การทำงานของเลเซอร์

 

img1.gif

ะดับพลังงานของอะตอมแบบ 2 ระดับ

 

 การทำงานของเลเซอร์พิจารณาระดับพลังงาน (energy level)  ของอะตอม (หรือโมเลกุล) 2 ระดับ คือ อิเล็กตรอนในอะตอมนั้นมีพลังงาน E1  และ E2  โดยที่ E1< E2 ดังแสดงในรูป

ถ้าอิเล็กตรอนในอะตอมอยู่ที่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่าคือ E1  เมื่อมีโฟตอนที่มีพลังงาน  hf = E2 - E1  มาตกกระทบอะตอม  โฟตอนจะถูกดูดกลืน   แล้วอิเล็กตรอนในอะตอมจะถูกกระตุ้น (excite) จากระดับพลังงาน E1 ให้ไปอยู่ที่ระดับพลังงานที่สูงกว่าคือ  E2   ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่า การดูดกลืนพลังงาน (absorption)  ดังแสดงในรูปข้างล่าง

 



 
        การดูดกลืนพลังงาน                                   การปล่อยโฟตอนโดยธรรมชาต

 
   

         

                                                             

           candy_green.gif อิเลคตรอนในอะตอมจะอยู่ที่ระดับพลังงาน E2 ชั่วขณะหนึ่ง  แล้วสลายกลับมาอยู่ที่ระดับพลังงาน E1 ตามเดิม  โดยการปล่อยโฟตอนออกมา

            candy_green.gifในทางกลับกัน  ถ้าอิเล็กตรอนในอะตอมอยู่ที่ระดับพลังงาน E2  มันจะหวนกลับมาสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า E1 และปล่อยโฟตอนหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา  
 การปล่อยโฟตอนโดยวิธีนี้เป็น การปลดปล่อยโฟตอนแบบธรรมชาติ   โฟตอนที่ปล่อยออกมาจะมีทิศทางไม่แน่นอน ดังรูป

 การปล่อยโฟตอนแบบธรรมชาติ (spontaneous emission)

          อย่างไรก็ตามในปี ค.ศ. 1917  ไอน์สไตน์  ได้พบว่าการปล่อยโฟตอนมีได้ 2 แบบ  คือ นอกจากแบบธรรมชาติที่เรารู้จักกันดีแล้ว   ยังมีอีกแบบหนึ่งที่เรียกว่าการปลดปล่อยโฟตอนแบบกระตุ้น  โฟตอนที่ปล่อยออกมาจะมีทิศทางแน่นอน   และมีความเข้มสูง   เพราะจำนวนโฟตอนที่ปล่อยออกมาจะมีจำนวนเพิ่มขึ้น

 การปล่อยโฟตอนแบบกระตุ้น (stimulated emission)

           ถ้าอะตอมเมื่อตอนเริ่มต้น (intial state) อยู่ที่ระดับพลังงาน E2  และมีโฟตอนจากภายนอกที่มีความถี่  มากระตุ้นอะตอม   ในที่สุดอะตอมจะกลับสู่ระดับพลังงาน E1  และขณะเดียวกันจะปล่อยโฟตอนออกมา 1 ตัว  ซึ่งรวมกับตัวเดิม 1 ตัว   กลายเป็นมีโฟตอน 2 ตัว   ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่าการปล่อยโฟตอนแบบกระตุ้น

      หลักสำคัญในการปล่อยโฟตอนแบบกระตุ้น  มี 2 ประการ  คือ

                               ประการแรก   พลังงานของโฟตอนตัวที่ 2  ที่เกิดจากการกระตุ้นจะมีพลังงานเท่ากับโฟตอนตัวแรกที่มากระตุ้น (stimulating photon)  ซึ่งทำให้เกิดการปล่อยโฟตอน  นั่นคือ ความถี่ (หรือความยาวคลื่น) ของโฟตอนทั้งสองเท่ากัน   และใน....
                               
ประการที่ 2   โฟตอนทั้งสองจะมีเฟสเดียวกัน  คือ  อาพันธ์ (coherent) กัน


        บทสนทนาระหว่างโอบีวันกับอนาคิน
        เรื่องอะตอมกับแสงเลเซอร์

        โอบีวัน   : อนาคิน เคยเรียนวิชาฟิสิกส์พื้นฐานมาบ้างแล้ว เธอทราบได้ไหมว่า แสงมีผลอย่างไรกับอะตอม
        อนาคิน : จำได้ดีครับ  เมื่อแสงหรือโฟตอน กระทบกับอะตอม  จะทำให้อิเล็กตรอนที่โคจรอยู่รอบนิวเคลียส ยกระดับพลังงานสูงขึ้น  และเปลี่ยนวงโคจรเป็นวงโคจรระดับสูง  ซึ่งสภาวะนี้ เรียกว่า  อะตอมถูกกระตุ้น (stimulated atom)  เมื่อการกระตุ้นจากภายนอกหยุดลง อิเลคตรอนจะกลับเข้าสู่วงโคจรปกติ  และปลดปล่อยพลังงานหรือแสงออกมา
         
