Home arrow บทความฟิสิกส์ arrow แสงเลเซอร์
Home    Contacts



แสงเลเซอร์ PDF พิมพ์
 

แสงเลเซอร์เป็นสิ่งที่นิยมกันมากไม่ว่าจะเป็น concert  ของนักร้องต่างๆมักจะมีแสงเลเซอร์ประกอบ (แต่โดนคนแล้วน่าจะขาดกระจุยนะ) ในหนัง เช่น ในเรื่อง starwars มีหลายฉากที่ใช้ดาบเลเซอร์ต่อสู้กัน บางคนคงเคยสงสัยว่า ทำไมแสงของดาบเลเซอร์มันถึงได้ยาวแค่นั้น แถมฟันกันได้เหมือนดาบธรรมดานี่เอง  แล้วมันเอาพลังงานเอาจากไหนฟะ...อุลตราแมนหลายตัวก็สามารถปล่อยแสงเลเซอร์ได้

งั้นเรามาศึกษาถึงแสงเลเซอร์กัน

คุณสมบัติของแสงเลเซอร์


ลักษณะเด่นที่สำคัญของแสงเลเซอร์คือ การเป็น Coherent Light คุณสมบัติของ coherency นี้ทำให้แสงเลเซอร์ทำงานได้แตกต่างไปจากแสงทั่ว ๆ ไป เนื่องจากเป็นแสงที่มีลักษณะสมบัติเฉพาะตัว ง่ายต่อการระบุแยกออกจากแสงอื่น ๆ ที่เป็นแบ็คกราวด์ ความเป็นระเบียบของคลื่นส่งผลให้เกิดคุณสมบัติอีกหลาย ๆ อย่างตามมา เช่นการมีแสงสีเดียว (Monochromatic) การมีทิศทางที่แน่นอน (Directionality) และมีความเข้มสูง (High Intensity) การนำเอาแสงเลเซอร์ไปใช้ประโยชน์นั้นจึงอาจอาศัยคุณสมบัติเด่น ๆ เหล่านี้อย่างใดอย่างหนึ่ง หรือหลาย ๆ อย่างรวม ๆ กัน

 

 Coherency  คืออะไร


Coherency คือความเป็นระเบียบของคลื่น คลื่นจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันโดยมีเฟสเหมือนกัน (In Phase) จึงมีหน้าคลื่น (Wave Front) พร้อมกันเปรียบเสมือนกับแถวทหารที่เดินเป็นระเบียบเป็นหน้ากระดานพร้อม ๆ กัน 
คลื่นที่เป็นระเบียบย่อมมีพลังงาน และโมเมนตัม เพราะพลังงานและโมเมนตัมของโฟตอนแต่ละตัวจะเสริมกัน และมี Impact ในทิศทางเดียวกัน ถ้าจะเปรียบเทียบกับความพร้อมเพรียงของฝีพายเรือ ถ้าฝีพายเรือมีความพร้อมเพรียงกันดี และออกแรงเท่า ๆ กัน ย่อมสามารถนำเรือวิ่งไปได้เร็วกว่าฝีพายที่แจวกันคนละทีสองทีไม่พร้อมกัน ถึงแม้จะมีฝีพายบางคนที่มีแรงพายมากก็ตาม Coherency จึงเป็นสิ่งที่ทรงพลัง และมีประสิทธิภาพด้วย และเป็นคุณสมบัติที่เด่นของแสงเลเซอร์

นักเรียนก็ควรจะทำตัวเป็น Coherency  ในการทำกิจกรรมต่างๆ เช่น   Coherency  โดยการพร้อมใจกันนอนในคาบเรียนอย่างเป็นระเบียบ จะมีพลัง ครูจะเห็นได้ก็ให้รู้ไป ฮ่าๆๆๆ...ล้อเล่น  หรือการเดินขบวนนี่ก็เป็น Coherency   ทางสังคมอย่างหนึ่ง

