http://210.60.224.4/ct/content/1984/00030171/0007.htm
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＃發行日期：1984、3
＃期號：0171
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各型雷射（二）
一個單一分子，它量子化的能量有電子能、振動能及轉動能三種。分子的電子能態和原子的相似，當一電子處在不同的狀態時，分子的總電子能各異。因為分子是由兩個或更多的原子組成，所以它更有量子化的振動能及轉動能。以兩個原子所組成的分子為例，其二原子核之間有一平衡距離，在此距離下，電子與二核之間的引力位能和核與核、電子與電子之間的斥力位能相平衡。所以二核似乎是以一彈簧相繫，它的振動頻率ν和二核之間的彈性常數與核的質量有關。經量子化以後，二原子分子的振動能量是：
 （1）v取0﹐1﹐2…等值，稱為振動量子數（vibration quantum number）。如果分子是像CO2的線型分子，它有如圖一所示的三種振動模式，其頻率分別是ν1、ν2和ν3。於是它的振動能階可寫作：  v1、v2及v3可取0﹐1﹐2…等值。一般而言，hν1、hν2、hν3之值約為1/10～1/2電子伏特。分子之振動能態以（v1﹐  ﹐v3）表之，例如（0﹐11﹐0）表示v1=0、v2=1、v
3=0。ι=1表示v2是一種彎折（bending）振動，它的角動量量子數是１。
分子的轉動在古典理論下，轉動能正比角動量的平方而反比於轉動慣量。在量子理論下，角動量被量子化，以一線型分子為例，它的轉動能量可寫作：
 （3）B稱為轉動常數（rotation constant），J稱為轉動量子數（rotation quantum number），J（J＋1）正是角動量平方量子化的結果。對一般分子而言，B的值約為數百分之一電子伏特。
可假設分子的振動頻率較之轉動角頻率（angular
frequency）甚高，也就是說，在分子轉動一週時，它已振動了甚多次，於是振動與轉動可視為兩個完全相互獨立的運動。同理，分子的電子能態之間的躍遷時間遠較它的振動週期為短，於是又可視電子能態與振動能態為兩個完全相互獨立的能態。在此前題下，一線型分子的量子化能量可寫作：
  （4）至於狀態之間的躍遷，在同一振動能階內，轉動能階之間有躍遷，它的選擇定則是△J= ±1。換句話說，只有  …之間有躍遷，由（3）式知，譜線的頻率分別是2B（  ）、4B（ ）、6B……等，此型光譜發生在微波區，稱之為「轉動光譜」。在同一電子狀態內，各振動能階之間有躍遷，而躍遷是在振動能階上的轉動能階之間進行。在上振動能階之上轉動能階的轉動量子數通常以
J'，而下振動能階者通常以 J"表之。選擇定則為△J=J'-J''可取-1、0及1，所產生之三族譜線分別以P-支譜（branch）、Q-支譜及R-支譜稱之，如圖二所示。這型光譜稱為「振動-轉動光譜」（vibration-rotation
spectrum），發生在紅外線區。
至於分子的電子狀態之間的躍遷，是發生在二電子能階上振動能階之上的轉動能階之間，故此時有電子、振動及轉動三種能態之間躍遷的選擇定則要遵守。電子能態之間躍遷所遵守的選擇定則和原子的相似，上電子狀態的振動及轉動能階通常以v'、J'表之，而下電子狀態的振動及轉動以v''、J''表之。v'及v"之間沒有選擇定則，但其躍遷或然率遵從法蘭克-康頓（Franck-Condon）法則──上、下電子能態中的二振動狀態v'、v"，若核間距離愈近似，也就是說分子形狀愈相似，則躍遷的或然率愈大。J'及J"之間的躍遷選擇定則亦為△J=J'-J"，取-1、0及＋1。所以電子狀態之間的躍遷所產生之光譜亦有P、Q及R三支譜。但因電子狀態之間的能差大，所以躍遷所產生光譜一般在紫外線區。