        โอบีวัน   : ถูกเผลงเลย  แต่ไอสไตน์ เคยกล่าวไว้เมื่อ 60 ปีก่อนว่า  มีบางสิ่งบางอย่างเกิดขึ้น  ให้เธอลองปรับความสว่าง โดยการเพิ่มอัตราการปล่อยอนุภาค (Rate) ของแหล่งกำเนิดแสง  ซึ่งจะทำให้อนุภาคของแสงพุ่งออกมาด้วยความเร็วที่สูงมาก  สังเกตให้ดี  เธอจะได้เห็นอะไรแปลกๆ เกิดขึ้น
         
        อนาคิน : โอ! จริงด้วยครับ  เมื่อยิงโฟตอนกระทบเข้ากับอะตอมจะทำให้อะตอมเรืองแสงขึ้นมา  และดูเหมือนว่าเมื่อถูกกระทบอีกครั้ง  อะตอมจะปล่อยโฟตอนออกมาเองด้วย
         
        โอบีวัน   : อนาคิน  เธอเห็นทิศทางของโฟตอนไปทางไหนล่ะ
         
        อนาคิน : โอ!  ผมสังเกตว่าเมื่ออัตราการยิงยังไม่มากพอ  อนุภาคที่พุ่งออกมีทิศทางไม่แน่นอน  แต่เมื่ออัตราการยิงมากขึ้นอนุภาคที่พุ่งออกจะมีทิศทางเดียวกันกลับอนุภาคที่พุ่งเข้ามาครับ
         
        โอบีวัน   : อนาคินเป็นนักสังเกตที่เยี่ยมมาก  ทั้งหมดที่เธอเห็นเป็นหัวใจของการเกิดแสงเลเซอร์  เมื่อโฟตอนเข้าชนกับอะตอม  จะทำให้อะตอมอยู่ในสภาวะถูกกระตุ้น  ตอนนี้ยังไม่มีอะไรเกิดขึ้น  และเมื่อมันถูกพุ่งชนอีกครั้ง   อะตอมจะปลดปล่อยโฟตอนใหม่ออกมา  มีลักษณะเหมือนกับโฟตอนที่พุ่งเข้าชนและมีสีเดียวกัน  ถ้ามีพลังงานมากพอจะพุ่งออกมาในทิศทางเดียวกัน  เราเรียกกระบวนการนี้ว่า  การปล่อยโฟตอนแบบกระตุ้น (Stimulated emission)


         โฟตอน กระทบเข้ากับอะตอมที่อยู่ในสถานะกระตุ้น


        อะตอมปลดปล่อยโฟตอนใหม่ เหมือนกับโฟตอนที่พุ่งเข้ามา

        อนาคิน : โอ!  ผมเห็นโฟตอน 2 ตัว เคลื่อนที่ไปด้วยกัน  ตัวแรกเป็นโฟตอนที่พุ่งเข้าชน  อีกตัวเป็นโฟตอนของอะตอมที่ปลดปล่อยออกมา  โฟตอนทั้งสองเหมือนกันทุกประการ  ถ้าเป็นเช่นนั้น  อะตอมก็ทำหน้าที่เหมือนเครื่องซีรอกซ์เลยซิครับ
         
        โอบีวัน   : ใช่แล้ว  ดังนั้นโฟตอนที่เหมือนกัน จะถูกทำให้เพิ่มขึ้นตลอดเวลา หรือพูดอีกนัยหนึ่ง คือถูกขยายขึ้นนั่นเอง คำว่าขยาย หรือ โตขึ้น  ในภาษาอังกฤษใช้คำว่า แอมพลิฟาย (Amplified) คำว่า เลเซอร์ (laser) ย่อมาจาก คำว่า laser amplification by stmulated emission of radidtion  ไม่ทราบว่าจะแปลเป็นไทยให้สละสลวยได้อย่างไร
         
        อนาคิน :  ขอบคุณครับ  ผมจะจำเอาไว้
         
        โอบีวัน   : ในทางฟิสิกส์  เราเชื่อได้ว่า แสงเป็นไปได้ทั้งอนุภาคและคลื่น  การอธิบายแบบอนุภาค  เราได้ทำไปแล้วตั้งแต่เบื้องต้น  แต่ถ้าแสงเป็นคลื่น การอธิบายต้องเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง  โดยที่คลื่นแสงเมื่อพุ่งเข้าชนกับอะตอมที่ถูกกระตุ้น  อะตอมจะปลดปล่อยพลังงานออกมาเสริมเข้ากับคลื่นที่พุ่งเข้าไป  ทำให้คลื่นที่ได้ออกมามีแอมพลิจูดสูงขึ้น หรือทำให้พลังงานของคลื่นเพิ่มขึ้นนั่นเอง

<<ย้อนกลับ    ถัดไป>>

 

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล