เลเซอร์ จาก สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ เล่มที่ 20

          เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ทรงพลังและมีคุณสมบัติพิเศษที่มีประโยชน์ใช้งานอย่างกว้างขวาง ผู้ที่คิดค้นเลเซอร์ได้คือ ซี.เอช. ทาวน์ส (C.H. Townes) ในปี ค.ศ. ๑๙๕๔ โดยได้เสนอเป็นหลักการหรือทฤษฎีเลเซอร์ไว้ ซี.เอช.ทาวน์ส ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. ๑๙๖๔ สำหรับการคิดค้นเรื่องเลเซอร์นี้เอง

          แมแมน (Maiman) เป็นผู้ที่พิสูจน์ทฤษฎีเลเซอร์ของ C.H. Townes ได้สำเร็จ โดยการประดิษฐ์เลเซอร์ตัวแรกของโลกขึ้น เป็นเลเซอร์ที่ทำทับทิม (Ruby Laser) ซึ่งเป็นของแข็งในปี ค.ศ. ๑๙๖๐

          ในปีเดียวกันนั้นเอง จาแวน (Javan) ก็ได้ประดิษฐ์เลเซอร์ที่ทำจากก๊าซฮีเลียม-นีออนได้เป็นผลสำเร็จ จากนั้นจึงมีการพัฒนาเลเซอร์ชนิดต่างๆ อีกมากมาย ทั้งที่ทำจากของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และสารกึ่งตัวนำ

          คำว่า "เลเซอร์" เป็นคำทับศัพท์ จากภาษาอังกฤษคือ "LASER" ซึ่งเป็นคำย่อของ "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" จึงหมายถึง การแผ่รังสีของการเปล่งแสงแบบถูกเร้าด้วยการขยายสัญญาณแสง ดังนั้นกลไกพื้นฐานของเลเซอร์จึงได้แก่ การเปล่งแสงแบบถูกเร้า และ การขยายสัญญาณแสง กลไกทั้งสองนี้เป็นสาเหตุที่ทำให้เลเซอร์มีคุณสมบัติพิเศษต่างๆ เช่น เป็นลำแสงขนานที่มีความเข้มสูง และมีคลื่นแสงที่เป็นระเบียบด้วยค่าความยาวคลื่นที่ตายตัว

          ระบบอะตอมหรือโมเลกุลที่ใช้ทำเลเซอร์จะมีชั้นพลังงานต่างๆ อยู่ โดยที่มีชั้นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเกิดแสงเลเซอร์อยู่ ๒ ชั้นพลังงาน โดยปกติอะตอมหรือโมเลกุลจะอยู่ที่ชั้นพลังงานต่ำ (E₁) เสมอ เพราะมีเสถียรภาพกว่าเมื่อมีการป้อนพลังงานให้แก่ระบบอะตอมหรือโมเลกุล เช่น การฉายแสงที่มีพลังงานที่พอดีกับผลต่างระหว่างชั้นพลังงานทั้งสอง (E₂ - E₁) อะตอมและโมเลกุลจะถูกกระตุ้นให้ขึ้นไปอยู่ที่ชั้นพลังงานที่สูงกว่า (E₂) ปรากฏการณ์เช่นนี้คือ การดูดกลืนแสง (Absorption)

          เมื่ออะตอมหรือโมเลกุลมีพลังงานสูงขึ้นเนื่องจากการดูดกลืนแสงแล้ว จะคงสภาพเช่นนั้นได้ด้วยระยะเวลาหนึ่งเท่านั้น เพราะสถานะที่พลังงานสูง (E₂) นี้ไม่เสถียร เมื่อเวลาผ่านไประยะหนึ่ง อะตอมและโมเลกุลเหล่านั้นก็จะตกกลับมาอยู่ที่ชั้นพลังงานต่ำ (E₁) ตามเดิม โดยคายพลังงานออกมาเท่ากับผลต่างระหว่างชั้นพลังงานทั้งสอง (E₂ - E₁) หรือเปล่งแสงกลับออกมานั่นเอง การเปล่งแสงเช่นนี้เกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติของอะตอมและโมเลกุลนั้นๆ จึงเรียกปรากฏการณ์ เช่นนี้ว่า การเปล่งแสงแบบเกิดขึ้นเอง (Spontaneous Emission)

          แต่การเปล่งแสงแบบถูกเร้า (Stimulated Emission) ซึ่งเป็นกลไกหลักของเลเซอร์นั้น เริ่มต้นจากการดูดกลืนแสง เพื่อให้อะตอมหรือโมเลกุลขึ้นไปอยู่ที่ชั้นพลังงานสูงเช่นกัน แทนที่จะให้อะตอมหรือโมเลกุลตกลงมาเอง เมื่อเวลาผ่านไปจะมีการฉายแสงเข้าไปในระบบอะตอมหรือโมเลกุลที่มีพลังงานเท่ากับผลต่างของชั้น พลังงานทั้งสอง (E₂ - E₁) แต่แสงที่ฉายเข้าไปนี้ ไม่ถูกดูดกลืนโดยระบบฯ แสงนี้เร่งเร้าให้อะตอมหรือโมเลกุลคายพลังงานก่อนเวลา แสงที่เปล่งออกมากับแสงที่เร้าจึงออกมาจากระบบพร้อมกันมีพลังงานเท่ากัน และมีความพร้อมเพรียงกันทั้งทิศทางการเคลื่อนที่และเฟสของคลื่นแสง
[กลับหัวข้อหลัก]

