高中經驗分享 『高中活動』2020主題科學日-Huge LASER, See the Future

『高中活動』2020主題科學日-Huge LASER, See the Future

前言:參加活動的動機

這次的「2020主題科學日-雷射60 校園演講」,由科技部與北中南的大學聯合舉辦,為了慶祝雷射發明的六十週年,舉辦了大大小小的活動,舉凡來說有線上雷射展覽,又或是實體的演講分享、實作演練等等。

這次之所以會參加這場活動,是因為想藉由這場「雷射演講」,讓我對於工程、光電領域的專業知識有更深一步的了解,也可以拓展自己在光電方面的常識。

本次活動是以「中大壢中學生」的身份參加,本次活動有18為學生與1位老師帶隊,前往新竹交通大學參與此次課程。

前往新竹交通大學:

我們先從中央大學附屬中壢高中出發,包車前往新竹交通大學,路程約半小時至一小時左右。在路途中,老師稍微分享了一下這次活動的相關事情,讓我們對活動更加理解,更方便我們等等聽課時可以聽懂教授說的相關知識。

抵達交通大學後,主辦單位熱情的招待我們,告知我們該往哪個方向進入會場,也有專業的攝影師在記錄著一切~

場地佈置也十分精美,總共有四間學校共同參加雷射講座活動,分別為「中大壢中」、「桃園高中」、「新竹高中」、「竹東高中」這四間,參與人數共80個人。

雷射主題演講:

首先,第一個活動就是簡單的介紹過去的「雷射歷史」,科學家是如何發現雷射的呢?發現雷射後又是如何開始應用於生活當中?

一、Laser Adventure雷射之旅:

1.各種光源的比較:

教授在開頭時先提出「為何太陽的發射功率『超高』,到地球時人類卻安然無恙?」是因為雖然太陽發射功率高,不過傳遞距離過遠,所以從原本發出的10的26次方瓦,縮小到剩下500瓦每平方公分,也就是我們平時在戶外所受到的熱能。

不過…反過來說,太陽因為距離過遠,導致光線發散,最後造成接收功率縮小;只要把距離縮短、並且把光線匯聚起來,不就能利用很小的發射功率,製造出很強大的接收功率了嗎?這也就是「雷射」的誕生!

舉例來說,「二氧化碳雷射」就是一種「匯聚光線」的雷射應用。雖然發射功率只有少少的60瓦,但可以把所有能量聚集,一但聚集完後接收功率可以高達「百萬瓦」!已經可以作為切割鋼板使用了!

2.雷射的性質:

接著,教授開始介紹雷射的三種性質,分別為「單光性」、「準直性」、「同調性」。

  • 「單光性」:看到的雷射只有一種光,雷射筆就是一種例子。
  • 「準直性」:雷射可以匯聚光線,不會發散。
  • 「同調性」:可以修整光線配合實際應用。

教授也有簡單的介紹「光電效應」,用簡短的一句話來敘述光電效應,可以說「光利用特殊頻率把電子打出來」。雖然我也不是完全能理解,不過我相信未來還有很多機會學習的!

還有光是如何產生的呢?在大自然界中的「光子」在低能階軌域與高能階軌域之間躍遷,就是光所產生的原因。

3.「受激吸收」、「自發吸收」、「受激放射」

還有關於「受激吸收」、「自發吸收」、「受激放射」等等的專有名詞介紹,教授都有稍微帶過,讓我們大概理解內容。

講解完關於光的基本知識後,老師拿出了一些材料帶我們了解剛剛上課所教的,讓我們可以體會看似很抽象的理論,也可以實際應用在生活當中!舉例來說:手機的鏡頭中就藏有雷射,AirPods耳機中也藏有雷射感應,甚至是FaceID也是雷射的應用!

二、光電科技的現在與未來:

「雷射之旅」講座結束後,緊接著有另外一名教授來分享「光電科技的現在與未來」,就像之前教授提到的,光電已經應用在我們的生活當中,只是我們沒察覺而已。那究竟生活周遭有哪些是涉及光電領域的呢?這正是這堂課我們所要學習的。

1.何謂光電?

光電,其實是一個很簡要的名詞,只要涉及「光or電」、「電or光」、「光轉電」、「電轉光」,都可以說是光電!

2.光電應用?