發生在微波區的轉動躍遷，和雷射沒有直接關係。經過適當的激發過程，如二氧化碳（CO2）、氟化氫（HF）及氟化氘（HD）等分子的振動──轉動能階之間，能發生居量反轉，其雷射效應輸出紅外線。再如氮分子（N2）及氯化氙（XeCl）等準分子，雷射效應產生在電子狀態之間，輸出的是紫外線。以下分別介紹上述的各種雷射。
二氧化碳、氟化氫及氟化氘等雷射，均屬高功率雷射，皆可做連續波及脈波輸出。它們在工業、軍事及基礎科學研究上都非常重要。
二氧化碳雷射的介質雖是二氧化碳，但要有效造成居量反轉，尚賴氮及氦的配合。氮及氦的作用可由圖三所示的能階系統看出。在圖三中，N2的v＝1振動能階和CO2的上雷射能階（0，00，
1）的能量近似。在放電中，N2受電子撞擊由v＝0激升到v＝1。因為N2的電荷分布均勻，不具有電偶矩（electric
dipole
moment），所以它在v＝1振動時不能放出紅外線電磁波，而下降到較低的v＝0振動能態，於是它的v＝1振動能態是一暫穩態。所一如氦-氖雷射中的氦，N2可以把能量儲存起來，待與CO2碰撞後，把能量傳遞給後者，使其在（0，00，
1）能態產生居量。下雷射能階是（1，00， 0）及（0，20，
0）能態，一旦它們有居量，可經與He碰撞而快速疏解到（0﹐00﹐0）基態。所以二氧化碳雷射能階系統，為一典型的四能階系統。在雷射未設波長選擇器時，它只能輸出10.61一個波長，如果以反射式光柵取代高度反射鏡，它可以一方面輸出（0﹐00﹐1）到（1﹐00﹐0）躍遷的23個P支譜的波長，以及22個R支譜波長；另一方面也可輸出（0﹐00﹐1）到（0﹐20﹐0）躍遷的23個從9.4µ～9.8µ
P支譜波長，以及23個從9.1µ～9.4µ R支譜波長。
二氧化碳雷射最基本的結構，也就是如圖四所示的縱向放電縱向氣流式結構。混合氣體從放電管一端充入，從另一端抽出。放電產生的熱以水冷卻放電管的方式排除之。在放電管的兩端設光共振腔反射鏡，即構成了完整的雷射本體。保持氣體流動的原因有二，其一是排除放電所產生的氧和一氧化碳，這些成分會影響到放電和雷射輸出。其二是為了氣體溫度不致升高，那是因為賴放電管壁冷卻主要的過程是對流，效果較差，遠不如抽出高溫氣體注入低溫氣體的方式有效。避免氣體溫度升高的原因是一來在較高溫度時，下雷射能階會有居量，以致降低了居量反轉；二來是氣體溫度升高會導致放電不穩定。一般換氣率是每一分鐘抽換放電管容積一百倍的氣體。
此類雷射的一大特點是輸出和放電部分的長度成正比，而與放電管的管徑無關。典型的每公尺放電管輸出是50～80瓦。這型雷射的充氣氣壓約在數十torr；氣體混合比約為CO2：N2：He＝0.8：1：7；放電電流密度約為35mA／cm2。當放電管管徑加大時，為達成此放電電流密度所需的電壓降低，所以總輸入對放電管管徑的變化不大。此外，因為放電所產生的熱量是經由放電管壁來排除，放電管管徑較大時冷卻效果較差，影響了雷射的效率。
這種基本結構簡單而可靠，是百瓦級以內雷射的最佳結構。它的外形之一如圖五所示。由此圖可見此型雷射攜帶方便，並可調整波長，很適合做基本研究、遙測或非金屬品加工之用。如果想要做金屬材料加工等工作，所需的雷射要有數百瓦到數千瓦的輸出。如想利用基本結構做到這樣高的輸出，雷射會相當的長，需賴迴折的方式來達成。曾經有過的紀錄是放電管長約250公尺，雷射輸出8.8KW！這種雷射的放電管過長，賴反光鏡迴折的次數太多，穩定性差，無實用價值。
