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圖解光與雷射應用

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內容簡介

本書特色

  在我們的週遭,光可說是無所不在。光與雷射對現代人的生活不可或缺,無論電視、電腦、相機、燈等都是其應用領域。而且無論是四度空間的相對論,還是作為近代物理學基礎的量子力學,乃至研究物質本質的粒子物理學,光在其中都扮演重要的角色。本書便是針對光和備受矚目的雷射相關議題加以說明。

  第一章從光速談起,再就粒子性、波動性及量子性對光的真正意涵,說明光的本質與性質。

  第二章介紹利用普通光的透鏡、LED、平面顯示器(液晶顯示、電漿顯示、FED、有機EL),以及太陽能發電等。

  第三章詳盡解說廣受期待的雷射及雷射共振的原理、特徵,以及氣體雷射、半導體雷射、固體雷射、染料雷射、X光雷射、自由電子雷射等雷射種類。

  第四章將說明目前光學與雷射的多種應用領域,包括光碟、雷射印表機、光纖、條碼機、曝光步進機等,並對第二諧波、近場光學等加以介紹。

  除了文字解說,並藉由式子演算與相關圖解,清楚闡釋其涵義。藉由本書,你將對光與雷射不可思議的力量有更深入的認識!

作者簡介

陳軍

  日本北海道大學大學院工學研究科應用物理學專攻博士課程修畢。現任日本東京工藝大學工學部教授。

  日本北海道大學大學院工學研究科應用物理學專攻修畢,現任□□□有限公司執行董事。

譯者簡介

羅丞曜

  電氣工學博士。畢業於日本東京大學。曾任職於台灣積體電路公司擔任12吋晶圓90奈米及45奈米製程整合專案資深研發工程師;2006年至2009年間以訪問研究員及特任研究員身分參與歐盟與日本的「開發印刷式生產技術並以其製作微機電系統控制的大面積軟性顯示幕」國際研究計畫。已發表18篇科技論文,並擁有6項半導體元件製程國際專利。近期研究興趣為半導體材料、光學微機電系統、印刷式生產技術及軟性電子元件。自2000年起持續從事英、日文科技書籍及論文的翻譯、潤校工作。

 

目錄

前言

第一章 光到底是什麼

1-1 春,曙為最
◎何謂普通的「光」?∕◎探尋光的旅程∕◎光速大約有多快?∕
◎光的速度不論在哪或對誰而言都一樣∕

1-2 一粒一粒的光(光子)?(幾何光學)
◎鏡中的我(反射)∕◎為什麼泡澡時腿看起來比較短?(折射)∕◎分光∕
◎彩虹的結構∕

1-3 光是波(光波)嗎?(波動光學)
◎何謂波(波動的表現)∕◎楊氏干涉實驗(干涉)∕◎模糊細小又看不見(繞射)∕
◎光的真正本質是電磁波(馬克士威方程式)∕◎光是橫向振動(偏光)∕
◎反射率及折射率∕◎再次提到關於色散∕◎電子使光變成藍色(散射)∕

1-4 光原來是量子!
◎光的本尊是什麼?∕◎黑體輻射之謎∕
◎光使電子受撞擊彈射而出(光電效應) ∕◎光是量子?!∕

1-5 光如何產生?
◎光具有多餘的能量∕◎電燈泡的光∕◎螢光燈的光∕◎太陽光∕
◎魔法之光(同步輻射)∕◎雷射光∕◎能量與光∕

1-6 光以各種形式存在
◎相對論中的光∕◎藉由電磁力產生的光∕

第二章 光是如此加以應用

2-1 相機鏡頭的演進
◎透鏡是人類用來控制光的道具∕◎光的軌跡∕◎何謂惡化畫質的像差∕
◎想擁有美麗圖像的作法∕

2-2 連紅綠燈都使用的LED
◎何謂LED?∕◎LED的用途∕

2-3 取代陰極射線管的平面顯示器
◎首先是陰極射線管∕◎液晶顯示∕◎電漿顯示∕◎FED(電場放射顯示)∕
◎有機EL∕

2-4 對環境友善的太陽能發電
◎太陽能發電是再生能源的利用∕◎太陽能發電的普及性應用∕

第三章 雷射光的特徵

3-1 何謂雷射?
◎雷射光與自然光的差異∕◎雷射的誕生與發展∕◎雷射的分類∕
◎雷射的構造∕◎雷射共振的原理 (1)發光(雷射介質的作用) ∕
◎雷射共振的原理 (2)激發(外部能量的作用) ∕
◎雷射共振的原理 (3)正向回饋(共振器的作用) ∕
◎雷射共振的原理 (4)雷射光是如何產生的?∕

3-2 雷射光的特徵
◎指向性∕◎單色性∕◎可干涉性∕◎集光性(高能量密度)∕◎控制性∕

3-3 氣體雷射的構造與原理
◎He-Ne雷射的概要∕◎He-Ne雷射的外型及構造∕
◎He-Ne雷射的激發與共振的原理∕

3-4 半導體雷射的構造及原理
◎半導體雷射的構造及發光的原理∕◎半導體雷射的激發方法∕
◎半導體雷射的特性∕

3-5 固體雷射的構造與原理
◎YAG雷射的構造∕◎YAG雷射的共振∕

3-6 其他種類的雷射
◎色素雷射∕◎X光雷射∕◎自由電子雷射∕

第四章 雷射使用的領域

4-1 進化中的光碟
◎光碟的種類及特徵∕◎CD-ROM(播放專用)的構造∕
◎CD-R(追加記錄型)的構造∕◎CD-RW(複寫型:相變化)的構造∕
◎MO/MD(複寫型:光磁性)的構造∕◎BD與HD DVD的差異∕

