เลเซอร์(LASER)
เลเซอร์ มาจากคำภาษาอังกฤษ LASER เป็นคำที่เกิดจากการเอาอักษรตัวหน้าของ LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED OF RADIATION มารวมกัน เลเซอร์ จึงหมายถึงการขยายของแสงโดยการกระตุ้นให้ปล่อยรังสีออกมา แสงเลเซอร์เป็นแสงที่มีความเข้มและพลังงานสูงมากมีความกว้างของลำแสงแคบมาก สามารถจะรวมลำแสงส่องมายังจุดเดียวกันได้ สามารถนำไปใช้ประโยชน์ต่างๆได้มากมาย แสงจากต้นกำเนิดที่เปล่งออกมา เช่น จากดวงไฟจะกระจายออกมารอบๆมีหลายสีหรือหลายความถี่รวมกัน แต่แสงเลเซอร์ไม่เหมือนแสงอื่น เพราะแสงเลเซอร์แผ่ออกมาจากต้นกำเนิดไปในทิศทางเดียวกันหมด และมีความถี่เดียวมีเฟสเดียวกัน แสงเลเซอร์จึงเป็นแสงอาพันธ์(COHERENT LIGHT) เพื่อทำความเข้าใจในหลักการของเลเซอร์ให้พิจารณารูปที่ 2.1 ในรูปที่2.1ก. อิเล็กตรอนในสถานะพลังงานต่ำได้รับพลังงาน hv ที่พอเหมาะจากภายนอกจึงดูดกลืนพลังงาน แล้วขึ้นไปอยู่ในสถานะตื่นตัว รูปที่2.1 ข. อิเล็กตรอนในสถานะตื่นตัวคืนสู่สถานะปกติโดยแผ่รังสีออกมาตามปกติวิสัย(SPONTANEOUS EMISSION) ให้โฟตอนออกมารอบทิศ รูปที่ 2.1 ค. ตอนเริ่มแรกอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะตื่นตัว ต่อมาใส่โฟตอนพลังงาน hv ที่พอเหมาะจากภายนอกเข้าไป อะตอมในสถานะตื่นตัวถูกกระตุ้นให้แผ่รังสี (STIMULATED EMISSION) พลังงาน hv ออกมาทันทีในทิศทางเดียวกับโฟตอนที่มากระตุ้นโฟตอนทั้งสามมีความถี่เดียวกัน ทิศทางเดียวกัน เฟสตรงกันเป็นคลื่นอาพันธ์ ในภาวะปกติอะตอมจะมีอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะพลังงานต่ำสุดมากกว่าสถานะพลังงานสูง ดังนั้นเมื่อใส่โฟตอนพลังงานพอเหมาะเข้าไป ปรากฏการณ์ส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นจึงเป็นการดูดกลืนพลังงาน ทำให้อิเล็กตรอนขึ้นไปอยู่ในสถานะพลังงานสูงมากกว่าที่จะเป็นการกระตุ้นให้แผ่รังสี การกระตุ้นให้แผ่รังสีก็ต่อเมื่อในรูปที่ 2.1 ในตอนแรกอิเล็กตรอนจะต้องอยู่ในระดับพลังงานสูงมากกว่าในระดับพลังงานต่ำ อย่างไรก็ตามมีสารบางอย่างมีระดับพลังงานเหมาะที่จะก่อให้เกิดการกระตุ้นให้แผ่รังสีได้ รูปที่ 2.2 แสดงระดับพลังงานของสารดังกล่าว เมื่อฉายแสงความถี่พอเหมาะ(v2= E2 - E0 /h) [2] จากภายนอกเข้าไปอะตอมจะดูดกลืนพลังงาน ทำให้อิเล็กตรอนเปลี่ยนจากระดับ E0 ไปอยู่ที่ E2 อิเล็กตรอนจะอยู่ที่ E2 ได้ประมาณ 10-8 วินาที ก็จะคายพลังงานออกเพื่อกลับคืนสู่ระดับ E0 และ E1 ทันที เนื่องจากระดับ E1 เป็นระดับกึ่งเสถียร (METASTABLE) อิเล็กตรอนจะอยู่ในระดับนี้ได้นานกว่าสถานะตื่นตัวทั่วไป คือประมาณ 1 วินาที แล้วจึงคืนสู่ระดับ E0 ดังนั้นถ้าใช้แสงจากภายนอกสูบ(PUMP) อิเล็กตรอนอย่างรวดเร็ว อิเล็กตรอนจากระดับ E0 จะไปออกันอยู่ที่ระดับ E1 ถ้ามีแสงความถี่ v1= E1 - E0 /h [2] เข้ามาโฟตอนนี้จะไปกระตุ้นอิเล็กตรอนที่ E1 ให้กลับคืนสู่ E0 ทันทีพร้อมๆกัน ในที่สุดได้โฟตอนเป็นจำนวนมากในทิศทางเดียวกับโฟตอนที่มากระตุ้นเกิดเป็นแสงเลเซอร์ขึ้น วิธีการกระตุ้นให้แผ่รังสีนับเป็นหลักการสำคัญที่ใช้ในการผลิตแสงเลเซอร์
