หลักการเบื้องต้นของเลเซอร์


เลเซอร์ฟิสิกส์

            องค์ประกอบที่สำคัญในการทำให้เกิดแสงเลเซอร์  มีดังนี้

               1.  วัสดุที่ต้องการการกระตุ้นให้ปล่อยแสงเลเซอร์  (อาจเป็นของแข็ง ของเหลว แก๊สหรือสารประกอบ)  ซึ่งเรียกว่า  ตัวกลางเลเซอร์ (laser medium) หรือตัวกลางทำงาน (working medium หรือ active medium)
               
2.  การทำให้เกิดการกลับประชากร (population inversion) ในตัวกลางทำงาน  โดยกระบวนการที่เรียกว่า  การปั๊มเลเซอร์ (laser pumping)
               
3.    กระบวนการที่ทำให้เกิดการแกว่งกวัดเลเซอร์ (laser oscillation)  เพื่อเพิ่ม (amplify)  ความเข้มของกระบวนการปล่อยโฟตอนแบบกระตุ้นจนสามารถมีแสงเลเซอร์ออกมาได้  กระบวนการนี้ใช้กระจกเลเซอร์  ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวทำให้เกิดความสั่นพ้อง ดังรูปที่แสดงข้างล่างนี้

                ถ้า  N0 = จำนวนอะตอมที่ระดับพลังงาน  E0  หรือสถานะพื้น (ground state)
                      N1 = จำนวนอะตอมที่อยู่ในสถานะกระตุ้น (excited state)

การปั๊มเลเซอร

                เมื่อ  N1 > N0  เรียกว่าเกิดการกลับประชากร

             การปั๊ม ก็คือการให้พลังงานแก่อะตอมหรือโมเลกุลของตัวกลางแอคทีฟ  เพื่อทำให้อะตอมหรือโมเลกุลถูกกระตุ้นจากสถานะพื้นฐานไปยังสถานะกระตุ้น  

dia_green.gif ประชากรปกติ  จำนวนอะตอมที่สถานะพื้นจะมีจำนวนมากกว่าจำนวนอะตอมที่สถานะกระตุ้น

dia_green.gif การเกิดการกลับประชากร  จำนวนอะตอมที่สถานะกระตุ้นจะมีจำนวนมากกว่าจำนวนอะตอมสถานะพื้น

 

                 การปั๊มเลเซอร์มีหลายวิธี เช่น

      • ใช้แสงไฟฉาย  เรียกว่า  ออพติกปั๊ม
      • ใช้ไฟฟ้า  เรียกว่า  การปล่อยทางไฟฟ้า

dia_green.gif  ถ้าตัวกลางเลเซอร์เป็น

  • แก๊ส                   ก็จะเป็นแบบเลเซอร์แก๊ส
  • ของแข็ง            ก็จะเป็นแบบเลเซอร์ของแข็ง
  • ของเหลว           ก็จะเป็นแบบเลเซอร์ของเหลว
  • สารกึ่งตัวนำ   ก็จะเป็นแบบเลเซอร์สารกึ่งตัวนำ

    และ
    M1 เป็นกระจกด้านหลังของเลเซอร์ซึ่งสะท้อนแสงเลเซอร์ได้ 100%  
    ส่วน
    M2  เป็นกระจกหน้าหรือด้านที่ปล่อยให้แสงเลเซอร์ออกจากเครื่อง  จะสะท้อนแสงได้ประมาณ 60-99%

 

 ในเลเซอร์แต่ละชนิดจะใช้กระจก M1   และ M2 แตกต่างกันไป  กล่าวคือกระจก M1  และ M2   จะต้องเคลือบด้วยสารไดอิเล็กตริก  หรือโลหะเพื่อให้
สะท้อนแสงเลเซอร์เฉพาะที่มีความยาวคลื่นที่ต้องการเท่านั้น  เช่น  ในกรณีของฮีเลียม-นีออนเลเซอร์  ถ้าต้องการแสงสีแดงที่ความยาวคลื่น  632.8 nm   
ก็จะต้องเคลือบกระจก
M1  ให้สะท้อนแสงสีแดงที่ความยาวคลื่นนี้ได้ 100%  และกระจก M2  ให้สะท้อนแสงสีแดงได้ประมาณ 98%  เป็นต้น

