Laser 原理.doc

雷射的簡單原理

一般的光線具多相（由不同波長的光組合而成）和散發性，所以照度和距離平方成反比。雷射光則是單相光，光線在雷射管中，反覆地『反射→激發→反射』，能量逐漸累積，且光線的方向一致。所以雷射光具有高能量及低散發性。可以利用這個特性。
雷射是將大量的光子(photon)聚集在單一方向，使其具有高同調性及單一波長的特性，並利用光學系統將光在加工物件上聚集成一極小的範圍，通常直徑約在數百個微米(um)以下。物質表面吸　光子所攜帶的能量，進而和材料進行交互作用而產生加工的效果，但隨著波長所屬範圍的不同，其交互作用的機制卻也有相當大的差異。
雷射(LASER)是「Lignt Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的縮寫。它是種可以激發出特定波長或顏色的電磁波，此種特性讓雷射在醫療及外科手術上，成為不可或缺的工具。雷射原理最早在20世紀初期因包爾理論（Bohr's theory） 以及光學共振原理而開始被人提出。接著在1917年 間，愛因斯坦（Einstein）提出誘發輻射理論；而在1954年蕭樂（Schawlow）及道尼氏（Townes）則利用此理論描述了電磁波（maser）；隔年佐敦（Gordon）更是將電磁波加以運用；直到1960年才由邁門(Maiman）利用紅寶石激發出可見光，產生第一 道雷射光。要瞭解雷射的基本原理必須先回想原子的構造。原子由原子核與在週圍繞轉的電子構成，電子在一定的軌道繞轉，各軌道各有一定的能量，離原子愈遠的軌道能階愈高。當電子受到外來能量的激發時(例如光子)，從基態跳躍至較高能階的軌道，此種狀態即稱為受激態。電子並不能長久處於受激態，約僅百萬分之一秒即回到原來之軌道，也就是回復基態，此時電子會放出原先吸收之能量，這就是自發放射。當電子正處於受激態時，如果正好又有外來適量的光子撞擊時，愛因斯坦認為這個光子不會被吸收，而會誘導受激態的電子落至原先的軌道，放出與這個光子一模一樣的光子(相同波長，相同方向，相位也相同)，這就是激發放射。而這兩個一模一樣的光子又可以分別激發其他的受激態電子放出一模一樣的光子，總共會有四個一模一樣的光子，繼續進行連鎖反應而製造出波長相位均相同的光能，這就是雷射光。但是困難的地方是，原子的受激態大約只能維持百萬分之一秒，而且大部分的原子都在穩定的基態，只有少數的原子在受激態，所以不容易造成連鎖反應，這就有如在一個穩定的社會，只有少數人示威遊行，搖旗吶喊是起不了甚麼大作用的，但是如果整個社會人心沸騰，社會極不穩定，只要有少數人登高一呼，可能就有排山倒海的連鎖反應效果。類似的道理，要產生雷射光，也必須持續給予能量，使雷射介質處於居量反轉狀態，也就是大部分的原子都在不穩定的受激態，此時少量的光子就能夠藉激發放射的連鎖反應來產生雷射光了。不同的雷射介質就會產生不同波長的雷射光，雷射常以活性介質來命名，例如用紅寶石做為介質，就產生紅寶石雷射。介質可以是固體(紅寶石雷射、釹釔鋁石榴石雷射)，液體(染料雷射)，或氣體(二氧化碳雷射、氦氖雷射、氬離子雷射、準分子雷射)。活性介質不同，發出來的光顏色也不同，也有不同的特性及應用。例如在醫療上，由於不同顏色的光與人體組織的作用效果不同，在應用時也會因病變或部位的不同而需要使用不同的雷射。

(二)雷射的應用

工業上應用雷射來切割金屬材質，和做表面處理，如雷射割切、加工、掃描、雷射雷達、雷射位移計、雷射干涉儀．．．，是品質控制和自動化機器人不可或缺的利器，硬化處理使材料更耐磨，或在金屬材料表面敷以異質層(在鋁的表面敷以鐵、鎳、錳或銅)，可以將其抗熱度提昇。雷射技術的應用正在日益擴大之中，在機械工業上雷射的運用日益普遍，究其用途，不外乎加工與量測兩大類。作為量測用途的雷射，其輸出功率一般較加工用途的雷射低，而價格較廉，種類也較多。量測用途的雷射除了常見的二極體雷射與氦氖雷射外，在一些特殊的場合中，也可見到一些較高功率的雷射，做為大面積或長距離的量測之用。醫學上用雷射來切割組織，氣化腫瘤。來做表面處理，像消除不要的刺青，胎記，痣等，如二氧化碳雷射用於去除疣、痣、凹洞疤痕及各種皮膚腫瘤都十分有效；至於染料雷射則用於治療血管瘤、微血管擴張及疤痕；而紫翠玉雷射或紅寶石雷射則用於治療色素斑或清除刺青、紋眉。總之，在受過訓練且有 經驗的醫師操作下，大部份的雷射治療都能達到理想的療效，且甚少引起術後的併發症。
在過去沒有雷射的時代，大部分的色素斑或刺青都以手術切除，或將色素直接破壞加以治療，使用的方法包括：各種磨皮術、冷凍療法、電燒灼法、以及手術切除…等，但大部分的方法都會造成難以恢復的疤痕或色素異常。
事實上，色素雷射最早的應用是在1960年代，由高更（Goldman）首先利用紅寶石雷 射來治療刺青及色素斑，但當時技術仍無法突破。一直到1980年代，安得生Anderson及巴利氏（Parrish）提出『選撢性光熱溶解』（Selective Photothermolysis）的理論，雷射的治療才突破了瓶頸。
原則上，此理論是讓雷射在治療時只是選擇性的破壞特定的組織，而不傷到周圍正常的組織。因此目前幾種色素雷射在設計上皆採瞬間高能量輸出，以破壞特定組織，避免過多的組織熱傷害，進而達到更理想的效果及減少併發症之產生。

