【深造物理】激光如何把光變成精準工具？

在香港的日常生活中，你可能在超市看過紅色的條碼掃描線、在演唱會看過彩色光束掃過夜空，家中光纖上網也悄悄地靠著某種「特別的光」傳遞龐大資料。這種特別的光，就是激光(LASER)。激光既熟悉又超凡：它來自量子世界的規律，卻能在街坊日常、醫院手術室和尖端科研同時發光發熱。這篇文章會帶你由零理解激光是甚麼、如何產生、有哪些種類、為何如此「神準」，以及它如何影響我們的生活與未來科技。

甚麼是激光：三個關鍵特性

LASER 是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的縮寫，中譯為「受激輻射光放大」。和一般燈泡或日光燈相比，激光的三大特性是：

高度單色(monochromatic)：顏色(波長)極為純淨，頻譜線寬很窄。
高方向性(directionality)：光束幾乎不散開，可以照得很遠。
高相干性(coherence)：光子的相位步伐一致，能形成穩定干涉與精密控制。

單色讓激光像是「指定頻率」的樂器音符；方向性讓它像一支筆直的光箭；相干性則像萬人合唱都跟著同一個拍子，因而能在微米甚至奈米尺度上做極精細的事情。

從原子到光束：受激輻射的故事

要理解激光，先從最小的尺度說起。原子或分子內有離散能階。當它吸收能量，電子可跳到較高能階(激發態)；稍後回到較低能階(基態)時，會放出一粒光子，這叫自發輻射(spontaneous emission)，方向與相位是隨機的，於是形成普通的光。

受激輻射(stimulated emission)則不同：如果一個和能級差匹配的光子碰上了處於激發態的原子，它會「刺激」原子放出第二個光子，兩粒光子在頻率、方向、相位都一致。這種「複製」光子的機制是激光的核心。愛因斯坦早在1917年就用 A、B 系數的框架，預言了自發與受激的概率關係，這為激光理論奠定了基礎。

能量守恆告訴我們光子的能量 E 等於 h·f (h 為普朗克常數，f 為頻率)。因此，只要我們能讓大量原子處於「待刺激」的激發態，光就能被同頻、同相、同方向地放大，形成激光。

反轉粒子數(population inversion)：逆天操作的必要

自然界中，低能態通常比較「擠」，高能態比較「空」。要讓受激輻射壓過自發輻射，我們需要更多粒子停留在高能態，這就叫反轉粒子數。直接在兩能階系統做很難，因為一吸收就容易馬上自發放光回去。

實際激光器通常用三能階或四能階設計：

三能階：先用泵浦(pump)把原子推到更高的能階，快速掉到較長壽命的中間能階，與基態之間的躍遷形成激光。但基態人多勢眾，達閾值較難。
四能階：讓激光躍遷的下能階也是「不太有人」的上能階，粒子能很快離開，形成更容易的反轉條件。多數高效激光器採用四能階。

激光器的四個基本元件

增益介質(gain medium)：提供受激輻射的材料，可為氣體、固體晶體、玻璃、光纖或半導體。
泵浦來源(pump source)：提供能量讓粒子上能階，可用燈、另一支激光、電流或放電。
諧振腔(resonator)：一般是兩面對向鏡子，其中一面半透。光在腔內來回反射，每次通過增益介質都被放大。
輸出耦合器(output coupler)：讓部分光從腔中釋放，形成可用的光束。

當增益剛好抵消腔內的損耗，就達到激光閾值(threshold)。超過閾值，輸出功率快速上升。這可用簡化的速率方程理解：粒子數的供應(泵浦)與損耗(自發、受激、非輻射)達到動態平衡，受激項一旦主導，便進入激光狀態。

模式與相干：為何光束這麼「直」

諧振腔像一條管風琴管，只允許特定「站波」的頻率與空間分布存在，稱為模式(mode)。沿著光束方向的是縱模(longitudinal modes)，橫向分布的是橫模(transverse modes)。最理想的橫模是 TEM00，高斯形(Gaussian)光束，中心最亮、邊緣平滑，容易聚焦。

即使激光也不能完全無散度。高斯光束的最小發散角大約為 theta ≈ λ/(pi·w0)，其中 λ 是波長，w0 是束腰半徑。波長越短、束腰越大，光束越「直」。高功率加工常談光束質量 M^2，M^2 越接近 1，越接近理想高斯，聚焦就越銳利。

