การแบ่งประเภทของเลเซอร์


         ปัจจุบันเราสามารถสร้างเลเซอร์โดยใช้ธาตุต่างๆ ได้มากมาย

                นอกจากธาตุบริสุทธิ์แล้ว  เราสามารถสร้างเลเซอร์ได้จากการผสมธาตุหรือสารประกอบของธาตุเหล่านี้ได้อีกมาก   แต่ในที่นี้จะกล่าวเฉพาะเลเซอร์ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเท่านั้น

          ดังที่ได้กล่าวแล้วว่า   เราแบ่งประเภทของเลเซอร์ตามชนิดของตัวกลางเลเซอร์ที่ใช้ออกเป็น 4 แบบ  ด้วยกันคือ

  • เลเซอร์แก๊ส (gas laser)
  • เลเซอร์ของแข็ง (solid state laser)
  • เลเซอร์ของเหลว (liquid laser)
  • เลเซอร์สารกึ่งตัวนำ (semiconductor laser)

                 เลเซอร์แก๊ส   ที่รู้จักกันดี  เช่น ฮีเลียม - นีออนเลเซอร์ , คาร์บอนไดออกไซด์เลเซอร์, ไนโตรเจนเลเซอร์  และซีนอนเลเซอร์  เลเซอร์แก๊สจะใช้วิธีกระตุ้นทางไฟฟ้า

                          เลเซอร์แบบก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (Co2 laser)
                
คาร์บอนไดออกไซด์เป็นก๊าซที่โมเลกุลประกอบด้วยอะตอมในลักษณะ O-C-O  จึงทำให้เกิดระดับชั้นพลังงานของการสั่นของอะตอมและเขียนไดอาแกรมของชั้นพลังงานได้ง่ายๆ  ดังรูป

 

                        เมื่อก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้รับพลังงานจากภายนอก   เช่น  โดยพลังงานไฟฟ้าหรือแสง  หรือพลังงานจลน์ของอนุภาคอิเล็กตรอนกำลังสูง (electron beam) โมเลกุลของก๊าซจะมีระดับชั้นพลังงานของการสั่นที่สูงขึ้น ( ระดับ E4 )   เมื่อมีการลดระดับพลังงานลงโดยการกระตุ้น   จะทำให้เกิดแสงเลเซอร์ที่มีช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรด คือ 10.6  กับ  9.6  ก่อนจะกลับลงสู่ระดับพื้น

                        ในเลเซอร์ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะมีก๊าซไนโตรเจนกับก๊าซฮีเลียมผสมอยู่ด้วย    โดยไนโตรเจนจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของการกระตุ้นพลังงานให้มีระดับชั้นพลังงานของการสั่นสูงขึ้น    ส่วนก๊าซฮีเลียมช่วยในการระบายความร้อน
                       เลเซอร์ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มีประสิทธิภาพทางทฤษฏีสูงสุดถึง 24%  สามารถออกแบบสร้างได้ง่าย   ให้กำลังสูงจะให้แสงแบบต่อเนื่องหรือแบบพลัส์ก็ได้
                       ตัวอย่างของวงจรไฟฟ้าเลเซอร์แบบ TEA (ย่อมาจาก Transverse excitation at atmospheric pressure)  ซึ่งใช้สนามไฟฟ้ากระตุ้นให้เกิดพลาสมาในก๊าซผสมในทิศทางขวางกับทิศทางของลำแสง  ที่ความดันบรรยากาศหรือมากกว่า   กำลังไฟฟ้าได้มาจากระบบคาพาซิเตอร์เก็บพลังงาน (energy storage capacitor bank)  ดังรูป

                  เลเซอร์แข็ง  ใช้แท่งวัตถุ  เช่น ผลึกทับทิม (ruby) แท่งแก้วนีโอดีเมียม (neodymium - glass)   และนีโอดีเมียม - แย๊ก (neodymium - YAG)  เลเซอร์แบบนี้จะใช้วิธีกระตุ้นโดยใช้แสงจากหลอดอาร์กอนหรือหลอดซีนอน    ซึ่งมีความยาวคลื่นที่เปลี่ยนแปลงได้ในช่วงอัลตราไวโอเลตถึงช่วงที่ตามองเห็น  เช่น.....

                        เลเซอร์แบบผลึกทับทิม (Ruby laser)   
                           ตัวกลางเป็นผลึกทับทิม (Al2O3)  ที่มีไอออน Cr3++  เจือปนอยู่   ไอออน  Cr3++    ทำให้ทับทิมมีสีชมพูแดง  จะสร้างผลึกเป็นแท่งรูปทรงกระบอก  การกระตุ้นพลังงานใช้โฟตอนจากปากหลอดไฟแฟลชรูปเกลียว  บรรจุด้วยก๊าซซีนอนที่ความดันต่ำ

                 เมื่อปล่อยพลังงานไฟฟ้าผ่านหลอดไฟแฟลชภายในเวลาอันสั้น    จะเกิดดิสชาร์จไฟฟ้าทำให้หลอดแฟลชปล่อยแสงแวบสีขาว (white light)  กระตุ้นผลึกทับทิมให้มีพลังงานสูงขึ้นที่แถบชั้นพลังงาน E2 , E3  แล้วเกิดการลดระดับพลังงานลงมามาอยู่ที่  E2  เมื่ออะตอมได้รับพลังงานกระตุ้นอีก   การเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานจาก  E2  → E1  จะได้แสงเลเซอร์ความยาวคลื่น 6943  ํ A

