3.雷射安全
戒嚴時期到處都可以見到「小心匪諜，匪諜就在你身旁」的標語，今天我們說「小心雷射，雷射就在你身邊」並不算危言聳聽。現在解嚴了，匪諜不再可怕了，也沒有人再提及了，但是雷射可怕嗎？
一般的雷射光不是游離輻射，不會造成放射線所具有的傷害。高強度的雷射可能與生物體組織產生劇烈的光化學、光熱、光動力、及光游離等交互作用，造成嚴重的傷害。
有時雷射引起週圍器材燃燒或爆炸，間接引起傷害，所以還是需要適當的給予規範，如果依適當的規範使用雷射，雷射光只照射在很有限的局部組織，不會有甚麼傷害的。套句 曹培熙 教授的話：我們要敬畏雷射光束，善用防護裝備，經常檢測儀器，預防勝於治療，只要使用得當，雷射可以造福大眾而不具危險性。
 </div>

文章連結：