相干性則反映在相干長度與線寬。越窄的頻譜線寬，越長的相干長度，干涉效果越穩定。激光線寬的理論下限稱為 Schawlow-Townes 極限，受到腔品質因子與光子數影響。

類型巡禮：從氣體到半導體

激光不只一種，以下是常見家族：

類型	增益介質	常見波長	亮點
氣體激光	He-Ne、CO2、準分子(Excimer)	632.8 nm(He-Ne)、10.6 μm(CO2)、193 nm(ArF)	光束品質高、某些在紫外或遠紅外
固態激光	Ruby、Nd:YAG、Nd:YVO4	694 nm(Ruby)、1064 nm(Nd:YAG)	可頻率轉換出綠光(532 nm)、高能脈衝
光纖激光	摻鐿或摻鉺的光纖	1.0–1.1 μm(鐿)、1.55 μm(鉺)	散熱好、易於功率放大與傳輸
半導體雷射	GaAs、InP 系量子井/點	405 nm、650 nm、850 nm、1310/1550 nm	體積小、效率高，是通訊與消費產品主力
量子級聯(QCL)	多量子阱結構	中紅外至太赫茲	氣體感測、光譜學利器

一些經典例子：He-Ne 的 632.8 nm 常用於準直與教學；CO2 的 10.6 μm 在工業切割雕刻大放異彩；Nd:YAG 的 1064 nm 經非線性晶體倍頻可得到 532 nm 的綠光；半導體雷射驅動光儲存(CD 780 nm、DVD 650 nm、藍光 405 nm)與光纖通訊(1310/1550 nm)。

連續、脈衝與超快：如何「切割」時間

激光可連續輸出(CW)，也可輸出脈衝。脈衝技術把能量在極短時間釋放，產生極高的峰值功率：

Q 開關(Q-switching)：把腔內損耗短時間內切換，產生奈秒等級高峰值脈衝，適合打標、距離測量。
鎖模(mode-locking)：讓多個縱模相位鎖定，形成皮秒到飛秒(femtosecond)脈衝。超快脈衝能以「冷加工」方式改變材料，降低熱影響，並可產生頻率梳(frequency comb)用於極精密頻率計量。

非線性光學：把顏色變出來

在高強度光下，材料的折射率不再是常數，出現非線性效應。常見過程包括倍頻(SHG)、和頻(SFG)、差頻(DFG)、光參量振盪(OPO)等。這些過程可把不可見的紅外光「變」成可見光，或把一種波長轉成另一種。

日常最常見的例子是綠色雷射筆：其實是 808 nm 半導體雷射泵浦 Nd:YVO4 產生 1064 nm，再用 KTP 晶體倍頻變成 532 nm 綠光。若濾光不良，可能有不可見的 808 或 1064 nm 外泄，因此購買時要留意品質與安全標示。

安全與規範：眼睛最重要

激光安全分級(常見 IEC/ANSI)由 1 到 4，數字越大風險越高。簡述如下：

Class 1/1M：在正常使用下安全。
Class 2/2M：可見光，利用眨眼反射避免傷害，但仍不應直視。
Class 3R/3B：可能造成眼傷，嚴禁直視或用鏡面反射觀察。
Class 4：可致嚴重眼/皮膚傷害並引燃物質，需要專業管控。

人眼對 400–1400 nm 的光特別敏感於視網膜危害，因為眼球像鏡頭把光聚焦到黃斑。1.5 μm 左右的光(如 1550 nm)較多被角膜與晶體吸收，對視網膜較安全，這也是光纖通訊偏好此波段的原因之一，但高功率仍能造成傷害。基本原則是：不要把任何激光對準人或動物的眼睛，也不要對準飛機或車輛，這既危險亦違法。

激光就在你身邊

零售與物流：超市與倉儲的條碼掃描器常用紅光激光掃描。同場提示：八達通是無線射頻(RFID)，不是激光。
通訊與上網：光纖通訊利用 1310/1550 nm 半導體雷射，把訊息以光調變在玻璃纖維中以極低損耗遠距傳送，讓香港高速上網成為日常。
醫療：LASIK 角膜矯視常用 193 nm 準分子激光，可精準汽化角膜組織；皮秒/納秒雷射在皮膚科用於色素與刺青；810 nm 二極體或 1064 nm Nd:YAG 用於除毛或血管治療，波長選擇配合黑色素或血紅素的吸收。
工業：CO2、光纖與碟片型固態激光在切割、焊接、打標上應用廣泛，從不鏽鋼招牌到手機外殼都可能經過激光加工。
消費電子：藍光雷射讓光碟提升容量；投影及顯示器使用多色半導體雷射合成高亮度影像。
測量：手持測距儀利用飛行時間(TOF)或相位法測距；建築與測繪用 LiDAR 重建三維空間。
手機與汽車：部分手機前置感測用紅外散斑或飛行時間雷射做 3D 臉部識別；車載 LiDAR 協助自動駕駛感知環境。