                      เพื่อให้โฟตอนที่ได้ออกมาอยู่ในทิศทางเดียวกัน    จะใช้กระจกคู่วางอยู่คนละด้านของผลึกทับทิมให้ขนานกัน   กระจกหลังฉาบด้วยเงินจะสะท้อนแสงกลับหมด   ส่วนกระจกหน้าจะฉาบเงินบางๆ เพื่อให้แสงผ่านได้บางส่วน  เลเซอร์จะเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนตัวแรกที่เกิดจากการเปลี่ยนพลังงาน   E2  → E1   จะถูกสะท้อนกลับโดยกระจกผ่านเข้าไปในผลึกอีกครั้งหนึ่ง    เพื่อกระตุ้นให้เกิดโฟตอนตัวต่อไป  และตัวต่อไปก็จะเกิดการกระตุ้นต่อเนื่องอย่างเป็นระเบียบ   ทำให้ได้แสงเลเซอร์มีความเข้มสูงผ่านออกมาทางกระจกหน้า

                      เลเซอร์แบบผลึกทับทิมจะให้แสงเป็นพัลส์ที่มีช่วงเวลาสั้นมาก (<) แต่อาจออกแบบให้ได้ความถี่ของพัลส์สูง   การใช้พลังงานกระตุ้นแบบต่อเนื่องจะทำให้ผลึกร้อนจัดและแตกสลายได้

                  เลเซอร์ของเหลว  เช่น ดายเลเซอร์ (dye laser)  ใช้สารละลายอินทรีย์  เช่น  rhodamine 6 G , chelate , oxazine และ ranthene  เป็นต้น

                  เลเซอร์สารกึ่งตัวนำ  ก็คือไดโอดซึ่งทำด้วยรอยต่อ พี-เอ็น  ที่มีขนาดเล็กมาก  เลเซอร์แบบนี้จะให้รังสีในช่วงความยาวคลื่นใกล้อินฟราเรค  คือ ประมาณ 800 - 900 nm  ตัวอย่างของเลเซอร์แบบนี้  ได้แก่  แกลเลียมอาร์เซไนด์

                  นอกจากเลเซอร์ 4 แบบ  ดังกล่าวนี้แล้ว   ยังมีเลเซอร์อีกหลายชนิดที่ได้รับการพัฒนาและค้นพบในภายหลัง  เช่น

                เอกไซเมอร์เลเซอร์ (excimer laser)  ซึ่งตัวกลางเลเซอร์ประกอบด้วยอะตอมของแก๊สหายาก (rare gas)  เช่น  Xe, Ar , Kr  และอะตอมของ halogen  หรือ halide  เช่น Cl, F, Br  ตัวอย่างของเลเซอร์แบบนี้ ได้แก่  XeF, XeCl, ArF, KrF   ซึ่งให้แสงในช่วงอัลตราไวโอเลต   เนื่องจากว่าตัวกลางเลเซอร์อยู่ในสภาวะของแก๊สหรือไอ   ดังนั้นจึงอาจจะจัดอยู่ในประเภทเลเซอร์แก๊สได้

                นอกจากนั้นยังมีเลเซอร์อื่น ๆ อีกที่ไม่สามารถจัดอยู่ในแบบใดแบบหนึ่งดังกล่าวได้  เช่น  เลเซอร์รังสีเอกซ์  และเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ  เป็นต้น  สำหรับเลเซอร์ที่ใช้ใในเชิงพาณิชย์และงานประยุกต์ได้แสดงในตารางข้างล่าง

เลเซอร์

ความยาวคลื่นหลัก (nm)

หมายเหตุ

Argon

488.0 nm, 514.5 nm

Multiline : ให้แสงหลายความยาวคลื่นในช่วง 351 - 528 nm

Carbon Dioxide

10,600 nm

 

Dye laser

300 - 1,000 nm

Tunable  ปรับความยาวคลื่นได้

Excimer

193 - 351 nm

 

Helium - Cadmium

442 หรือ 325 nm

 

Helium - Neon

632.8 nm

Other lines : มีหลายความยาวคลื่นที่ 543, 594, 652, 1152, and 3391 nm

Nitrogen

337 nm

 

Krypton

647 nm

Multiline : มีหลายความยาวคลื่น

Nd : YAG

1,064 nm

 

Ruby

694.3 nm

 

Semiconductor

780, 840, 904 nm

 

(diode)

(typ.)

Range :  มีหลายความยาวคลื่นจาก 700 - 1600 nm

การแบ่งประเภทของเลเซอร์ตามระดับที่สร้างความเสียหาย

 1. Excempt Lasers

- ไม่สามารถผลิตรังสีเลเซอร์ที่เป็นอันตราย

 2. Low-Power(Visble Continuous Wave) Lasers

-  ดวงตาจะเกิดความเสียหายหากได้รับรังสีเลเซอร์แบบต่อเนื่อง (Coutinuous Intrabeam)
- ดวงตาจะไม่เกิดความเสียหาย  หากได้รับรังสีเลเซอร์แบบชั่วขณะ (Momentary Intrabeam)

 3. Medium-Power Lasers

- ดวงตาจะเกิดความเสียหาย  หากได้รับรังสีเลเซอร์ ถึงแม้จะเป็นแบบชั่วขณะก็ตาม

 4. High-Power Lasers

- ผิวหนังและดวงตาจะเกิดความเสียหายหากได้รับสีจากเลเซอร์ทั้งแบบที่ได้รับโดยตรงหรือแบบชั่วขณะ   หรือรังสีแบบสะท้อน (Diffuse Reflection)

<<ย้อนกลับ   ถัดไป>>

 

 

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล