NANA SARA

 

 

แสงเลเซอร์ : วิรุฬหกกลับ

นับตั้งแต่เลเซอร์เครื่องแรกถูกสร้างขึ้นในปี ค.ศ.1960แสงเลเซอร์ได้เข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันของเราเพิ่มขึ้นทุกวัน และมีแนวโน้มที่พัฒนาต่อไปอย่างไม่หยุดยั้ง แสงเลเซอร์เกิดขึ้นได้อย่างไร และมันทำประโยชน์อะไรได้บ้าง?

 

หน้าที่ 1 - แสงเลเซอร์

โดย วิรุฬหกกลับ

 

บ่อยครั้งที่เราได้ยินเรื่องราวเกี่ยวกับแสงเลเซอร์ ในแง่มุมต่างๆอยู่เสมอๆ ยิ่งในภาพยนตร์เรื่องดังเลเซอร์ดูเหมือนจะได้รับบทบาทสำคัญๆอยู่เป็นประจำ ภาพยนตร์ที่นำเสนอแง่มุมในโลกอนาคตแทบจะไม่มีเรื่องไหนเลยที่แสงเลเซอร์จะไม่ได้เข้าไปร่วมเอี่ยวด้วย แสงเลเซอร์ที่ถูกนำมาถ่ายทอดผ่านมุมมองนักสร้างหนังเป็นได้ทั้งเป็นทั้งอาวุธไฮเทคที่จะทำลายล้างทุกสรรพสิ่ง หรือในบทบาทของการเยียวยาการผ่าตัดที่ล้ำสมัยและอีกในหลายๆบทบาททำให้แสงเลเซอร์กลายเป็นที่สนอกสนใจของใครหลายๆคน บ้างสงสัยว่าแสงเลเซอร์เกิดขึ้นมาได้อย่างไร แสงเลเซอร์สามารถทำอะไรได้บ้าง 



  
 แสงเลเซอร์
ภาพจาก
www.weblo.com

 

หลักการของเลเซอร์
           แสงเลเซอร์เป็นแสงที่มีคุณสมบัติแตกต่างจากแสงทั่วๆไป  มีลำแสงขนาดเล็ก มีความเข้มสูงกว่าแสงธรรมดา ทั้งยังมีความเบี่ยงเบนของแสงน้อยกว่า (low-divergence beam) มีความถี่ของแสงเพียงความถี่เดียว
           เลเซอร์(LASER) ตรงกับคำภาษาอังกฤษที่ว่า Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation  ซึ่งแปลความได้ว่า การขยายแสงโดยอาศัยหลักการแผ่รังสีแบบกระตุ้น 
           การขยายแสงคือการเพิ่มจำนวนโฟตอนหรือเพิ่มความเข้มแสงให้มีมากขึ้นกว่าเดิม โดยปรกติอะตอมหรือโมเลกุลจะอยู่ในชั้นพลังงานต่ำเสมอ (E1) เพราะเป็นสภาวะที่มีความเสถียรภาพมากกว่า แต่เมื่ออะตอมหรือโมเลกุลถูกกระตุ้นก็จะเกิดการดูดกลืนแสงหรือพลังงานที่มากระตุ้นทำให้อะตอมหรือโมเลกุลขึ้นไปอยู่ในชั้นพลังงานที่สูงกว่า(E2)  แต่สถานะพลังงานในชั้นพลังงาน E2 นี้มีความไม่เสถียรจึงสามารถคงตัวได้เพียงชั่วระยะเวลาหนึ่งจึงคายพลังงานออกมาเพื่อทำให้ตัวเองอยู่ในสภาวะเสถียรอีกครั้งในชั้นระดับพลังงาน E1  
           ดังนั้นพลังงานที่อะตอมหรือโมเลกุลปล่อยออกมาจึงมีค่าเท่ากับผลต่างของพลังงานระหว่าง E2-E1 การคายพลังงานออกมาหรือการเปล่งแสงในลักษณะนี้ เป็นไปตามธรรมชาติเราเรียกปรากฏการณ์เช่นนี้ว่า เปล่งแสงแบบเกิดขึ้นเอง (Spontaneous Emission)