於是為了提高雷射輸出，必須從增加介質的密度和所輸進去的電功率來著手。重要的是，必須在這種條件下，氣體的溫度不致升高，如此才能確保放電穩定。這時可以使用的方法是強迫對流，迫使氣體快速流過放電區。以下所例舉的兩種方法，都是業經商品化雷射所採用的：
一﹑縱向快流式──此結構和基本結構相似，氣流和放電電流的方向仍然是沿放電管縱長的方向。為使氣流能快速通過放電區，一方面要縮短放電管的長度到每節約25cm左右，另一方面要使用排氣量高的幫浦如魯氏（Roots）幫浦來循環氣體。圖六即此類雷射結構之一例，放電區共分四節，每節長度亦在25cm，總輸出為600W，為此種雷射的典型輸出。
二﹑橫向快流式──此結構和基本型的全然不同，其氣流、電極及光共振腔的安排方式如圖七所示。在圖七中，放電區在二電極間，呈長方體形。長方體的縱長方向設光腔反射鏡，光束沿此方向射出。氣體則又從上到下流過放電區，所以光束、電流及氣流的方向相互垂直。一般使用電極寬度約5～7cm，氣體的流速可以到達每秒數十到百餘公尺。在這種條件下，雷射充氣氣壓可高達百餘torr到數百torr，雷射單位長度輸出可以高達每公尺數千瓦。達成高風速的方法之一，是在如圖七裝置的一側設一離心鼓風機，然後再全部置入一桶形容器內，其結果就是如圖八所示的實例。從圖八可以看出，像圖七所示的放電區設在右側，鼓風機設在左側，光束自放電區前端輸出，再經過適當的導引到達照射區。此型雷射規格輸出1500W，已成為加工用的工具機，可以做金屬切割、焊接和熱處理等工作。在桶型部分下端的是電源供應器，雷射總體積是長×寬×高＝80吋×42吋×78吋，總重3000磅。此雷射的輸出功率可以用電腦控制，電腦亦具有「診斷」（diagnostic）的功能，並能將診斷的結果通知原廠，原廠工程人員可以判定該機在何時必須保養那一部分。如此的設計，可以說完全符合了工業上的要求。
二氧化碳雷射還有兩種相當特殊的設計，其一是小型的波導雷射，其二是大型的氣體動力式。
波導的意義，在於放電管是用陶瓷或玻璃等介電質（dielectric）製成。當光波以大於臨界角的入射角射到管壁時，會產生全反射，而後再射到對側管壁，再以全反射反射之。經多次全反射，光波可以無損失的由管一端導至另一端。波導雷射的放電管口徑只有2mm，兩面反射鏡的作用，在於把光反射回放電管內，所以它們的曲率半徑和它們與放電管口的距離相若，圖九即其結構之一例。波導雷射的特點之一是放電管口徑小，氣體撞及管壁的機會較大，於是冷卻管壁即可充分排除熱量，所以波導二氧化碳雷射的氣體不必循環，可採用閉管式；其二是光腔反射鏡的主要功能是把光反射回管內，所以兩鏡之間的平行度有較大的容忍度，以致可以在較惡劣的環境──如震動、顛跛的情況下使用；其三是因為較小型，可以用高週放電的方式激發。高週放電無需使用電極，所以放電管的結構較簡單，且可免於電極釋出雜質的污染。波導二氧化碳雷射的外形好像一大型的氦-氖雷射，攜帶方便，預料未來50W以內的二氧化碳雷射將儘為波導式的。
氣體動力式二氧化碳雷射，是把CO2及N2混合的氣體予以加溫，使N2之v＝1以及CO2之（0﹐11﹐0）、（0﹐20﹐0）、（1﹐00﹐0）及（0﹐00﹐1）等能態皆有居量。此時，CO2各能階是按照高溫下的常態來分布其居量的。高溫的氣體經通過噴嘴急速膨脹，就像冷凍機中的冷媒急速膨脹一樣，溫度會急速下降，此時各態階的居量又得按其生命期及躍遷或躍遷或然率重行調整。因為如前面已提過N2的振動不會放出電磁波而下降到低振動能態，所以能把在v＝1的居量保存起來，待與CO2碰撞，把能量傳給CO2，產生了（0﹐00﹐1）上雷射能態的居量。此時更由於CO2的下雷射能態的居量因降溫的關係而消失到更低的能態，所以在上、下雷射能態之間有了居量反轉。