4-2 印刷清晰又安靜的雷射印表機
◎印表機的進化∕◎掃描器的原理∕◎掃描器的進化∕

4-3 製作無所不在的IC的半導體曝光步進機
◎支持現代生活的IC∕◎步進機/掃描機是什麼?∕◎步進機的全體構造∕
◎光源與照明部份∕◎投影部份∕◎也使用光來控制位置∕

4-4 縮減等待結帳時間的條碼讀取機
◎便利的條碼系統∕◎條碼讀取機的構造∕◎何謂全像?∕◎全像掃描機∕

4-5 形成高速網路的光纖
◎藉由光纖而高速化的波∕◎光纖的原理∕◎藉由波長多工的高速化∕

4-6 想使用更短波長的光(第二諧調波)
◎何謂非線性光學效應?∕◎第二諧調波的產生∕
◎準相位整合(QPM:Quasi Phase Matching)∕

4-7 不會飛的光(近場光學)
◎何謂不會飛的光?∕◎以近場光學測定∕◎利用近場光學的寫入與讀取∕
◎利用近場光學的操作∕◎利用近場光學的加工∕

 

前言  

歡迎來到光與雷射的驚奇世界!

  我們每天早晨起床就沐浴著陽光;在上班或上學的途中也會看到紅綠燈或電子顯示板(LED)。在學校是在日光燈照射下上課,在公司是面對著CRT或液晶螢幕工作。傍晚回到家裡,就坐在電視機前看新聞或用DVD看電影對吧!偶而也會仰望星空,看著彩虹或夕陽而神遊!

  光就是這樣地無所不在!讓我們以「原來如此!」的理解方式,開始光的旅行。本書將專注在光和近期備受注目的雷射相關議題上。

  第一章將從光的速度開始,並就粒子性、波動性及量子性對光的真正意涵進行說明。

  第二章將針對利用普通光的透鏡、LED、平面顯示器等加以說明。

  第三章將對廣受期待的雷射及雷射共振的原理和雷射種類詳盡解說。

  第四章將說明目前雷射的多種應用,如光碟、光纖、雷射印表機、條碼、曝光步進機等。最後對最新的光學應用及廣受矚目的近場光學加以介紹。

  第一章後半部使用了許多公式,這是基於以下兩點理由:

  第一點是式子詳細展開後,對於非常困難的光學部分可以徹底地思考學習,所以一開始的時候可以略過沒關係。可是請一定要親自試著展開式子。公式也可以幫助我們理解它的涵義。若充分並仔細地展開式子,也可以幫助我們追蹤式子的推導。

  第二點是若對藉由上述展開的公式所說明的光有所體會,從第二章開始的各種解說將非常容易理解。請務必試試看。

  無論是在四度空間的相對論中,還是在作為近代物理學的基礎的量子力學中,乃至在研究物質本質的粒子物理學中,光都扮演重要的角色。請試著感覺這樣的光!

作者

 

詳細資料

  • ISBN:9789866363283
  • 叢書系列:科學視界
  • 規格:平裝 / 208頁 / 16k菊 / 14.8 x 21 x 1.04 cm / 普通級 / 雙色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

光原來是量子啊!

一直到前一節為止,我們用了粒子性質(幾何光學)及波動性質(干射及折射)來考量光的特性。

但是到底光是什麼東西呢?

� 光的本尊是甚麼呢?
因為有時可以用粒子性,有時可以用波動性來看待光,所以當一想到光,好像有點像鬼魂的感覺,就連在歷史上關於光是粒子還是波動也爭論了好長一段時間。從牛頓認為光是粒子(在真空的傳遞),惠更斯認為光是一種波(折射及反射的說明)。楊氏的光學干涉實驗.佛奈爾.弗朗霍佛及柯西何夫等人對於折射的研究,似乎又對於光的波動性比較有利。但是進入了20世紀後,因為有了針對黑體輻射的研究,我們終於明白了還是不得不用光的波動性質來做說明。

‧黑體輻射之謎‧
若針對鐵塊加溫的話,它會逐漸的變成紅色,然後變成黃色,再變成藍白色。在當時,因為鐵工業對於新興國的德國而言是生產上不可欠缺的原料,所以德國進行了鐵礦熔爐的光與顏色的研究以了解熔爐中的溫度。稱為黑體的物質,具有從外面入射的光(電磁波)反射不出來(故稱為黑體)而假想其會將之完全吸收的性質。現在假設黑體內的光與障壁在熱平衡的狀態下有著相同的溫度。從黑體放射(輻射)出的光僅與溫度T相關(柯西何夫定律),並假設鐵礦熔爐是有如黑體的物質。在此觀測光(某種波長上的強度,稱為光譜)的話,就可以了解鐵礦熔爐的溫度了。

‧光是量子?!‧
雖然最終我們了解了二十世紀開始的光的量子理論後,但量子到底是什麼?

在二十世紀大幅發展的量子立學(支配微小世界的力學)是將所有物質以波束封包(wave packet)的形式考量。波束封包是如圖般的將不同的波數疊成一區塊的定義。在這種定義下同時具有波動性及粒子的共同作業。而且也不要認定光在某一時期為波長而另一時期為粒子,因為任何時候光都同時具有波動及粒子的特性。雖然人們常想要問「怎麼可能!到底是哪一種!?」但自然界就是具有這樣的特性。就讓我們謙虛的將光定義為波束封包,讓它同時具有粒子性及波動性並牢記於心。但是在現實生活中幾乎不可能意識到微小世界量子的效應。如此一般,光在相對論中扮演著重要的角色,與宇宙的時空構造也有關聯,甚至與量子力學也有著直接的關係,實在是不可思議!

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