大綱: 1. 中英文簡介(Introduction) 2. 實驗原理(Principles) 3. 演示項目(Demonstration Items) 4. 相關影片連結(Video Link) 5. 歷年影片解說(Annual Demonstration Movies) 6. 家中小實驗(DIY Experiment) 7. 新鮮人創意實驗(Freshman Innovation) 8. 問題與討論(Question And Discussion) 9. 相關英文字彙(English Bank) 10. 參考資料(Reference) 11. 其他(Others)

1.中英文簡介(Introduction)

雷射筆是在雜貨店和文具店都買的到的便宜「玩具」，究竟他能有什麼玩法呢？
什麼？！雷射光會轉彎？？！！
什麼？！雷射光會消失？？！！
什麼？！雷射光變漂亮？？！！
在這裡，讓你瞭解雷射光的魔術及祕辛！
Laser pen is a cheap toy which we can get from a grocery store or a

stationery store ,and what playing-method does it have? Besides, do

you want to know why the laser light would be curve; do you also want

to know why the laser light would disappear suddenly?Here, we make you

learn more about the secret and the magic of laser light!
 
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2.實驗原理(Principles)

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2-1.彎曲的雷射光
2-2.消失的雷射光
2-3.全像技術
2-4頭髮繞射與尺的干涉
2-5.球面像差
2-6.綠光雷射筆的內部構造及工作原理
2-7.雷射印表機

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  2-1.彎曲的雷射光

    司乃爾定律: N1sinθ1=N2sinθ2(其中N1為第一介質.N2為第二介質.sinθ1和
sinθ2分別為入射角與折射角之正弦值)。當由光疏介質(N折射率較小)進入光密
介質(N折射率較大)由(N1sinθ1=N2sinθ2)知=>偏向法線(入射角大於折射角)，
速度變慢，波長變短由光密介質(N折射率較大)進入光疏介質(N折射率較小)由
(N1sinθ1=N2sinθ2)知=>偏離法線(入射角小於折射角)，速度變快，波長變長

  2-2.消失的雷射光

        廷得耳效應: 當一束光線透過膠體，從入射光的垂直方向可以觀察到膠體
裡出現的一條光亮的「通路」，這種現象叫廷得耳效應，在光的傳播過程中，
光線照射到粒子時，如果粒子大於入射光波長很多倍，則發生光的反射；如果
粒子小於入射光波長，則發生光的散射，這時觀察到的是光波環繞微粒而向其
四周放射的光，稱為散射光，廷得耳效應就是光的散射現象。由於溶膠粒子大
小一般不超過100 nm，膠體粒子介於溶液中溶質體子和濁液粒子之間，其大小
在1～100nm。小於可見光波長（400 nm～700 nm），因此，當可見光透過溶膠
時會產生明顯的散射作用。而對於真溶液，雖然分子或離子更小，但因散射光
的強度隨散射粒子體積的減小而明顯減弱，因此，真溶液對光的散射作用很微
弱。此外，散射光的強度還隨分散體系中粒子濃度增大而增強。

    因為雷射光具有偏振性質，也就是光子震盪方向僅與一維方向上的運動有關
，因此在給予粒子能量時，粒子受到光子一定方向的能量施予，也會產生同一方
向的震盪，粒子的運動因為有加速度運動，也就會放出電磁波，當然，此電磁波
僅沿著特定方向發射，因此才會在某些角度上，看不到光，而換至另一角度時，
就會清楚明顯看到光的軌跡，注意，此道光並不是原來的雷射光，而是粒子受到
能量震盪而釋出的電磁波。粒子受能放出電磁波是意圖如下:

  2-3.全像技術

      光的繞射: 波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象。在古典物理學
中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物後會發生不同程度的彎散傳播。
假設將一個障礙物置放在光源和觀察屏之間，則會有光亮區域與陰晦區域出現
於觀察屏，而且這些區域的邊界並不銳利，是一種明暗相間的複雜圖樣。這現
象稱為繞射 。

  2-4.頭髮繞射與尺的干涉

        單狹縫繞射(single slit diffraction): 一個不透明擋板，用小刀在上面
刻一條狹長、筆直、透光的縫，然後在擋板的後面放置一個觀察屏。照射單色
平行光（collimated light）在這個擋板上。按照幾何光學，觀察屏上只會有一
條與狹縫輪廓相同的亮條紋。然而，精細的觀察可以發現在這條亮條紋的兩側，
對稱地分佈著一些亮條紋。使用∆Y=Lλ/b公式，在這裡b是未知為我們要求的頭髮
寬度。 λ為雷射光的波長，Δy為狹縫寬度，L為屏幕距離，帶入後就可求出b值。

