雷射光-物理系教学试验室.PDF

雷射光 雷射，英文名字稱做「 LASER 」，乃是由「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 」的字首字母所組成的。意即：藉由受激所引發之輻射來進行光放大 作用。此種觀念，最早是由愛因斯坦於西元 1917年所提出的。過了三十幾年後， 直到1954年，才由美國哥倫比亞大學的湯恩斯(Townes)將此觀念實現，藉由NH3 氣體分子做成放大裝置（參考附錄「 雷射發展簡史 」）。發展至今，雷射的應 用已伸展至各種領域，醫學、通訊、資訊儲存、雷射加工、精密量測 等等。 但回頭看，雷射光與其他的光源相比較，有四個特點： (1) 高亮度 (Brightness) ： 發光能力是選擇光源的重要參考指標；亮度即為其中之一。亮度的定義為單位面 積及單位立體角所輻射出的功率大小。太陽光的亮度約為 103 瓦/(厘米 2 立體角)之 量級，而普通的 1mW氦氖雷射之亮度，卻可高達 105 瓦/(厘米 2 立體角) 。若是用大 功率的脈衝雷射，更可高達1014~ 1017 瓦/(厘米 2 立體角) ，相差1011倍以上！故，( 使用雷射時，不可使眼睛正對雷射光。 )所以，雷射是亮度相當高的光源。 (2) 高方向性 (Directionality) ： 意指雷射光有高度的指向性。普通的光源，如常見的燈泡、日光燈管等，其光發 散角度都很大，即使光源本身有很高的強度，但向四面八方發散後，很快地就變 弱了！可是，對雷射光，一般而言只有 1毫弧度的發散角，看起來就是一條相當 平行的光束。而這一特徵，就成為雷射光應用在測距、準直、通訊等各方面的基 礎了。 (3)單色性 (Monochromatity) ： 一般光源，如太陽、白熾燈炮所發射出來的光線，乃是由許多不同頻率者所組成 的，從牛頓以三稜鏡將太陽光散開成帶狀的彩色光譜即可得知。但雷射光的頻率 組成範圍卻非常狹窄，以致從外觀看起來，雷射光束的顏色都非常地質純。同時， 由於具有單色性，在許多的實驗上均有相當大的用途。 (4) 高相干性 (Coherence) ： 所謂相干性，就是指一束光在時間與空間上關連的程度。相干程度的高低，決定 是否能形成干涉。普通光源的相干性極差，所以很難看到干涉現象，而雷射光卻 不然，它有高度的相干性，很容易就能得到干涉結果。也因此推動了干涉量測的 發展，及與干涉相關連的全像攝影術和光資訊處理！ 這個實驗的目的，是藉由雷射光的特點，進行普通光源所不易觀察到的現象。首 先，利用雷射光之高方向性做幾何光學的量測，其次則藉由其單色性及高相干性 做波動光學的實驗。 原理： A. Snells Law 這個在幾何光學中相當重要的定律，描述光線行進於不同介質間的關係。如圖 (一) 所示： 圖 (一) 光線由介質 1 入射至介質 2 ，有穿透，有反射。θi 、θr 、θt ，分別代表入射角、 反射角與折射角，而 、則分別為介質 1 與介質 2的折射率。 Snells Law指出， 它們之間應遵守以下關係式 我們將藉由雷射光束來驗證反射定律與量測未知玻璃的折射率。 B. 繞射與干涉 1. 繞射 幾何光學描述光以直線傳播：光行進中若部分為物體所遮擋，則遮擋部分將形成 陰影。然而仔細探究亮與暗之間，並不完全如幾何光學所描述的那般。乃是仍有 些微光線投射到原本為陰影的地方。此即為波動光學所敘述的繞射現象。若將 一平行光投射在一狹縫上(如圖(二所示) ) ： 圖 (二) 則滿足以下關係者，將形成暗紋： 其中a 為狹縫寬度，θ為觀察角度，λ光波波長。 則 第一條暗線 第二條暗紋 第三條暗紋 暗紋間距為 (4) 繞射之強度分佈函數 I(x) ：