 
ภาพจำลองการเปล่งแสงแบบถูกเร้า
ภาพจาก
http://physics.schooltool.n



            แต่สำหรับการเปล่งแสงแบบถูกเร้า (Stimulated Emission) อันเป็นหลักการสำคัญของเลเซอร์นั้น จะแตกต่างกับการเปล่งแสงแบบเกิดขึ้นเองข้างต้น คือเมื่อ อะตอมหรือโมเลกุลขึ้นไปอยู่ที่ระดับพลังงานที่สูงกว่าใน E2 และมีการฉายแสงเข้าไปโดยแสงที่ฉายเข้าไปนั้นจะต้องมีค่าพลังเท่ากับผลต่างของชั้นพลังงานE2-E1ที่อะตอมหรือโมเลกุลได้ดูดกลืนเอาไว้ และแสงที่เข้าไปนี้เองที่จะทำให้อะตอมหรือโมเลกุลคายพลังงานที่ดูดกลืนเอาไว้ก่อนเวลา ทำให้เกิดแสงที่มีขนาดเท่าๆกันทั้งแสงที่ถูกปล่อยออกมาและแสงที่ถูกฉายเข้าไปเพื่อเร้า มีทั้งพลังงานที่เท่ากัน มีทิศทางการเคลื่อนที่เดียวกัน และเฟสของคลื่นที่เหมือนกัน ซึ่งหลักการอันนี้เองที่นำมาใช้กับเทคโนโลยีเลเซอร์ 
           เมื่ออะตอมหรือโมเลกุลของเนื้อวัสดุที่นำมาใช้ทำเลเซอร์อยู่ในสภาวะถูกกระตุ้นดังกล่าวแสงเคลื่อนที่ผ่านเนื้อวัสดุของเลเซอร์ที่ถูกกระตุ้นก็ยิ่งทำให้ เกิดการคายแสงมากขึ้นทำให้ความเข้มแสงเพิ่มขึ้นนั้นเอง หรือการได้ว่าจำนวนโฟตอนเพิ่มมากขึ้นนั้นเองหลักการนี้คือการขยายแสงพื่อให้โฟตอนมีจำนวนมากพอ ซึ่งกระทำโดยการใช้กระจก 2 ชิ้นวางขนานกันที่ปลายทั้งสองของเนื้อวัสดุ กระจกทั้งสองนี้เรียกว่า Optical Cavity ที่จะทำหน้าที่สะท้อนส่องให้โฟตอนวิ่งไปวิ่งมาในเนื้อวัสดุอันเป็นตัวกลางเลเซอร์จนได้ปริมาณมากพอและเมื่อมีความเข้นสูงจนเกิด Gain ที่มีค่ามากกว่าพลังงานของระบบลำแสงของเลเซอร์จึงพุ่งออกมา
เลเซอร์จัดว่าเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีคุณสมบัติที่เรียกว่า คุณสมบัติโคฮีเรนต์ (coherent) คือ มีแสงสีเดียว มีเฟสเดียวกัน มีทิศทางที่แน่นอน และ มีความเข้มของแสงสูง