《皮膚科常用雷射種類簡介》
1.Q開關銣雅克雷射:(Q-switched Nd:YAG laser)
波長: 兼具兩種波長，達到不同功能。1. 1064毫微米（nm），此波長可以到達較深層的皮膚，可以有效去除真皮深層的色素斑塊及黑色或藍色斑，常用於去除刺青及紋眉。2. 532毫微米（nm），黑色素吸收好，破壞性比較表淺，去除表淺的表皮性色素斑及紅、褐紫或橘色的色素斑塊，例如：雀斑、老人斑。
用途:去除表皮或真皮層的色素斑塊，如紋眉、刺青、雀斑、曬斑、老人斑、脂漏性角化、平的痣、藍色痣、太田氏母斑、顴骨斑、貝克氏母斑、咖啡牛奶斑、黑斑、肝斑、孕斑、發炎後色素沈澱、紅色斑。
2.Q開關紫翠玉雷射(亞歷山大雷射)(Q-switched ALEXANDRITE laser)
波長: 755毫微米（nm）或752毫微米（nm），去除黑、藍、綠、棕色素斑塊斑。用途:去除色素斑塊，如紋眉、刺青、雀斑、曬斑、老人斑、脂漏性角化、太田氏母斑、顴骨斑、貝克氏母斑、咖啡牛奶斑、黑斑、肝斑、孕斑、發炎後色素沈澱。
亞歷山大雷射之應用包括：
刺青
刺青或紋身是由專業紋身藝術師或美容師將有色物質植入真皮層，形成所要的圖形或文字，以利於辯識（如獄中的犯人、幫派……等）、紀念性質、或標示用（如在放射治療時定位用）。
這些刺青的有色物質包括藍色（鈷金屬）、綠色（鉻金屬）、黃色（鎘金屬）、紅色（硫化汞）……等。除了刺青或紋身外，目前亦有人利用這些有色物質來紋眉、紋眼線及嘴唇，亦有少部分的人使用膚色物質植入病態部位（如色素胎記或紋壞的圖形）來掩飾它們，進而達到美化的作用。
雖然有些物質也可能因皮膚外傷而造成刺青圖樣變化（如黑鉛、瀝清及火藥…等），但絕大部份的刺青都能夠維持原顏色及圖形。此外，這些有色物質或許會因時間而稍顯褪色，而少祁分的人也可能因此引起皮膚過敏反應。只是經過雷射治療之後，這些有色物質會逐漸淡化，其淡化原因有可能是因為色素雷射的作用，將原來較大的粒子變成細小的粒子，再經舌噬細胞的作用，最後由淋巴系統代謝，使顏色淡化。

色素斑
色素斑是因為表皮層或真皮層出現含黑色素的細胞而產生，通常這些色素斑可分為「表皮性」及「真皮性」兩大類。表皮性即表淺性，其病徵包括：雀斑、晒斑、咖啡牛奶斑……等；至於真皮性或深層色素斑則包括太田母斑、伊藤母斑、青色母斑、顴骨母斑及貝克氏母斑…等。
總之，經由色素雷射的治療，這些色素細胞即吸收雷射光譜，造成色素細胞破壞，但它的破壞原理不詳，可能是雷射光的高能量使色素細胞內的溫度過熱而被破壞所致。近年來更用雷射來改變角膜表面的曲度，以治療近視。博物館也用雷射來做表面處理，例如用雷射來消除古物或古畫上的發黴，以及類似的文物修護。工業上用雷射來焊接金屬，醫學上則用雷射來鎔接血管或神經，但是還在嘗試階段，尚未普遍使用。工業上用雷射來鑽孔，例如：鑽石和奶嘴的穿孔，噴霧器氣閥鑽孔等。醫學上也用雷射來鑽孔，例如冠狀動脈狹窄或阻塞的病人常造成心肌梗塞或缺血，可以用雷射在心肌上鑽許多小孔，使心臟內的血液經由這些小孔來供給心肌。另外在藥物膠囊鑽孔，可以使藥物穩定而緩慢的釋放出來，這是雷射鑽孔在醫療上的另一個應用。
3.Q開關紅寶石雷射(Q-switched Ruby laser)
波長: 694毫微米（nm），去除黑或藍色斑塊。
用途:去除色素斑塊，如紋眉、刺青、雀斑、曬斑、老人斑、脂漏性角化、太田氏母斑、顴骨斑、貝克氏母斑、咖啡牛奶斑、黑斑、肝斑、孕斑、發炎後色素沈澱。
4.染料雷射(flashlamp-pumped pulsed dye laser)
波長：585nm，紅色的血紅素吸收很好，可以去除紅色斑塊。
用途：去除紅色斑塊，如血管瘤、酒紅斑、血管擴張、紅色斑。
5.二極體雷射（Diode laser）
波長：800-810毫微米（nm），波長較長，可以深入皮膚深層。
用途：用來去除身上不需要的毛髮，如腋毛。
6.二氧化碳雷射(CO2 laser)
波長:10600毫微米（nm），水分的吸收很好。熱傷害比較大，熱傷害可以促使組織膠原纖維收縮，但是熱傷害比較容易留下紅色斑塊，時間較久才會消退。
種類:
a.一般二氧化碳雷射(CO2 laser):
用途:切割、止血、氣化組織、輔助開刀。
b.瞬間高能量二氧化碳雷射(superpulsed and ultrapulsed CO2 laser):
用途：磨皮、汽化組織，配合"羽絨觸感電腦雷射磨皮系統"可以進行去除青春痘疤痕、凹凸疤痕、一般疤痕、皺紋、眼旁魚尾紋、口角紋、額頭紋、表皮性老人斑、痣、汗管瘤、血管瘤等，以達到皮膚美容的目的。
7.鉺雅克雷射：
波長:2940毫微米（nm）。水分的吸收較低，對於組織的熱傷害比二氧化碳雷射來得低，破壞性比二氧化碳雷射表淺。
用途：磨皮，去除臉上凹凸不平的疤痕。
8.冷觸雷射（CoolTouch laser）：
波長:1320毫微米（nm）。
用途：利用冷媒噴於皮膚表面，減少熱傷害，使雷射的刺激深入真皮層，刺激纖維母細胞活性增高，使膠原纖維重整，長期使用6個月後，可以使皺紋的深度較淺，疤痕深度較淺，皮膚較緊實。功用類似脈衝光儀器。

在超級市場結帳時的條碼判讀器，演講時使用的雷射指示器，偵測車輛速度的雷射超速偵測器，雷射舞會，節日慶典的雷射秀，雷射藝術等等均離不開雷射。

(三)雷射的特性

1.它是單色的(單色性)
雷射是單色光，波長一致，而太陽光是混合光，所以可以說雷射光是一種很「純」的光。醫學院雷射醫學研究中心擁有的雷射共焦掃描顯微鏡就是用雷射光做為光源，能夠得到更好的解析度，並且能夠在活組織做光學切面，再利用電腦做影像的立體重組。

2.它是筆直，不易散開的(低發散性)
直徑一公釐的雷射光束，射到一公里外時，直徑大約是10公分，而一般的光源容易散開，光度與距離的平方成反比。雷射的這個特性被用來做為遠距離的測量，光纖通訊，光束武器，精密加工，節日慶點的雷射秀，以及工程、環境、軍事、生物體等的遙測。有一次為社會治安而走的遊行曾經用雷射光將「認錯」兩個字投射到總統府的牆上，就是利用雷射的這個特性。

3.它是很強(很亮)的(高強度)
由於雷射是單一波長且相當平行的光，所以能夠將其聚焦至很小的一點，造成很亮的效果，物理學術語稱它很「強」，或強度很高。醫學上利用雷射的這個特性來精準的切割或氣化組織，工業上則用來切割厚的金屬。

(四)雷射安全
戒嚴時期到處都可以見到「小心匪諜，匪諜就在你身旁」的標語，今天我們說「小心雷射，雷射就在你身邊」並不算危言聳聽。現在解嚴了，匪諜不再可怕了，也沒有人再提及了，但是雷射可怕嗎？一般的雷射光，不會造成放射線所具有的傷害。高強度的雷射可能與生物體組織產生劇烈的光化學、光熱、光動力、及光游離等交互作用，造成嚴重的傷害。有時雷射引起週圍器材燃燒或爆炸，間接引起傷害，所以還是需要適當的給予規範，如果依適當的規範使用雷射，雷射光只照射在很有限的局部組織，不會有甚麼傷害的。套句曹培熙教授的話：我們要敬畏雷射光束，善用防護裝備，經常檢測儀器，預防勝於治療，只要使用得當，雷射可以造福大眾而不具危險性。