    干涉: 兩列波在同一介質中傳播發生重疊時，重疊範圍內介質的質點同時受
到兩個波的作用。若波的振幅不大，此時重疊範圍內介質質點的振動位移等於各
別波動所造成位移的向量和，這稱為波的疊加原理。若兩波的波峰（或波谷）同
時抵達同一地點，稱兩波在該點同相，干涉波會產生最大的振幅，稱為相長干涉
（建設性干涉）；若兩波之一的波峰與另一波的波谷同時抵達同一地點，稱兩波
在該點反相，干涉波會產生最小的振幅，稱為相消干涉（破壞性干涉）。

  2-5.球面像差

    在光學中，球面像差是發生在經過透鏡折射或面鏡反射的光線，接近中心與
靠近邊緣的光線不能將影像聚集在一個點上的現象。這在望遠鏡和其他的光學儀
器上都是一個缺點，這是因為透鏡和面鏡是球面的形狀，不能聚焦在一個點上造
成的。這是一個重要的特性，但是因為球面鏡比非球面鏡容易製造，所以絕大部
分的透鏡都是球面鏡。

  2-6.綠光雷射筆的內部構造及工作原理

    原理:以808奈米的半導體雷射激發，這種常見的雷射二極體晶體，放出1064nm
的紅外光雷射，再經過晶體倍頻晶體(KTP)成綠光雷射，之後經過擴束鏡及準直透鏡
，將筆直、集中的雷射光放射出來

將綠光雷射筆拆開，裡面會有一個倍頻晶體，如圖，而且會用膠黏在光發射出來的地方，
因為倍頻晶體只有在一個很小的特定角度才能將紅光轉為綠光，所以我們必須把倍頻晶體
放在雷射筆發光處旋轉到某一特定角度，才能看到很強的綠光，不然只會有微微的
紅光發射出來(雖然紅光看起來很弱，但還是不能用眼睛直視，因為這個紅光的波段人眼
不容易看，但能量還是很高，直視的話眼睛可能會受損)。

  2-7.雷射印表機

一般雷射印表機主要分成以下幾個步驟

1.充電(佈電):利用充電棒讓光感受器帶電，光感受器通常是旋轉的光鼓或光帶，這些靜電通常帶負電，必須等到特定波長的電磁波來消除。

2.曝光:利用特定波長的電磁波(雷射)來照射光感受器，當雷射照到光鼓或光帶，照過的地方靜電會消失，因為雷射是高精密的連續光照，所以適合用來曝光，至於要在什麼地方曝光則是要看影像決定。

3.顯影(顯像):假設光鼓帶負電，那碳粉也會帶負電，如此一來在上一步驟被消去靜電的地方，就會黏上碳粉，而沒有消去靜電的地方，就會因為和碳粉同為帶負電而排斥而不會沾到碳粉。

4.轉印:紙會在下一站從感光鼓表面經過，紙的一邊是感光鼓，另一邊是帶有正電的轉印滾輪，於是之前附在鼓上的碳粉便會被轉印吸附到紙上。

5.定影:碳粉只是印到紙上，但未固定在紙上，手一摸碳粉就會掉，下一步是經過有較高溫度（200 攝氏度）、較大壓力的定影熔化裝置，塑料色粉就固定到紙上。

6.清潔:一般包括用橡膠刮刀刮除沒轉印到紙上的殘餘碳粉，另外有些機種也會透過放電燈照射將光鼓上的剩餘電荷清除

講解影片:

 

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3.項目演示(Demonstration Items)  
請勿在家自行做危險的實驗(Please do not do the dangerous experiment

in your house)
3-1. 經典演示項目

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3-1-1.彎曲的雷射光
3-1-2.全像技術
3-1-3.頭髮繞射與尺的干涉
3-1-4. 球面像差
3-1-5消失的雷射光