การค้นพบ
           เลเซอร์เป็นอุปกรณ์ ที่ให้กำเนิดแสง โดยพลังงานจากแสงเลเซอร์ มีคุณสมบัติที่หลากหลายขึ้นอยู่กับการออกแบบและการนำไปใช้งาน การค้นพบเลเซอร์เกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1954  โดย ซี. เอช.ทาวน์ส (C.H. Townes) ได้เสนอเป็นหลักการหรือทฤษฎีเกี่ยวกับเลเซอร์เอาไว้ ซึ่งผลงานในครั้งนั้นทำให้เขาได้รับการประกาศเกียรติคุณให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขา ฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1964
           หลักการของ ซี. เอช.ทาวน์ส (C.H. Townes) ก่อให้เกิดแรงผลักดันให้มีการศึกษาและสานต่อเรื่องเทคโนโลยีเลเซอร์จนมีวิวัฒนาการที่กว้าหน้ามาเป็นลำดับโดยในเดือนพฤษภาคม ปีค.ศ. 1960  ทีโอดอร์ ไมแมน (Theodore Maiman) ได้ทำการศึกษาค้นคว้าและวิจัยเกี่ยวกับแสงเลเซอร์ขึ้นที่สถาบันวิจัย ฮิวจ์ (Hughes Research Laboratories) 
           ทีโอดอร์ ไมแมนนำหลักการของซี. เอช.ทาวน์สมาประดิษฐ์เลเซอร์เครื่องแรกของโลกขึ้นโดยเป็นเลเซอร์ที่ทำจากทับทิม(Ruby L aser)ซึ่งจัดว่าเป็นเลเซอร์ของแข็งและในปีเดียวกันนั้นเองจาแวน (Javan) ก็ได้ประดิษฐ์ เลเซอร์ที่ทำจากก๊าซฮีเลียม-นีออนได้เป็นผลสำเร็จซึ่งถือว่าเป็นเลเซอร์แบบก๊าซ จากนั้นพัฒนาการเกี่ยวกับเทคโนโลยีเลเซอร์ก็พัฒนาต่อไปอย่างต่อเนื่อง มีการผลิดเลเซอร์ชนิดต่างๆออกมามากมาย  ซึ่งมีทั้งที่ทำจาก ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และจากสารกึ่งตัวนำจำพวกไดโอด
 



C.H. Townes
ภาพจาก
http://th.physik.uni-frankfurt.de/~jr/physpicexp2.html

 

เครื่องฉายเลเซอร์มีส่วนประกอบที่สำคัญ 3 ส่วนคือ 
           1. เนื้อวัสดุที่ใช้ทำตัวกลางเลเซอร์ (Laser Medium)
           2. การปั๊มพลังงานทำให้เนื้อวัสดุที่เป้นตัวกลางของเลเซอร์มีสภาพถูกกระตุ้น
           3. Optical Cavity

นอกจากจะมีส่วนประกอบที่สำคัญทั้งสามประการแล้ว เรายังสามารถแบ่งเลเซอร์ออกเป็นชนิดได้ตาม เนื้อวัสดุตัวกลาง ดังนี้

ชนิดของเลเซอร์
1.เลเซอร์ของแข็ง
            เลเซอร์ชนิดนี้จะใช้ตัวกลาางที่เป็นของแข็ง โดยเลเซอร์ตัวแรกที่ถูกสร้างขึ้นโดย ทีโอดอร์ ไมแมน (Theodore Maiman) ก็เป็นของแข็งด้วยเช่นกัน ของแข็งที่นำมาใช้เป็นส่วนประกอบสำคัญของเลเซอร์ มีทั้ง  เลเซอร์ทับทิม เลเซอร์แย็ค เลเซอร์แก้ว ฯลฯ โดยจะมีการใส่สารเจือปนลงไปในวัสดุดังกล่าวด้วย ทับทิมจะใช้โครเมียมเป็นสารเจือปนส่วนแย็คและแก้วจะใช้นีโอดีเนียมเป็นสารเจือปน
 การปั๊มพลังงานของเลเซอร์ของแข็งจะทำโดยใช้แสงจากหลอดไฟซีนอนหรือหลอดไฟทังสเตนโดยมี Optical Cavity ทำหน้าที่สะท้อนแสงเพื่อเพิ่มโฟตอน