สรุปมาถึงตรงนี้ว่าแสงเลเซอร์ต่างจากแสงธรรมดาคือมันมีระเบียบนั่นเอง เป็นลำตรงไม่บานปลายเหมือนแสงไฟฟ้า(นอกจากเราจะบังคับมัน)  นึกถึงแสงเลเซอร์ในภาพยนต์ดูจะรู้


ในอุดมคติ เราต้องการให้คลื่นแสงที่อยู่ใน Optical Cavity มี Coherency ดีอย่างสมบูรณ์แบบ แม้เมื่อแสงนั้นออกจากตัวเลเซอร์และเคลื่อนที่ไปในบรรยากาศ หรือตัวกลางอื่นใดแล้วก็ตาม แต่ในทางปฏิบัติ คลื่นแสงที่วิ่งผ่านตัวกลางของเลเซอร์ หรือตัวกลางอื่น ๆ แล้วมักเกิด Interaction กับวัตถุเหล่านั้น อาจสูญเสียพลังงานโมเมนตัมหรือเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ไปบ้าง ทำให้ความเป็น Coherency ลดน้อยลงได้ ระยะทางที่แสงยังคงความเป็น Coherency ได้สมบูรณ์แบบนี้เรียกว่าความยาวโคฮีเรนท์ (Coherent Length)

 แสงที่วิ่งผ่านเนื้อวัตถุแต่ละชนิดจะมีความยาวโคฮีเรนท์ไม่เท่ากัน ขึ้นกับชนิดของวัตถุ (เหมือนกรณีที่สั่งทหารหนึ่งกองร้อย..วิ่งบนถนนแล้วสั่งให้วิ่งลงในหล่มโคลน  ความเป็นระเบียบจะเปลี่ยนไป..และพอสั่งให้ทหารกองร้อยนั้นวิ่งผ่านสถานอบ-อาบ-นวด แผนโบราณ...ทหารกองร้อยนั้นอาจจะแตกกระบวนไปเลยก็ได้ 555555.......)

 ปริมาณจุดบกพร่องในเนื้อสาร และความสม่ำเสมอของเนื้อสาร ด้วยเหตุนี้ตัวกลางของเลเซอร์จึงมีความยาวจำกัด เช่นแท่งทับทิม แท่งผลึกแยค หรือแท่งแก้วที่ใช้ทำเลเซอร์จะมีความยาวที่เหมาะสมต้องเป็นผลึกที่สมบูรณ์แบบ มีจุดบกพร่องน้อย 

จะเห็นว่าผลึกมาเกี่ยวกับเลเซอร์แล้ว..หรือนัยหนึ่งเลเซอร์เกี่ยวกับผลึก

ผลึกเหล่านี้ จึงมักต้องเป็นผลึกที่เตรียมขึ้นในห้องปฏิบัติการ (Artificial Grown Crystal) เพราะผลึกที่เกิดเองตามธรรมชาติมีจุดบกพร่องมากเกินไป... ทำให้มีค่าความยาวโคฮีเรนท์สั้นเกินกว่าที่จะนำมาทำเป็นตัวกลางของเลเซอร์ได้ ส่วนตัวกลางเลเซอร์ที่เป็นก๊าซ จะมีความสม่ำเสมอของเนื้อสารมากกว่า จึงสามารถออกแบบให้มีขนาดยาวได้เพื่อที่จะได้กำลังเลเซอร์สูง แต่ก็มีความหนาแน่นของเนื้อสารน้อยกว่าตัวกลางที่เป็นของแข็งมาก เนื้อสารของตัวกลางเลเซอร์ที่มีความสม่ำเสมอดี และมีความหนาแน่นของเนื้อสารสูงด้วย ได้แก่ของเหลว Dye Laser จึงเป็นเลเซอร์ที่มีขนาดไม่ยาวนัก แต่ให้กำลังต่อความยาวหนึ่งหน่วยของตัวกลางได้สูง ซึ่งเป็นจุด Compromise ระหว่างเลเซอร์ของแข็งและก๊าซ

