เลเซอร์

เลเซอร์

                กลศาสตร์ควอนตัมของชเรอดิงเงอร์และไฮเซนเบอร์กได้ทำให้เราเข้าใจสเปกตรัมของระบบของอะตอมและโมเลกุลดีขึ้นมาก และทำให้มีเทคโนโลยีการประยุกต์ที่มนุษย์ไม่เคยนึกถึงได้ในสมัยก่อนๆ เช่น แสงเลเซอร์ ซึ่งเป็นแสงที่ไม่มีในธรรมชาติ เป็นแสงพิเศษที่นักฟิสิกส์สร้างขึ้นมาก เป็นแสงที่มีความเข้มสูงมาก มากกว่าแสงที่เคยพบเห็นในธรรมชาติ นอกจากนั้นยังมีความถี่เดียวและเป็นแสงอาพันธ์ (coherent) สามารถทำให้ลำแสงขนานที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กมาก แสงเลเซอร์ยังถูกออกแบบให้เกิดแสงอย่างต่อเนื่อง หรือทำให้เกิดในช่วงเวลาที่สั้นมากระดับ 10^{-12}      วินาที สรุปว่าเลเซอร์เป็นแสงที่มนุษย์สร้างขึ้นและควบคุมได้ (Controllable man made light)

                เลเซอร์ (Laser) ในภาษาอังกฤษได้จากการนำอักษรแรกของคำ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation มารวมกันปัจจุบันนี้สามารถจะทำให้กำเนิดแสงเลเซอร์ได้หลายวิธี เช่นใช้ของแข็งที่เป็นผลึก แก๊ส ของเหลว หรือสารกึ่งตัวนำ และนำไปใช้งานได้หลากหลายรูปแบบ อย่างไรก็ตามเลเซอร์ทุกชนิดก็ทำงานด้วยหลักการเช่นเดียวกัน และบางกรณีใช้เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสง

                หลักการทำงานของเลเซอร์สามารถอธิบายได้โดยใช้แบบจำลองพลังงานที่มีสามสถานะ (Three Level Model) ดังนี้ เมื่อเลเซอร์ทำงานอิเล็กตรอนในอะตอมจากสถานะพื้น (1) ถูกกระตุ้นโดยพลังงานภายนอก เช่น แสง ไฟฟ้า ให้มีพลังงานสูงขึ้น ไปยังสถานะถูกกระตุ้นที่ไม่เสถียร (3) ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนไปอยู่ที่สถานะ (3) ชั่วขณะมันจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสงธรรมดาที่ไม่ใช่แสงอาพันธ์ เมื่ออิเล็กตรอนสูญเสียพลังงาน มันจะตกลงมาอยู่ที่สถานะถูกกระตุ้นกึ่งเสถียร (2) (meta-stable state) อิเล็กตรอนจะอยู่สถานะนี้ได้นานพอประมาณ ซึ่งเป็นลักษณะสำคัญของสถานะที่ทำให้เกิดเลเซอร์

รูป 19.52 สถานะทั้งสามที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของเลเซอร์

 

                เมื่ออิเล็กตรอนจากสถานะ (2) กลับมาที่สถานะพื้น (1) มันจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสง กลไกในเครื่องเลเซอร์ประกอบด้วยกระจกพิเศษ 2 บาน (บานหนึ่งสะท้อน 100% อีกบานสะท้อนไม่ถึง 100% แต่ให้ทะลุผ่านได้บ้าง) จะสะท้อนแสงกลับไปมาในเครื่อง ทำให้อะตอมตัวอื่นที่อยู่ในสถานะ (2) ปลดปล่อยแสงออกมาเสริมแสงเดิมที่ไปกระตุ้นทำให้ได้แสงในทิศเดียวกันที่มีความเข้มสูง เป็นแสงอาพันธ์ที่มีความถี่เดียวและเฟสตรงกัน นั่นคือแสงเลเซอร์

                หลังจาก Mainman สามารถสร้างแสงเลเซอร์ได้เป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1960 เลเซอร์ก็ได้รับการพิสูจน์ว่ามีประโยชน์มากมาย เช่น ในงานวิจัยวิทยาศาสตร์ ในการแพทย์หรือเป็นเครื่องใช้ในบ้านเรือนเช่นเครื่องเล่นแผ่นซีดี (CD) ที่ต้องใช้เลเซอร์ในการอ่านรหัสดิจิตอล การใช้แสงเลเซอร์ที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งคือ การสื่อสารสมัยใหม่ ที่สามารถส่งสัญญาณจำนวนมากผ่านตามเส้นใยนำแสงไปยังปลายทางโดยใช้เลเซอร์เป็นคลื่นพา (carrier wave) จึงทำให้สัญญาณโทรทัศน์หลายสัญญาณสามารถเดินทางในเส้นใยนำแสงเดียวกันได้ คุณสมบัติพิเศษของเลเซอร์อีกประการหนึ่งคือ เป็นแสงความยาวคลื่นเดียว สามารถทำให้เป็นแสงขนานลำเล็กได้