 เมื่อเราให้พลังงานแก่ตัวกลางเลเซอร์   อะตอมหรือโมเลกุลของตัวกลางจะถูกปั๊มหรือถูกกระตุ้นจากสถานะพื้น    ให้ไปอยู่ที่สถานะกระตุ้นแล้วจะปล่อยโฟตอน
ออกมาเพื่อกลับสู่สถานะพื้น   ซึ่งการปล่อยโฟตอนแบบนี้เป็นการปล่อยตามธรรมชาติ   โดยที่โฟตอนถูกปล่อยออกมาในทิศต่างๆ คือบางตัวอาจจะออกมาทางด้านข้าง
ซึ่งจะผ่านออกมาโดยเปล่าประโยชน์   แต่บางตัวจะมีทิศทางขนานกับแกนของตัวกลางเลเซอร์   ซึ่งผ่านออกมาแล้วจะตกกระทบกระจกเลเซอร์  
M1  และ M2    
แล้วสะท้อนกลับเข้าไปในตัวกลางเลเซอร์อีก     ซึ่งจะไปกระตุ้นอะตอมซึ่งอยู่ที่สถานะกระตุ้นให้ปล่อยโฟตอนโดยวิธีการปล่อยโฟตอนแบบกระตุ้นอีก    จึงเห็นได้ว่า
โดยวิธีนี้จำนวนโฟตอนจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ  ดังแสดงในรูปข้างล่าง

dia_green.gif  จากหลักการดังกล่าวนี้  กระจกเลเซอร์จะทำหน้าที่สะท้อนโฟตอนให้เคลื่อนที่กลับไปกลับมาระหว่างกระจก M1 และ  M2  เพื่อทำให้เกิดการขยายเพิ่มจำนวนโฟตอนโดยวิธีการปล่อยแบบกระตุ้น  จนกระทั่งถึงจุดที่เกิดการแกว่งกวัดเลเซอร์  ลำแสงเลเซอร์ก็จะถูกปล่อยผ่านออกมาทางกระจก M2  จะเห็นว่าโฟตอนที่ถูกสะท้อนจากกระจกเลเซอร์เข้าไปในตัวกลางเลเซอร์   เพื่อทำให้เกิดการปล่อยโฟตอนแบบกระตุ้นนั้น   อะตอมหรือโมเลกุลของตัวกลางจะต้องอยู่ที่สถานะกระตุ้นอยู่แล้วในจำนวนที่มากกว่าจำนวนอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่ไม่ได้ถูกกระตุ้น   นั่นคือตัวกลางอยู่ในสภาวะที่เกิดการกลับประชากรนั่นเอง....


บทสนทนาระหว่างโอบีวันกับอนาคิน
เรื่องการเกิดการกลับของประชากร
การสร้างแสงเลเซอร์


อนาคิน : อาจารย์ครับ  จากบทเรียนที่แล้วมาเราเริ่มกันตั้งแต่โฟตอน 1 ตัว พุ่งเข้าชนกับอะตอมที่อยู่ในสถานะถูกกระตุ้น 1 ตัว และได้โฟตอนเหมือนกันออกมา 2 ตัว เมื่อกระทำไปซ้ำๆ หลายๆ ครั้ง  เราจะได้โฟตอนที่เหมือนกันเพิ่มขึ้น  นั่นก็คือแสงเลเซอรใช่ไหมครับ
 
โอบีวัน   : ถูกเผลงเลย  
 
อนาคิน : ผมเกิดปัญหาขึ้นมาแล้วครับ  เราทำให้อะตอมอยู่ในสถานะกระตุ้นได้โดยใส่โฟตอนจากภายนอกเข้าไป  ตอนนี้เราเสียโฟตอนไปตัวหนึ่งแล้ว  เมื่อใส่โฟตอนใหม่เข้าไป  พุ่งชนเข้ากับอะตอม จะได้โฟตอนออกมา 2 ตัว เป็นโฟตอนของอะตอมที่คายออกมากับโฟตอนที่พุ่งเข้าไป  สรุปได้ก็คือ ยิงโฟตอนเข้าไปสอง  ได้โฟตอนออกมาสอง ไม่มีโฟตอนเพิ่มขึ้นมาเลยนี่ครับ
 
โอบีวัน   : อนาคิน  เธอถามได้เยี่ยมมาก   เพราะที่เราพูดถึงการทดลองและอธิบายกันมาเป็นเพียงอะตอมเดี่ยว  จึงไม่มีอะไรซับซ้อนมากนัก  เธอลองคิดดูซิว่าภายในหลอดเลเซอร์หลอดหนึ่งนี่  มีจำนวนอะตอมนับเป็นล้านล้านอะตอม  อะไรจะเกิดขึ้นภายในล่ะ...
 