2. เลเซอร์ก๊าซ
            เลเซอร์ชนิดนี้จะนำก๊าซมาทำเป็นตัวกลางของวัสดุ ซึ่งมีก๊าซหลายชนิดที่นำมาใช้เป็นตัวกลางได้เช่น ก๊าซผสมฮีเลียม - นีออน (He - Ne) ก๊าซผสมฮีเลียม - แคดเมียม (He - Cd) ก๊าซผสมคาร์บอนไดออกไซด์ - ไนโตรเจน - ฮีเลียม (CO2-N2-He)
การปั๊มพลังงาน ของเลเซอร์แบบก๊าซจะทำโดยการนำก๊าซบรรจุลงในหลอดเลเซอร์โดยที่ปลายหลอดทั้งสองจะมีขั้วไฟฟ้าต่ออยู่ เมื่อป้อนไฟฟ้าแรงสูงให้แก่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง อิเล็กตรอนจะวิ่งจากขั้ว แคโทด(-) ไปยังขั้วแอโนด(+) เมื่ออิเล็กตรอนวิ่งชนอะตอมหรือโมเลกุลของก๊าซก็จะเกิดการแตกตัวเป็นประจุไฟฟ้าที่เรียกว่า พลาสมา (Plasma) ซึ่งพร้อมจะปล่อยโฟตอนออกมา และเมื่อมีโฟตอนที่มีขนาดเท่ากันไปเร้าก็จะทำให้เกิดแสงเลเซอร์ขึ้น

3.เลเซอร์ของเหลว
            เลเซอร์ชนิดนี้มักจะใช้สีย้อมผ้า(Dye) ผสมน้ำหรือแอลกฮอล์ บรรจุใส่ภาชนะใส ทำให้ตัวกลางของเลเซอร์ชนิดนี้มีสถานะเป็นของเหลว สีย้อมผ้าที่นิยมนำมาใช้เช่น โรดามีน ๖ จี (Rhodamine 6 G) คลอโรฟลูออเรสเซียน (Dichloro fluore scein) เป็นต้น
           การปั๊มพลังงานในเลเซอร์ชนิดนี้จะทำโดยการใช้แสงเช่นเดียวกับเลเซอร์ของแข็ง

4. เลเซอร์ไดโอด
           ไดโอดเป็นสารกึ่งตัวนำ ไดโอดที่นิยมนำมาใช้เป็นตัวกลางเลเซอร์ เช่นไดโอดจากสาร แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs)แกลเลียมอะลูมิเนียมอาร์เซไนด์ (GaAlAs)อินเด ียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสฟายด์ (InGaAsP)
           การปั๊มพลังงานของเลเซอร์ชนิดนี้ จะทำโดยการจ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านรอยต่อP-N ทำให้เกิดการรวมตัวกันของพาหะนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำ และมีการขยายความเข้มด้วย Optical Cavity  ทำให้เกิดแสงเลเซอร์ขึ้น

ประโยชน์ของแสงเลเซอร์
           ในปัจจุบันแสงเลเซอร์กลายเป็นสิ่งสำคัญในการนำพาศาสตร์ต่างๆบรรลุเป้าหมาย และ เลเซอร์ยังมีแนวโน้มที่จะพัฒนาต่อไปได้อย่างไม่หยุดยั้ง ในคราวที่ Neil Armstrong และ Edwin Aldrin ได้เดินทางไปเหยียบดวงจันทร์พวกเขาได้นำแผงกระจกสะท้อนแสงไปวางไว้ด้วย หลังจากนั้นอีก 10 วันต่อมา คณะนักวิทยาศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียและเทกซัสได้ยิงแสงเลเซอร์ไปตกกระทบยังแผงกระจกดังกล่าว ที่ห่างออกไปจากโลกราว 385,000 กิโลเมตร แสงเลเซอร์สะท้อนกลับมาเพียงชั่ววินาที ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณ ความเร็วแสง และระยะทางระหว่างโลกและดวงจันทร์ได้อย่างแม่นยำ
            แม้ในช่วงแรกการพัฒนาวิจัยกับเกี่ยวแสงเลเซอร์จะเน้นไปทางการทหาร แต่ในปัจจุบัน เทคโนโลยีเลเซอร์กำลังถูกนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์แก่ทุกวงการ เหมาะกับงานที่ต้องการความละเอียด แม่นยำ

