【激光3】雷射的原理與演進
若把原子想像成一排排樓梯，電子就是在不同階梯之間上下跳動的住客。雷射（LASER）的核心，其實就是設法把很多電子『踢上高一層樓梯』，然後讓它們同一時間『同心下跳』，把那份能量以一束相干、有方向的光放出來。這篇文章用簡單生活比喻，帶你由早期的大型氣體雷射，走到今日掌心大小的半導體雷射，並解釋為何藍光比較難做、為何短波長有利於儲存或顯示資訊。
雷射的三個基本要素
不管是大型實驗室裡的笨重裝置，還是筆記型電腦內的小小雷射頭，運作原理有共通的三件事：一、能階（簡單來說就是不同高度的樓梯）；二、反轉粒子數（把更多電子推上高階，類似把水抽上高位水塔）；三、共振腔（兩面鏡子像回音谷，讓光來回反射並增強）。只要把這三樣湊齊，就能產生雷射光。
為何早期用惰性氣體（像氦氖 He-Ne）？
第一代雷射多數是氣體雷射，常見例子就是氦氖（He-Ne）雷射。為什麼要用惰性氣體？因為惰性氣體的原子不容易失去或得到電子，它們比較「冷靜」，不會輕易散掉我們想保留的能量。想像你在一個人多嘈雜的市場（反應很活躍），把能量放在那裡會很快流走；但如果在一個安靜的房間（惰性氣體），能量比較容易保留在特定的原子上。
氦氖雷射還有一個巧妙的地方：它用兩種氣體的配合來提升效率。把氦（He）和氖（Ne）混在一起，先用電流把氦激發起來，然後氦在碰撞時把能量轉給氖，把氖的電子「撞上」到合適的高階。這樣比單獨想把氖撞高來得容易、快速。用生活比喻，就是用一支較輕的球（氦）去拍一支較重的球（氖），達到能量轉移的效果。
什麼是反轉粒子數（population inversion）？
日常生活中，多數時候低層（基態）的人比高層（激發態）多；要產生雷射必須把情況反過來，讓高層比低層更多，這就是所謂的反轉粒子數。比喻：想像一座多層停車場，通常下層車位比上層多，要做表演（同時放煙花）就要先把很多車（電子）運到高層停好。把車運上去需要能量來源和方法，氣體雷射就是靠長時間用電加熱和碰撞慢慢把電子堆積上去。
早期的氣體雷射達到反轉粒子數需要很長時間，甚至要儲幾小時，然後按一次開關會放出一次強脈衝光。想像把水抽到高位水塔好幾小時，放閘時一次性放光；這就是第一代脈衝雷射的運作方式，體積龐大、不能連續輸出。
從脈衝到連續：光纖通訊的構想
在大型脈衝雷射年代（例如1970年代），整套裝置可能佔據半個實驗室，成為體積與能耗的負擔。然而有個重要想法促使技術進步：如果能有一個源源不絕、穩定的光源，再配合一條幾乎不漏光的傳輸通道（光纖），我們就可以用光來做長距離通訊。光在玻璃或塑膠纖維中利用全內反射傳播，損耗極低；因此要成功，需要兩件事：一個連續穩定的雷射光源，以及低損耗的光纖。幸運的是，隨著半導體雷射與高品質光纖的出現，光纖通訊成為可能，改變了資訊傳輸的面貌。
半導體雷射（Laser diode）帶來的革命
半導體雷射把雷射從氣體或液體的世界，帶進了固態（像電路板上的晶片）。它的優點很多：體積小、製造成本低、容易整合到電子設備、能以電池或電源直接供電而穩定連續工作。原理上是把電子注入半導體，使電子從一個能級掉到另一個能級，釋放出光子；同時用鏡面或光柵形成共振腔，讓光子在晶體內來回增強，最後由一端射出雷射光。
生活中常見的例子包括光碟（CD、DVD）內的讀取雷射：CD用紅外或紅光雷射，DVD用波長較短的紅色雷射，而Blu-ray（藍光）則用波長更短的藍紫光雷射。波長短的光能聚得更密、探測的空間更小，因此在同樣面積的碟片上可以存更多資料，這就是為何藍光碟能存更多影片與更高畫質的原因。
為什麼藍光比紅光更難做？
光的波長與能量成反比：波長越短（如藍光、紫光），單個光子的能量越高。這帶來兩個挑戰。第一，必須找到合適的半導體材料組合，其能階結構要能放出那個波長的光；不同材料會決定能階差、從而決定光的顏色。第二，高能量光子更容易對半導體材料造成損傷或加速老化，特別是在高功率輸出時，導致壽命短或效率下降。
因此在發展初期，大多數半導體雷射比較容易做到紅外或紅色，綠色再難一些，而藍紫光則要克服材料與製程的重大技術障礙。直到1990年代後期與2000年代，日本與其他研發團隊投入大量資源，才普及出可靠的藍光半導體雷射，才有今天的Blu-ray與藍色雷射指示器等應用。
彩色雷射與顯示應用（RGB 的可能）
彩色影像通常依靠紅、綠、藍三色光混合成各種顏色。當雷射技術同時能提供可控制的紅、綠、藍三色光源時，就有機會用雷射實現高亮度、高色域的顯示或投影系統。雷射的優點是單色性好（顏色純）、方向性強，可以得到非常明亮與鮮明的影像。不過實務上要把三種雷射整合、控制光束與安全性（雷射光束很易致傷）都需要克服工程挑戰。
日常例子與安全提醒
今天我們手上的 Laser Pointer、光碟機與很多通訊器材，基本上都靠半導體雷射。市場上你會見到不同顏色與功率的雷射筆：紅光便宜、綠光較顯眼，藍或紫光曾經較貴。需要注意的是，雷射光不是普通手電筒的光，集中且能量高時會對眼睛造成永久傷害，也會造成表面燒蝕或引起危險。所以在使用或購買時，除了關注顏色與功率外，還應注意安全標示與用途限定。
小結：技術發展如何改變應用場景
從大型氣體脈衝雷射到今日固態半導體雷射，關鍵在於能否容易地達到反轉粒子數、穩定地供給能量、以及選用合適的媒介（氣體、晶體、半導體）。早期的笨重大型裝置雖能示範物理原理，但限制了應用；半導體雷射讓雷射進到我們的日常生活，從資料儲存到通訊、從教學指示到高畫質顯示。了解基本原理後，你會更明白為何不同顏色雷射的製造難度與應用會有差別，也能更安全與理性地看待各種雷射產品。