ศัพท์พวกนี้จะเอาบรรยายตอนหลัง ถ้ามีเวลาและโอกาส

(เนื้อหาส่วนข้างล่างนี้นี้เหมาะกับนักเรียน ม .ปลาย เด็ก ม. ต้นอาจข้ามไปได้ แต่อ่านไปก็ไม่ผิดกฏหมาย)


 การทดลองของยังค์ (Young's Experiment)
เราจะมีวิธีการใดที่จะพิสูจน์ว่าแสงชนิดใดเป็น Coherent Light การทดลองที่มีชื่อเสียงอันหนึ่งที่สามารถใช้พิสูจน์ข้อเท็จจริงนี้ได้ ได้แก่ การทดลองของ Young ซึ่งเป็นการทดลองทางแสงที่ชี้ให้เห็นถึงผลลัพท์ที่เกิดขึ้นเมื่อมีการจัดระเบียบของคลื่น Young ได้ทำการทดลองนี้กับแสงจากหลอดไฟธรรมดา ซึ่งเป็น Incoherent Light มีลักษณะเป็น Point Source และเป็นแสงที่ประกอบไปด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นต่าง ๆ การทดลองได้จัดทำขึ้นดังรูป

(แว๊ก...รูปหาย รอก่อนนะ...ไปหล่นอยู่แถวไหนนี่)


หลอดไฟธรรมดาที่ให้แสงขาว จะประกอบด้วยแสงหลายสีด้วยความยาวคลื่นขนาดต่าง ๆ การกระจายของแสงก็ออกไปทุกทิศทุกทาง จึงไม่มีความเป็นระเบียบของคลื่นอยู่ เมื่อนำฉากที่มีรูแสง (S1 และ S2) มาตั้งขวางไว้ แสงที่ผ่านรูปทั้งสองนี้ย่อมไม่มีความสัมพันธ์กันเลย การสอดแทรก (Interference) จะไม่เกิดขึ้นบนฉากที่ตั้งไว้หลังรูแสงทั้งสองนั้นแต่อย่างไร ดังแสดงในรูป แต่เมื่อ Young นำเอาฉากที่มีรูแสงเดี่ยว (S0) มาตั้งขวางเสียก่อน แสงที่ผ่านรูแสง S0 นี้จะเป็นแสงที่ถูกจัดให้มีความเป็นระเบียบขึ้น เพราะมีการปะปนของคลื่นแสงต่าง ๆ น้อยลง เมื่อแสงนี้ผ่านรูแสดง S1 และ S2 บนฉากอันต่อไป แสงที่ผ่านรูทั้งสองนี้จะมีลักษณะเหมือนกัน จึงเกิดการสองแทรกซึ่งกันและกันได้ และให้ Interference Pattern บนฉากที่ตังไว้รับแสง การทดลองนี้พิสูจน์ให้เห็นว่าแสงที่มีระเบียบของคลื่นจะสองแทรกกันได้ หากแสงเลเซอร์เป็น Coherent Light และมีความเป็นระเบียบของคลื่นอยู่แล้ว เมื่อผ่านรูแสง S1 และ S2 โดยมิต้องผ่าน S0 ก็ควรจะเกิด Interference Pattern ขึ้นบนฉากรับแสง และผลลัพท์นี้ก็เกิดขึ้นจริงดังการทดลองในรูป และเนื่องจากแสงเลเซอร์มีคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งคือ มีความเข้มสูงมาก ดังนั้น Interference Pattern ที่ได้จึงคมชัดมากเมื่อเทียบกับกรณีที่ใช้หลอดไฟธรรมดา