รูปที่ 1(ก) แสดงการดูดกลืนรังสี (ข) แสดงการแผ่รังสีตามปกติวิสัย (ค) แสดงการแผ่รังสีโดยการกระตุ้น
รูปที่ 2 แสดงระดับพลังงานของสารที่เหมาะเป็นต้นกำเนิดแสงเลเซอร์ (ก) แสดงการสูบอิเล็กตรอนจาก E1ฎ E2 (ข) แสดงการที่อิเล็กตรอนไปออกันอยู่ที่ E1 (ค) แสดงอิเล็กตรอนที่ E1 ถูกกระตุ้นให้แผ่รังสี
ปัจจุบันเราสามารถผลิตเลเซอร์ได้จากวัสดุหลายชนิด จากของแข็ง เช่น ทับทิม แก้ว ของเหลวก็มีพวกไนโตรเบนซิน จากแก๊สต่างๆ เช่น ฮีเลียม-นีออน เลเซอร์เครื่องแรกสร้างขึ้นในปี พ.ศ.2503 โดยเมนแมน(T.H. Mainman) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันโดยใช้ผลึกทับทิม(RUBY CRYSTAL)ซึ่งมีอะลูมิเนียมออกไซด์และอะตอมของโครเมี่ยมปนอยู่ด้วย เมนแมนได้ทำผลึกทับทิมให้เป็นแท่ง แล้วขัดปลายทั้งสองข้างให้เรียบและขนานกัน ด้านหนึ่งฉาบด้วยเงินให้เป็นกระจกเงาสะท้อนแสงได้เต็มที่ อีกด้านหนึ่งฉาบไว้เพียงเล็กน้อยเพื่อให้สะท้อนแสงและในขณะเดียวกันให้เลเซอร์ทะลุไปได้รอบๆแท่งทับทิม มีหลอดไฟแฟลช(FLASH LAMP) พันโดยรอบดังรูปที่ 2.3 ระดับพลังงานของอะตอมโครเมี่ยมซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ แสดงไว้ในรูปที่ 2.4 เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไป หลอดไฟแฟลชจะลุกสว่างวาบขึ้น อะตอมของโครเมี่ยมจะดูดพลังงานของแสง ทำให้อิเล็กตรอนขึ้นไปอยู่ที่ระดับ E2 แล้วคายพลังงานส่วนหนึ่งมาอยู่ที่ E1 แล้วจึงคายพลังงานที่เหลือลงสู่สถานะพลังงานต่ำสุด E0 ให้แสงสีแดงความยาวคลื่น 6943 อังสตรอมออกมา[2] โฟตอนความยาวคลื่น 6943 อังสตรอมนี้จะสะท้อนกลับไปกลับมาระหว่างกระจกเงา แล้วไปกระตุ้นอะตอมโครเมี่ยมที่ยังอยู่ในระดับ E1 ให้ปล่อยโฟตอนต่อไปอีก ได้โฟตอนความยาวคลื่น 6943 อังสตรอมเป็นจำนวนมาก แสงที่สะท้อนกลับไปมาหลายๆครั้งเมื่อปล่อยออกมาทางด้านที่ฉาบเงินไว้เพียงเล็กน้อย จะเป็นแสงเลเซอร์ที่มีเฟสเดียวกันหมด เป็นลำแสงขนานที่มีความเข้มสูงมาก เนื่องจากแสงจากเครื่องกำเนิดเลเซอร์มีความถี่สูง เมื่อโฟกัสให้ไปรวมกันเป็นจุดเล็กๆจะเป็นแสงที่มีกำลังหลายล้านวัตต์ ซึ่งพลังงานสูงมากนี้สามรถเจาะทะลุเพชรให้เป็นรูเล็กๆได้ สามารถใช้เชื่อมและตัดโลหะแข็งๆได้ แสงเลเซอร์เป็นลำตรงสามารถนำมาใช้ประโยชน์ในการสำรวจต่างๆเช่น วางแนวสะพานซึ่งจะทำให้ผิดไปน้อยมาก ใช้ในทางการแพทย์ เช่น ผ่าตัดนัยน์ตา และอื่นๆอีกมาก
รูปที่ 3 แสดงการผลิตเลเซอร์จากผลึกทับทิม
รูปที่ 4 แสดงระดับพลังงานของอะตอมโครเมี่ยม
หากใครสนใจจะแลกลิ้งค์เมล์มาได้เลยครับ.