- ด้านการทหาร
            แสงเลเซอร์ถูกนำไปใช้ในการชี้เป้าของ เครื่องบิน จรวดนำวิถี รถถังเพื่อให้การดโจมตีเป้าหมายมีความแม่นยำและไม่ก่อผลเสียหายให้แก่บริเวณข้างเคียง
      
- ด้านอุตสาหกรรม 
            เลเซอร์ถูกนำไปใช้ในการตัด เจาะ เชื่อม ชิ้นงานต่างๆที่ต้องการความละเอียดและมีความแม่นยำสูง ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ เลเซอร์สำคัญอย่างมากในการผลิตไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็ก ทั้งยังช่วยให้ขบวนการผลิตเป็นไปด้วยความรวดเร็ว




เลเซอร์ในอุตสาหกรรม
ภาพจาก
https://newsline.llnl.gov


- ด้านการแพทย์
            แสงเลเซอร์ถูกนำไปใช้ในการผ่าตัดที่ต้องการความแม่นยำสูง หรือในสภาพที่การผ่าตัดแบบธรรมดากระทำได้ยาก เช่นการผ่าตัดโรคเกี่ยวกับดวงตา สมอง   ซึ่งช่วยให้การผ่าตัดเป็นไปได้ด้วยดี และการผ่าตัดด้วยเลเซอร์ก็ไม่ก่อให้เกิดผลกระทบต่อเซลข้างเคียงทั้งยังไม่มีปัญหาเกี่ยวกับเรื่องแผลเป็นหลังการผ่าตัดมากนัก

- ด้านดาราศาสตร์

            แสงเลเซอร์จะทำหน้าที่เพื่อสำรวจความแปรปรวนของอากาศเพื่อช่วยในการปรับโฟกัสของกล้องโทรทัศน์ที่ใช้ดูดาว

- ด้านโทรคมนาคม
            ถือว่าเป็นประโยชน์ที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของแสงเลเซอร์เพราะเทคโนโลยีแสงเลเซอร์ ถูกนำมาใช้เป็นตัวส่งสัญญาณผ่านใยแก้วนำแสงเพื่อใช้ถ่ายทอดสัญญาณ โทรทัศน์ โทรศัพท์ และข้อมูลต่างๆมากมาย จุดเด่นที่สำคัญคือการไม่มีสัญญาณรบกวน และมีความจุของข้อมูลมาก ซึ่งเส้นใยแก้วนำแสง 1 เส้นสามารถ บรรจุคู่สายโทรศัพท์ได้นับพันคู่สายเลยทีเดียว 
           เหล่านี้เป็นเพียงแค่ส่วนหนึ่งของคุณประโยชน์ที่เกิดจากเทคโนโลยีแสงเลเซอร์แสงเลเซอร์ยังสามารถทำอะไรได้มากมาย ในชีวิตประจำวันของเราก็ล้วนแต่ต้องใช้ประโยชน์จากมันเพิ่มขึ้นทุกวันไม่ว่าในเครื่องเล่นแผ่น CD DVD ต่างๆล้วนแล้วแต่พัฒนามาจากเทคโนโลยีชนิดนี้ นับแต่หลักการเกี่ยวกับแสงเลเซอร์ถูกเสนอโดยซี.เอช.ทาวน์ส (C.H. Townes) ในปีค.ศ. 1954 เทคโนโลยีชนิดนี้ก็ถูกพัฒนามาอย่างต่อเนื่องและมีแนวโน้มว่าจะพัฒนาต่อไป จนกลายมาเป็นสิ่งที่สำคัญยิ่งต่อวิถีชีวิตมนุษย์ในอนาคตอันใกล้นี้

 

ขอขอบคุณ : วิชาการดอตคอม