เมื่อเกิดการเปล่งแสงแบบถูกเร้าในเนื้อวัสดุที่ใช้ทำเลเซอร์ โดยที่อะตอมหรือโมเลกุลของเนื้อวัสดุนั้นอยู่ในสภาพถูกกระตุ้น (Excited States) แสงที่เคลื่อนที่ผ่านเนื้อวัสดุนั้น จะเร้าให้เกิดการคายแสงมากขึ้นตามลำดับ ความเข้มของแสงจึงเพิ่มขึ้น ในทางควันตัมฟิสิกส์ (Quantum Physics) ได้มีการนิยามว่า แสงคือก้อนพลังงานเรียกว่า โฟตอน (Photon) เมื่อโฟตอนเคลื่อนที่ผ่านเนื้อวัสดุที่อยู่ในสภาพถูกกระตุ้น จำนวนโฟตอนจะเพิ่มขึ้นตามลำดับ

จำนวนโฟตอนที่เกิดขึ้นจากการเปล่งแสงแบบถูกเร้านี้จะต้องมีมากพอ จึงจำเป็นต้องมีการขยายสัญญาณแสง โดยให้แสงวิ่งกลับไปกลับมาผ่านเนื้อวัสดุเลเซอร์หลายๆ ครั้ง โดยใช้กระจก ๒ ชิ้น ที่วางขนานกันที่ปลายทั้งสองเพื่อสะท้อนแสงกลับไปมา กระจก ๒ ชิ้นที่ขนานกันนี้เรียกว่า แควิตี้แสง (Optical Cavity) ซึ่งทำหน้าที่ขยายสัญญาณแสงเพื่อให้มีความเข้มสูงจนเกิดเกน (Gain) เอาชนะความสูญเสีย (Loss) ของระบบและได้ลำแสงเลเซอร์พุ่งออกทางด้านกระจกที่มีการสะท้อนแสงไม่ถึง ๑๐๐%

[กลับหัวข้อหลัก]

          เลเซอร์โดยทั่วไปประกอบด้วยองค์ประกอบสำคัญ ๓ ส่วน ได้แก่
          ๑. เนื้อวัสดุที่ใช้เป็นตัวกลางเลเซอร์ (Laser Medium)
          ๒. การปั๊มพลังงานให้แก่เนื้อวัสดุที่เป็นตัวกลางเลเซอร์ให้มีสภาพถูกกระตุ้น (Energy Pumping)
          ๓. แควิตี้แสงเพื่อขยายสัญญาณแสง
[กลับหัวข้อหลัก]

          แสงเลเซอร์เกิดขึ้นจากการเปล่งแสงถูกเร้าโฟตอนจึงมีความเป็นระเบียบสูง คลื่นแสงมีลักษณะที่พร้อมเพรียงกัน และเมื่อมีการขยายสัญญาณแสงด้วยแควิตี้แสง โฟตอนจึงมีจำนวนมาก หรือแสงมีความเข้มสูง และวิ่งในทิศทางที่แน่นอน คือตั้งฉากกับกระจกที่ใช้ทำเป็นแควิตี้เท่านั้น จึงมีลักษณะเป็นลำแสง หากเปรียบเทียบกับกองทหาร ก็เป็นหน่วยทหารที่มีระเบียบเดินแถวเป็นหน้ากระดานด้วยจังหวะการเดินที่พร้อมเพรียงกัน และก้าวเท่าๆ กัน เดินไปในทิศทางเดียวกัน

          ดังนั้นแสงเลเซอร์จึงมีคุณสมบัติเด่นหลักๆ ๔ ประการ คือ
          ๑. เป็นแสงสีเดียว (มีค่าความยาวคลื่นเดียว)
          ๒. มีเฟสเดียวกัน (มีหน้าคลื่น)
          ๓. มีทิศทางแน่นอน (เป็นลำแสง)
          ๔. มีความเข้มสูง (จำนวนโฟตอนต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่สูง)

          คุณสมบัติทั้ง ๔ นี้เรียกรวมๆ กันว่า คุณสมบัติโคฮีเร้นท์ (Coherent) เลเซอร์จึงเป็นแหล่งกำเนิดแสงแบบโคฮีเร้นท์ (Coherent Light Source) นั่นเอง จุดเด่นทั้ง ๔ นี้มีส่วนสำคัญที่ทำให้แสงเลเซอร์เกิดประโยชน์ในด้านประยุกต์ เช่น การที่แสงเลเซอร์มีค่าความยาวคลื่นที่แน่นอนจึงทำให้เลเซอร์ถูกใช้เป็นมาตรฐาน และใช้ในงานที่ต้องการความแม่นยำสูง ได้แก่ การวัดระยะทางหน้าคลื่นที่เป็นระเบียบของแสงเลเซอร์ถูกนำมาใช้เพื่อบันทึกข้อมูลของภาพสามมิติ ลักษณะเป็นลำแสงมีประโยชน์ต่อการนำร่อง การสื่อสารและความเข้มสูงของแสงเลเซอร์ มีที่ใช้งานด้านเจาะตัด เชื่อมวัสดุได้ รวมทั้งการผ่าตัดด้วยแสงเลเซอร์ในด้านการแพทย์อีกด้วย

[กลับหัวข้อหลัก]



	สนุก!ความรู้ > ห้องสมุดความรู้ > สารานุกรม > สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ เล่มที่ 20 > เลเซอร์