在生活中常見的光電應用有:光碟片、單眼相機鏡頭,螢幕顯示器、光纖網路、LED燈、太陽能板、太陽能電池、軟性電子產品等等

3.精密光學元件與鏡頭:

大立光是專門做手機鏡頭的,也就是光電領域。在台灣的股價超高,只靠手機鏡頭的製造,一張股票最高漲到超過600萬元,這就是光電領域的潛能!

4.雷射光源:

雷射光源的應用十分廣泛,現今已用於「金屬加工」、「無人車雷達掃描」等等,如果未來法規順利通過的話,也許五到十年後無人車就會上路,將大力衝擊物流產業,需要的人力會大幅縮減,我們就有更多人可以致力於研究其他領域。

5.光通訊:

現在的大樓、社區越來越多都有設計「光纖網路」,不過什麼事光線呢?為什麼不用原本的傳輸線就好了呢?因為光速>電速,而且光纖的材質便宜,傳輸更穩定,所以在未來將被廣泛的應用。

還有螢幕也是光通訊的應用,螢幕又有分成「LCD」、「OLED」、「Micro LED」不同的種類,老師有分享一段影片,是關於LG之前利用OLED螢幕,做出超高的模擬瀑布,與大家分享~

6.LED及照明應用:

有些產業有LED照明的需求,不只是單純的光線而已,而是要求特定頻率、週期的光線。舉例來說:有些高級的植物在受到特定的光線照射下,會釋放出更多人類想要的物質,這就是「高級植物產業」在做的事情。

雷射實作:

在教授分享完過去雷射的歷史,還有介紹雷射的基礎理論後,馬上就開始實作觀察。交大準備了好幾組十分齊全的雷射設備,排列好後用成一間教室讓大家實際去操作。

旁邊有助教、教授,只要有問題都可以直接詢問!我當時有私下詢問助教整個實驗的運作流程,助教也簡單的敘述了一遍,並且分析原理給我聽。

其實整個實驗就是利用「雷射」發出光束,經過鏡面折射光束,經過電子的螢幕,進行轉換,最後再隨著三陵鏡折射出想要的圖形。

應用分享:

在體驗完實際操作雷射後,最後一個活動是藉由光的頻率、週期,來體驗「3D立體」照片、影片。教授分享了為什麼可以單純利用不同的眼鏡色片,造成立體的效果出現,並且直接發下眼鏡給大家,讓大家可以親自體會視覺上的衝擊。

首先,教授先介紹了「紅綠眼鏡」的原理,到底為什麼能讓人類看到的照片、影片變成立體的?

經過教授的講解後,我才了解到「這項創意」的獨特之處!利用材質的吸收波段,搭配上照片處理,就可以玩出許多特別的玩法!教授有提供幾張照片來給我們體驗,以下是戴眼鏡的視角所拍出的照片。

教授還有提到關於干涉、繞射的理論,並且實際拿出雷射筆實作給我們看,利用干涉、繞射達到一維空間、二維空間、三維空間的轉換。

上面這些照片,都是利用干涉繞射原理,配合眼鏡的設計(週期、頻率不同),讓我們看到的內容改變。上面這張圖,原本只是單純的燈管,不過在眼鏡之下就會把光線進行拆散,因為每種顏色的行進速率不同。

心得感想:

這次的課程雖然只有短短三小時,卻帶給我滿滿的收穫。從一開始的雷射歷史介紹,並在介紹完實體操作一遍,最後再結合生活中的應用,讓「光、電」看似艱深難懂的學術名詞,直接與生活中產生連結。

在最後的回程途中,老師分享了自己對於這次演講的看法、收穫,也幫我們複習了這次所學習到的內容。另外,老師也給每個學生一人一分鐘,分享一下自己今天的感想~

每個人對這次講座的感想不同,有些人領悟到「以後應該選擇自己喜歡的科系學習,以後才不會痛苦」,有些人則是體會到「自己未來的方向何去何從」。

對於我來說:無論我未來會不會踏上「工程」這條路,我都對未來的趨勢有更明確的瞭解 !也許我對研究光、電的理論實作沒有興趣,不過在未來還是會有很多相關得應用!舉例來說,無人車的開發、Airpods的功能、AR擴充實境等等…

所以我學到的是……

思考如何把自己的能力結合未來的趨勢,創造出我自己的價值。

許云澤 2020.10.21

照片分享:

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