將空氣和有機氣體混合燃燒，可以產生高溫的CO2及N2混合氣體。經雷射作用後的氣體要立即排除，以免因吸收光共振腔中的雷射光而造成損失。氣體動力二氧化碳雷射均為大型雷射裝置，其輸出以數萬瓦或數十萬瓦計。較小型的，每次只能做短暫的輸出，裝置在飛機或戰車上供實驗之用。
除氣體動力式雷射外，其餘放電式雷射均可做脈波輸出。脈波輸出的激發方式可為連續波加以Q-調制，或利用脈衝電壓放電。脈衝電壓產生的方式有兩種，一種是使用真空管等材料，產生高壓方形脈衝，寬度約在10-3～10-4秒；另一種是利用電容器充放電，波寬約在10-6秒。以方形高壓脈衝激發時，雷射亦輸出類似形狀的脈波；以電容器充放電所產生的高壓脈衝激發時，雷射輸出高尖峰功率脈波。方形脈波較適用於加工，而高尖峰功率脈波合於科學研究之用。
為了達成高尖峰功率輸出，可採用如圖六之裝置，內充以大氣壓力的混合氣體放電。此種雷射簡稱為TEA雷射，TEA係取「transversely
excited
atmospheric」三字字首組成，其意義為「大氣壓力橫向激發」。因為氣壓甚高，一般多採用輔助放電，先在氣體中散布一些電子，以使得放電電流分布均勻。針對TEA，亦有人戲稱橫向快流式雷射為COFFEE雷射，COFFEE乃「連續輸出快流放電激發」（continous
output fast flow electric excited）之意。
以CH3OH為例，如果用二氧化碳雷射的9.283µ、10.274µ、9.695µ等波長來激發，可以發出64µ、71µ及119µ的遠紅外線波長，其轉換效率約在1％～20％。其他遠紅外線雷射介質尚有CD3OD、NH3及CH3F等，均以二氧化碳雷射激發。
氟化氫（HF）雷射也是一種重要的紅外線分子雷射，輸出波長2.8µ。它的居量反轉賴如下列的化學反應產生：
H+F2→HF*+H（5）
此化學反應生成的氟化氫在高振動能階，所以直接產生了居量反轉。因為氟及氫均以F2及H2的形式存在，所以如何生成F成了化學雷射的重要技術。產生F的一種方法是利用閃光燈發出來的紫外線分解F2：
F2+hν→F+F（6）
於是下列的連鎖反應跟隨進行：
F+H2→HF*+F（7）
F2+H2→HF*+F（8）
………………
（8）式的反應雖然也能產生在受激態的HF*，但是因為居量較平均的分布在各振動能階上，所以對雷射效應無任何助益。同樣的，放電亦可分解F2或H2：
F2+e-→F+F+e-（9）
H2+e-→H+H+e-（10）
而後（7）及（8）式的連鎖反應繼續進行。因為在低振動能階的氟化氫也會吸收雷射光，所以雷射作用後的HF必須快速排除，方能進行下一次反應。於是光分解法及放電法僅適用於脈波化學雷射。
連續波化學雷射的結構為氣體動力的結構，如圖十所示。先將F2及He混合氣體在加熱室中加熱，以熱分解方式分解F2，F及He混合氣體通過擴散噴嘴，與由另一排噴口噴出的H2混合，發生化學作用。在放出雷射光後，氣體經熱交換器降溫，而後以高排氣量抽氣系統排除之。於是雷射可以連續操作，輸出連續波。
F2加熱的方法可為高電流放電，亦可利用化學反應所產生的熱。化學反應的方法是把一份的氫和二份的氟混合，當氣壓及溫度到達一狀態時，氫與氟發生化學反應，反應所產生的熱分解氟：
H2+2F2→2HF+F+F（11）
此方法的優點是不需要任何外加的能量。如果置於外太空，一方面可免用能量供應系統，另一方面外太空的真空狀態即提供了最佳的抽氣系統，所以這型雷射有非常大的軍用潛力。
因為水分子會吸收HF雷射波長，所以HF雷射波長在空氣中傳播不遠。如果把氫以其同位素氘（D）來取代，則將雷射波長轉移到3.8µ，可以避開空氣的吸收，適合在地面上做長距離傳播之用。
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