อนาคิน : โอ!  ผมเริ่มมองเห็นภาพแล้วครับ  ถ้าเรามีอะตอมเป็นจำนวนมากที่อยู่ในสถานะถูกกระตุ้น  และยิงโฟตอนเข้าไปเพียงตัวเดียว  อะตอมที่ถูกยิงจะให้โฟตอนออกมาและไปกระตุ้นให้อะตอมตัวอื่นปล่อยโฟตอน  ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้โฟตอนออกมาอย่างมากมาย  ผมคิดถูกไหมครับอาจารย์
 
โอบีวัน   : ถูกต้อง  โดยปกติถ้าอะตอมยังไม่ได้ถูกกระตุ้นระดับวงโคจรของอิเลคตรอนจะอยู่ในสถานะต่ำสุด   ครูจะเปรียบเทียบปรากฏการณ์นี้เหมือนกับคนกลุ่มหนึ่งกำลังดูเกมฟุตบอล  ที่ไม่มีเหตุการณ์ใดตื่นเต้น  จึงเป็นเกมในช่วงที่น่าเบื่อ  พวกเขาจะง่วงเหงาหาวนอน  และดูแบบซึมๆ  แต่เมื่อเกมฟุตบอลถึงจังหวะเข้าทำประตู  พวกเขาจะอยู่ในสภาวะที่ถูกกระตุ้น  เปลี่ยนไปดูแบบตื่นเต้นเร้าใจ...

อนาคิน : โอ!  ผมเห็นภาพพจน์ที่อาจารย์เปรียบเทียบเลยครับ
 
โอบีวัน   : ดีมาก  ที่นี้เรากลับมาที่อะตอม  ถ้าเราทำให้อะตอมทั้งหมดถูกกระตุ้นขึ้นพร้อมๆ กัน เท่ากับยกประชากร หรืออิเล็คตรอนจำนวนมหาศาลขึ้นสู่พลังงานชั้นสูง  เพียงเรายิงโฟตอนไม่กี่ตัวเข้าไป  จำนวนประชากรจะกลับเข้าสู่สภาวะพลังงานต่ำ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การเกิดการกลับของประชากร (Popular inversion)  ปลดปล่อยพลังงานเป็นแสงเลเซอร์ออกมา
 
อนาคิน :  เราจะทำให้อะตอมทั้งหมดถูกกระตุ้นขึ้นได้พร้อมกันอย่างไรครับ
 
โอบีวัน   : เราสามารถทำได้หลายวิธี  เช่น ใส่พลังงานทางไฟฟ้าเข้าไป หรือฉายแสงที่มีพลังงานสูงให้กับอะตอมการทดลองข้างล่างนี้เป็นการปั๊มพลังงานให้กับอะตอมโดยการฉายแสง
 
อนาคิน :  โอ...ผมเห็นแล้วครับ  อะตอมที่ถูกกระตุ้นจะให้โฟตอนออกมา  และเมื่อให้ออกมาแล้วจะกลับเข้าสู่สถานะพลังงานต่ำ  รอการพุ่งเข้าชนเข้าโฟตอน  ซึ่งเราถูกกระตุ้นใหม่  เป็นวัฏจักรตลอดเวลา  โฟตอนที่ได้ออกมาไปทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่  กระตุ้นให้อะตอมอื่นปลดปล่อยโฟตอนออกมาอย่างต่อเนื่อง  แต่ผมสังเกตเห็นว่า  โฟตอนที่ได้ออกมาข้างบนไม่มีระเบียบเลยล่ะ
 
โอบีวัน   : การพุ่งออกมาไม่มีทิศทางนี้  ทำให้เราได้แสงเลเซอร์ที่มีพลังงานไม่มากพอ  นำไปใช้ประโยชน์ไม่ได้ถ้าเราจะนำแสงเลเซอร์ไปใช้ประโยชน์  ลำแสงจะต้องพุ่งไปในทิศทางเดียว  และเราจะทำอย่างไรละ?