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  3-1-1.彎曲的雷射光

    為了讓我們能夠看見雷射光的路徑，首先利用糖水這樣的「膠體溶液」來將光

的路徑，反射到我們眼裡。接著，我們運用一點小技巧讓糖水的分佈是由上而下越

來越濃，而不是均勻的糖水。接著藉由司乃爾定律: N1sinθ1=N2sinθ2(其中N1為第

一介質.N2為第二介質.sinθ1和sinθ2分別為入射角與折射角之正弦值)，由於糖水由

上而下用來越濃，折射率也越來越大，我們就可以看到，哇！雷射光他真的彎曲了！

  3-1-2.全像技術

    原本打出來只有一個光點的雷射筆，竟然可以變出千變萬化的圖樣？！ 還記得

小時候玩雷射筆，總會附上幾個可以替換的筆頭嗎？這筆頭上是附有一種叫做「全

像片」的東西，他就是能夠讓雷射光變成漂亮的圖案的大功臣唷。全像片利用光的

繞射來產生圖形。因為光碟片上有很多平行等間距的凹槽，就像在光碟片上有許多

狹縫，當光打在光碟片上時，可看到中間有一個中央亮紋，兩邊各有一個第一亮紋。

將兩片光碟片重疊兩片重疊，中間還是有一個最大亮點，但旁邊有兩組第一亮紋，

所以看到四個亮點。若將三片光碟片重疊，旁邊變成有三組第一亮紋也就是有六個點

。剛剛所使用的皆為垂直入射，若是不垂直，可發現第一亮紋跟中間最大亮紋的距離

改變，圖形則不會對稱，這就是圖形的來源喔。

  3-1-3.頭髮繞射與尺的干涉

    尺並沒有如此微小的刻度，這時候雷射光就發揮它的功用了。我們將頭髮放在雷

射筆前，可以照出它的繞射條紋，此時我們可以量出兩暗紋間的距離及雷射光到屏幕

的距離，帶入公式Δy=(L/b)λ，只有b是未知為我們要求的頭髮寬度。 λ為雷射光的波

長，Δy為狹縫寬度，L為屏幕距離，把我們所知道的數值帶入就可以算出頭髮寬度了

    若我們想知道未知的雷射光波長，一樣可以利用此原理，首先要有一支已知波長

的雷射光，按照以上原理得知尺的刻度之寬，然後再以未知的雷射光照射，將已知數

據帶入公式:∆Y=Lλ/b，即可求出未知雷射光的波長。

  3-1-4. 球面像差

    圖上為拋物面鏡，圖下則為球面鏡

    一個理想的鏡面，能將所有入射的光線，匯聚在光軸上的一個點，但日常的鏡面

的鏡面的鏡面的鏡面會有球面像差：靠近光軸的光線會比離光軸較遠的光線較為緊密

的匯聚在一個焦點上，因此光線不能匯聚在一個理想的焦點上。

  3-1-5消失的雷射光

    一樣的，為了看見雷射光的路徑，我們一樣使用膠體溶液奶茶，但這次不是要讓
奶茶中的雷射光路徑彎曲唷，而是要讓它消失在你的眼裡！

    我們運用雷利散射的特性，將雷射筆順或逆時針轉９０度。

    這是雷射光的示意圖。E為電場，B為磁場，正X為行進方向。雷射光中的電場會使
奶茶分子中的電子產生上下震動，由古典電磁學得知，當電荷擁有加速度時，電荷本
身便會輻射電磁波，其輻射出的電磁波如南瓜狀，上下的電磁波很弱，周圍較強。因
此當將雷射筆轉90度時，電子輻射出的電磁波也會轉90度，此時眼睛所看的地方是沒
有電磁波的，也就是看不到光。所以最後就會看到雷射光消失了
    看到了嗎？！雷射光他真的慢慢變淡最後消失了！

3-2. 歷年創新演示項目

綠光雷射筆的內部構造及工作原理
下圖為綠光雷射筆的內部構造:

    以808奈米的半導體雷射激發，這種常見的雷射二極體晶體，放出1064nm的紅外
光雷射，再經過晶體倍頻晶體(KTP)成綠光雷射，之後經過擴束鏡及準直透鏡，將筆
直、集中的雷射光放射出來然而為何經過倍頻晶體後紅光雷射就會變綠光?這是因為
當一強度夠強的光線通過倍頻晶體(KTP(磷酸氧鈦鉀))時就會產生一種頻率為基頻光
兩倍、而波長減半的新光源。也就是所謂的非線性光學現象。一般光線則因為強度不
夠所以就算通過倍頻晶體時也只會產生線性光學現象，也就是電極化強度正比於光的
電場。

3-3. 跨主題演示項目

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4.相關影片連結(Video Link)

影片內容:

簡介說明雷射是如何透過電子激發而放出光子、以及雷射的內部構造

影片內容:
1.紅光雷射，改變狹縫寬度的繞射現象
2.大頭針洞繞射，如同經典實驗的全像技術
3.紅、黃、綠的雙狹縫干涉現象

    除了利用我們上面的方式讓雷射光彎曲，也可以嘗試影片的方式
:將寶特瓶身中挖洞，然後盛滿水，接著就將雷射光打入洞中，也會發
現雷射光彎曲了!那是因為光在水中行進時，光在水與空氣間的介質表
面形成反射，因此一步一步的，就將光彎曲了，這個園裡常見於我們
使用網路的光纖系統，如下圖所示。

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5.歷年解說影片(Annual Demonstration Movies)