激光與天文：從夜空鈉星到引力波

自適應光學(Adaptive Optics)：地面望遠鏡用 589 nm 激光激發約 90 公里高的大氣鈉層，創造「人工導星」，實時校正大氣湍流造成的像差，提升影像清晰度。這束光在高空被鈉原子散射才「看得見」，不是在真空中自亮。
月球雷射測距：地球發出激光打到阿波羅任務遺留的角反射器，來回約 2.5 秒，現今可量到毫米級地月距離變化，幫助檢驗重力理論與潮汐效應。
引力波觀測：LIGO 使用高度穩定的 1064 nm 激光與長臂干涉儀，量度小至 10^-19 公尺量級的臂長變化。這需要極窄線寬、超高相干的光源與精密噪聲控制。
太空光通訊：以激光作深空與衛星數據鏈，可較無線電提供更高頻寬。近年地月、地軌試驗證實其高效率，但需精準指向與大氣補償。

常見迷思破解

太空中能看到激光光束嗎：只有當路徑上有微粒或氣體能散射光時才看得到。純真空中光是看不見的，除非直視光源(請勿這樣做)。
激光一定是紅色嗎：不是。從紫外到遠紅外都有。常見紅光只是因為材料與成本考量。
激光會「走到無限遠」嗎：所有光束都有發散角，只是激光很小，能走很遠仍保持細。
綠光雷射筆比較危險嗎：同等功率下，綠光對人眼視網膜更明顯且瞳孔反應不同，再加上一些廉價產品有紅外外泄風險，因此需更謹慎。
條碼一定用雷射掃描嗎：不少新型掃描器改用相機(CMOS)配演算法讀取 QR 碼與條碼，但激光掃描仍在高速度或特定環境有優勢。

從設計角度再深一點：閾值、反饋與穩定

激光腔的反饋與增益需同時滿足。簡化地說，若每次往返的增益乘以鏡面反射係數仍大於損耗，就會淨放大，超過某點就進入激光。腔形狀(兩凹、凹平、平平)決定模式穩定區；鏡面曲率決定束腰位置與大小。增益譜與腔模之間的匹配，影響輸出頻率的選擇與跳模現象。加入單縫、光柵或腔內 etalon，可進一步壓縮線寬，甚至實現單縱模運作。

在家也能安全理解的實驗想法

光柵與干涉：用低功率 Class 2 紅色雷射筆照射光碟或 DVD 表面(反射散射到牆上)，觀察反射的多點圖樣，理解間距與波長的關係。切勿直視反射光或用鏡面。
測量發散角：在一段距離外量度光斑直徑，估算發散角，感受幾何與波動共同作用。
安全觀念：永遠避免照向眼睛或反光鏡；避免把雷射拿到戶外指向人車或飛機；購買有清楚安全級別標示的產品。

未來展望：光子時代的基礎火種

激光把量子尺度的「步伐一致」放大到宏觀世界，讓我們得以切割鋼材、雕刻細胞、傳送電影與會議、測量宇宙震動。展望未來，矽光子(silicon photonics)把雷射與晶片電路整合，讓資料中心更節能；量子科技利用單光子與相干態提升感測與計算；車載與機器人的激光雷達讓城市交通更智慧；醫療上，飛秒激光與光聲成像正打開微創診療的新大門。

下次你看到條碼被掃過、網路高速下載，或維港夜空劃過的光束時，不妨想起：那是一群在量子節拍下步伐一致的光子，正在把人類的想像，變成精準、可靠且可重複的工具。

總結來說，激光並非「普通的亮光」，而是一種把受激輻射、反轉粒子數與腔內選模巧妙結合的工程藝術。理解它，不只增加一份科學知識，也能看見生活背後的秩序與美學：從最小的能階差，到城市的光纖網，再到天文的精密測量，激光把看似零散的世界，連成一道可用、可控、可創新的光。