    การสร้างแสงเลเซอร์

    อนาคิน :  ถ้าเป็นเช่นนี้เราจะได้แสงเลเซอร์ที่มีพลังงานสูงได้อย่างไรครับ
     
    โอบีวัน   : เราจะใช้เทคนิคพิเศษหนึ่ง  โดยการเพิ่มกระจกระหว่างอะตอม  เมื่อเราปั๊มพลังงานให้กับอะตอม  จะเกิดการกระตุ้นของอะตอมจำนวนมาก  และได้โฟตอนออกมาจำนวนหนึ่ง  โฟตอนจะสะท้อนอยู่ระหว่างกระจก มีพลังงานเพิ่มขึ้นเรื่อย  รอจนมีพลังงานมากพอจึงพุ่งผ่านกระจกเป็นแสงเลเซอร์ออกมาใช้งาน  เราเคยกล่าวมาแล้วว่า แสงเป็นไปได้ทั้งอนุภาค (particle) และคลื่น (wave) ดังนั้นการอธิบายจึงทำได้ทั้งสองแบบ
     
    อนาคิน :  ขอบคุณครับท่านอาจารย์  ผมเข้าใจอย่างนี้ไม่ทราบว่าจะถูกต้องหรือเปล่าครับ  ถ้าพลังงานภายนอกที่ปั๊มให้มากเพียงพอ  จะได้จำนวนโฟตอนมากขึ้นเรื่อยๆ สะท้อนอยู่ระหว่างกระจก  ถ้าเราคิดว่าแสงเป็นคลื่น  ลูกคลื่นจะมีแอมพลิจูดสูงขึ้น   ทุกๆ การสะท้อนครั้งหนึ่ง  และถ้าเราคิดว่าแสงเป็นอนุภาค  จำนวนอนุภาคจะเพิ่มขึ้นทุกๆ การสะท้อน  เมื่อพลังงานมากขึ้นถึงระดับหนึ่ง  แสงจะสามารถทะลุผ่านกระจกได้
    โอบีวัน   : เธอเข้าใจถูกแล้ว...อนาคิน   กระจกทั้ง 2 ข้าง ข้างซ้ายฉาบด้วยเงิน  แสงสะท้อนได้ 100 %  ส่วนข้างขวาฉาบด้วยเงินบางๆ  และยอมให้แสงสะท้อนได้เพียง 60-99%  
     
    อนาคิน :   แสงเลเซอร์ที่ได้  ทำไมจึงมีกำลังมากครับ  อย่างเช่น สามารถตัดเหล็กได้
     
    โอบีวัน   :  แสงเลเซอร์จะสะท้อนไปมาอยู่ระหว่างกระจก  จนมีกำลังมากพอแล้ว  จึงสามารถพุ่งผ่านกระจกออกมา นำไปใช้งานได้
     
    อนาคิน :   ผมเคยใช้เลเซอร์พอยเตอร์ (Laser pointer)  ขายอยู่ที่ห้างบิ๊กซี อันละสองร้อยกว่าบาท  เมื่อกดปุ่มที่ตัวพอยเตอร์  จะได้แสงเลเซอร์ออกมาทันทีเลย  ตัวอย่างที่อาจารย์อธิยายตอนต้น  กว่าจะได้แสงเลเซอร์น่าที่จะต้องใช้เวลาซักระยะหนึ่งให้แสงสะท้อนไปมาก่อน
     
    โอบีวัน   :  การทำให้อะตอมอยู่ในสถานะที่ถูกกระตุ้น   และทำให้เกิดแสงเลเซอร์ขึ้น  ใช้เวลาสั้นมากๆ แต่ในการทดลองที่เราสร้างขึ้นมาเพื่อใช้ในการอธิบาย  เป็นภาพช้า (slow motion) ที่แสดงการเกิดทุกขั้นทุกตอน  จึงไม่ใช่เวลาจริง  เพราะของจริงเร็วกว่านี้นับเป็นล้านๆ เท่า ..นะอนาคินศิษย์รัก


    <<ย้อนกลับ    ถัดไป>>

 

 

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล