光电材料与元件期末考试电机一甲70305114_林敬翔.doc

光電材料與元件 期末考試 電機一甲林敬翔 1 可行性: 在16世紀，牛頓認為光是粒 子，運動時會沿直線前進，如光的反射、 物體的陰影等，都可以用這樣的假設來解 釋。但是對光的繞射、干涉等現象，郤無法合理解釋，另一位科學家惠更斯對這些 現象提出他的看法，認為光是一種波動。 在原子中，處於較低能階的電子可以 吸收某些特定頻率的外界光輻射場的能量 （光子），而躍至較高的能階。較高能階 上的電子則藉由向外界放射出特定頻率的 光輻射（光子），躍回較低能階。若在 激發與放射的過程中能掌握其中若干機制，便能夠產生雷射光。雷射是一種光波，要了解雷射，就應 先了解光的一些基本現象。光究竟是粒子 還是波呢？過去一直困惑著科學家們。18 世紀末，馬克斯威爾（Maxwell）提出電 磁波理論，認為光是電磁波的一種。他以交變的電磁場傳播現象騎明光的波 動性，並由電磁理論推導出光波的波動方程式。物質中處於較低能階的粒子，可以藉 由吸收特定頻率的外界輻射而躍至較高 的能階上，這種現象稱為受激吸收過程。 其所獲得的能量必須恰好是兩能階馲的能 量差，否則不會吸收。處於較高能階的粒子，可藉由兩種方 式向外界放射特定頻率的光輻射（光子） 而躍鬨至低能階上。其中一種是不需外界 激勵的自發性輻射，另一種是在受到某一 特定頻率的入射光作用下放射出一同頻率 的光子，這種過程稱為受激放射過程。經 入射光照射，每單位時內參與受激放射 的原子數與在激發態的原子數成正比。在 熱平茹下，吸收的躍速率等於放射的躍速率，各能階的原子濃度維持定值。 能產生雷射的激發放射，物質中高能階的原子居量一定要比低能階的原子居量 高，這種狀況稱為居量反轉（population reversion）。高能階的原子同時躍回低能階時，會放出強度高且性質相一致的光子。天基雷射武器的載臺是低軌道衛星， 其運行軌道視威脅的性質而定。雷射武器 的位置應盡可能讓它獲取較多的照射機 會，以提升摧毀正處於推升階段的飛彈數 量至最大數額。因此衛星必須位處適的高度，使其能夠攔截可見最遠處正處於推 升階段的飛彈，而不必在飛彈到達極近的 距離後才進行接戰。其最佳的高度依飛彈 推升段引擎燃盡的高度、雷射光束的強 度，以及飛彈彈體的強度而定。最佳的部 署方案，是把衛星置於某些與地球赤道形 成大約70度切角的軌道面上。天基雷射武器發展的目標，是具備在 彈道飛彈上升至同溫層上層，約距地表4 萬至5萬公尺高度，以及在太空飛行時加 以攔截的能力。這類天基武器運行高度約 為1千百公里，有效殺傷範圍可達4千至 5千公里，而一枚雷射衛星最大可單獨涵十分之一的地球表面。因氫氟雷射會被 大氣層內的水蒸氣吸收而減損，雷射無法 有效穿透至地球表面，這一物理特性可避 免衛星背負自太空向地面發射「死光武器」的污名。一架高能量的雷射，能輕輕鬆鬆地把相當厚度的金屬板燒穿一個洞，事實上雷射在工業上的用途之一就是切割鋼板。因此，人們很自然地會想到，它應也可在打仗時一顯身手。軍事專家們的構想則是把它作為一種武器，而不是科幻小說中的死光槍。雷射光束可以對準來襲的飛彈或飛機，並且當場將它們摧毀，因為雷射光束以光速前進，所以目標物不可能憑飛得快而脫逃。在過去的試驗中，雷射可以打下小型的遙控飛機。這種假想武器，對限制核子武器談判或世界軍事力量的平衡會有多少影響，尚未論定。不過，現在得先說明一個更基本的問題：建立一個有效的雷射武器系統，在技術上到底是否可行？十年內不可能發展出具有上述功用的雷射武器系統。除非一些基本障礙得以克服，否則永遠做不出來。有些問題是光束在長距離傳播時產生的，這是物理方面，其他還有技術和經濟上的困難。關於雷射作為武器的可能性，已經在麻省理工學院物理系舉辦的一次討論會中作了評估，參加者除了筆者和同仁之外，還有來自其他學校、工業界和國家武器實驗室的研究人員。結論是：想用雷射來作實用且不過於昂貴的武器，幾乎是不可能的一架雷射產生一束密集的電磁波，其頻率、相位、傳播方向完全相同，這性質十分重要，因欲造成嚴重傷害，光束就需密集凝聚成細束。理論上雷射光的強度沒有限制；實際上，雷射的強度決定於其大小和產生雷射的物質特性。雷射用的介質可以是固態、液態或氣態，但高能雷射通常採用分子氣體。要使雷射開始工作，得先另外給氣體分子能量。一部分能量增加氣體分子；另一部分則存於氣體分子的內能（分子的振動、旋轉），在此情形下，氣體分子離開其最低振動或旋轉能階，跳到較高能階上。因此，高能階反而有較多的分子占據，謂之「分布顛倒」這種分子會馬上跳回原來的最低能態，同時放出一個光子。雷射的運作就隨不同的「光子-物質作用」而異。如果雷射武器系統是在太空中操作以攻擊大氣層以外的目標，當然光束是可走一段相當長的距離。因為光在真空中傳遞毫無妨礙。然而光本身具有波的特性，會因繞射而使