เลเซอร์คืออะไร? หลักการสร้างเลเซอร์

เลเซอร์เป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญของมนุษยชาติ รู้จักกันในชื่อ "แสงที่สว่างที่สุด" ในชีวิตประจำวัน เรามักเห็นการใช้งานเลเซอร์หลากหลายรูปแบบ เช่น เลเซอร์เพื่อความงาม การเชื่อมด้วยเลเซอร์ เครื่องดักยุงด้วยเลเซอร์ และอื่นๆ วันนี้เราจะมาทำความเข้าใจเกี่ยวกับเลเซอร์และหลักการเบื้องหลังการสร้างเลเซอร์กันอย่างละเอียด

เลเซอร์คืออะไร?

เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้เลเซอร์ในการสร้างลำแสงพิเศษ เลเซอร์สร้างแสงเลเซอร์โดยการป้อนพลังงานจากแหล่งกำเนิดแสงภายนอกหรือแหล่งพลังงานเข้าไปในวัสดุผ่านกระบวนการแผ่รังสีแบบกระตุ้น

เลเซอร์เป็นอุปกรณ์ทางแสงที่ประกอบด้วยตัวกลางที่ใช้งาน (เช่น แก๊ส ของแข็ง หรือของเหลว) ที่สามารถขยายแสงได้ และตัวสะท้อนแสง ตัวกลางที่ใช้งานในเลเซอร์มักจะเป็นวัสดุที่เลือกและผ่านกระบวนการแล้ว และคุณลักษณะของวัสดุนั้นจะเป็นตัวกำหนดความยาวคลื่นของเลเซอร์ที่ได้

แสงที่เกิดจากเลเซอร์มีลักษณะเฉพาะหลายประการ:

ประการแรก เลเซอร์เป็นแสงเอกรงค์ที่มีความถี่และความยาวคลื่นที่แน่นอนมาก ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการทางด้านทัศนศาสตร์พิเศษบางประการได้

ประการที่สอง เลเซอร์เป็นแสงที่สอดคล้องกัน และเฟสของคลื่นแสงมีความสม่ำเสมอมาก ซึ่งสามารถรักษาความเข้มของแสงให้คงที่ได้ในระยะทางไกล

ประการที่สาม เลเซอร์เป็นแสงที่มีทิศทางสูง มีลำแสงแคบมาก และสามารถโฟกัสได้อย่างยอดเยี่ยม ซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อให้ได้ความละเอียดเชิงพื้นที่สูง

เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสง

หลักการกำเนิดแสงเลเซอร์

การสร้างเลเซอร์เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางกายภาพพื้นฐานสามประการ ได้แก่ การแผ่รังสีแบบกระตุ้น การปล่อยรังสีแบบเกิดขึ้นเอง และการดูดซับแบบกระตุ้น

Sรังสีที่กระตุ้น

การแผ่รังสีแบบกระตุ้นเป็นหัวใจสำคัญของการสร้างเลเซอร์ เมื่ออิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงถูกกระตุ้นด้วยโฟตอนอีกตัวหนึ่ง มันจะปล่อยโฟตอนที่มีพลังงาน ความถี่ เฟส สถานะโพลาไรเซชัน และทิศทางการแพร่กระจายเดียวกันในทิศทางของโฟตอนนั้น กระบวนการนี้เรียกว่าการแผ่รังสีแบบกระตุ้น กล่าวคือ โฟตอนสามารถ "สร้าง" โฟตอนที่เหมือนกันได้อีกตัวหนึ่งผ่านกระบวนการแผ่รังสีแบบกระตุ้น จึงทำให้เกิดการขยายแสงได้

Sการปล่อยโดยธรรมชาติ

เมื่ออิเล็กตรอนของอะตอม ไอออน หรือโมเลกุลเปลี่ยนสถานะจากระดับพลังงานสูงไปสู่ระดับพลังงานต่ำ มันจะปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานจำนวนหนึ่งออกมา ซึ่งเรียกว่าการปล่อยโฟตอนแบบเกิดขึ้นเอง การปล่อยโฟตอนดังกล่าวเป็นแบบสุ่ม และไม่มีความสอดคล้องกันระหว่างโฟตอนที่ปล่อยออกมา ซึ่งหมายความว่าเฟส สถานะโพลาไรเซชัน และทิศทางการแพร่กระจายของโฟตอนเหล่านั้นล้วนเป็นแบบสุ่ม

Sการดูดซึมที่ถูกกระตุ้น

เมื่ออิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานต่ำดูดซับโฟตอนที่มีความแตกต่างของระดับพลังงานเท่ากับระดับพลังงานของตัวมันเอง อิเล็กตรอนนั้นจะถูกกระตุ้นให้มีระดับพลังงานสูงขึ้น กระบวนการนี้เรียกว่า การดูดซับแบบกระตุ้น (stimulated absorption)

ในเลเซอร์นั้น โดยทั่วไปจะใช้โพรงเรโซแนนซ์ที่ประกอบด้วยกระจกขนานสองบานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการแผ่รังสีแบบกระตุ้น กระจกบานหนึ่งเป็นกระจกสะท้อนแสงทั้งหมด และอีกบานหนึ่งเป็นกระจกสะท้อนแสงบางส่วน ซึ่งสามารถยอมให้แสงเลเซอร์บางส่วนผ่านไปได้

โฟตอนในตัวกลางเลเซอร์จะสะท้อนไปมาระหว่างกระจกสองบาน และการสะท้อนแต่ละครั้งจะสร้างโฟตอนเพิ่มขึ้นผ่านกระบวนการแผ่รังสีแบบกระตุ้น ทำให้เกิดการขยายแสง เมื่อความเข้มของแสงเพิ่มขึ้นถึงระดับหนึ่ง เลเซอร์จะถูกสร้างขึ้นผ่านกระจกสะท้อนแสงแบบกึ่งทึบ