ด้วยหลักการของ Young นี้เอง แม้จะไม่ใช้รูแสงใด ๆ เลย ถ้ามีแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ 2 แหล่ง หรือมีวิธีการแบ่งลำแสงออกเป็นสองส่วนไม่ว่าจะใช้กระจกที่เป็น Half Mirror หรือ Prism แสงเลเซอร์ 2 ลำสามารถสอดแทรกซึ่งกันและกัน ทำให้เกิด Interference Pattern ได้ หากแสงเลเซอร์อันหนึ่งอันใดมีข้อมูลแฝงไว้ด้วย Interference Pattern นั้นก็จะเป็นภาพบันทึกข้อมูลเหล่านั้นได้ ซึ่งเป็นหลักการที่ใช้กับ Holography ซึ่งจะมีรายละเอียดในบทต่อ ๆ ไป ภาพของ Interference Pattern นี้จะมีขนาดใหญ่ มีความเข้มสูง ให้ลวดลายของการสองแทรกอย่างชัดเจน เมื่อเทียบกับกรณีที่ต้องฝ่ายรูแสง จึงมีประโยชน์ในงานด้านต่าง ๆ มากมาย

 

อา..มึนซซซซซ...!!!!!!!


 แสงสีเดียว (Monochromaticity)
แสงเลเซอร์มีคุณสมบัติเป็นแสงสีเดียว (Monochromatic Light) เพราะเป็นแสงที่เปล่งออกมาจากการเปลี่ยนชั้นพลังงานที่เป็นชั้นพลังงานเดี่ยว (Discrete Energy Levels) ในระบบอะตอมหรือโมเลกุล ความถี่ของแสงมีค่าแน่นอนตามผลต่างของชั้นพลังงานทั้งสอง และยังมีส่วนในการเร้าให้เกิด Stimulated Emission โดยอาศัยกลไกของการขยายสัญญาณแสงด้วย Optical Cavity จึงเกิดแสงที่มีความถี่เดียวกันอีกจำนวนมาก จึงเป็นเหตุผลที่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมแสงเลเซอร์จึงเป็นแสงสีเดียว
เมื่อเปรียบเทียบสเปคตรัมของแสงเลเซอร์กับแสงที่เปล่งจาก Black-body ที่อุณหภูมิ 3000 K จะเห็นข้อแตกต่างกัน
การที่แสงเลเซอร์มีคุณสมบัติเป็นแสงสีเดียวนี้เอง ทำให้พลังงานที่ป้อนให้กับระบบเลเซอร์ถูกนำออกมาใช้ในการสร้างแสงที่มีความถี่เดียวเท่านั้น ในขณะที่แหล่งกำเนิดแสงชนิดอื่น เช่น Black-body Radiator ต้องใช้พลังงานในการสร้างแสงที่มีความถี่ค่าต่าง ๆ กระจายกันออกไปตาม Planck Distribution หารเราตั้งสมมติฐานว่า พลังงานที่ป้อนให้แก่แหล่งกำเนิดแสงทั้งสองมีค่าเท่ากัน และประสิทธิภาพในการกำเนิดแสงของระบบมีค่าเท่ากันด้วย พื้นที่ภายใน Peak ที่มี สเปคตรัมแคบ ๆ ของแสงเลเซอร์ ดังนั้น Laser Peak จะสูงมาก จึงเป็นสาเหตุที่มาของการเป็นแสงที่มีความเข้มสูงที่ค่าความถี่ใดความถี่หนึ่ง

 การเป็นแสงสีเดียวจึงมีส่วนสัมพันธ์อย่างลึกซึ้งกับคุณสมบัติแสงความเข้มสูงของเลเซอร์...เหมือนเธอกับฉัน..ฉันกับเธอ.. 


เลเซอร์ของเหลว (Dye Laser) เป็นเลเซอร์ชนิดเดียวที่มีสเปคตรัมของแสงกว้างกว่าเลเซอร์ชนิดอื่น ๆ เพราะโมเลกุลของ Dye มีโครงสร้างของชั้นพลังงานที่สลับซับซ้อนจึงมีลักษณะเป็นชั้นพลังงานที่มีค่าต่อเนื่องกันเป็นแถบพลังงาน การเปลี่ยนชั้นพลังงานของเลเซอร์ (Laser Transition) ในเลเซอร์ชนิดนี้จึงมีโอกาสได้หลายค่า โฟตอนที่เกิดขึ้นจึงมีพลังงานได้หลายเท่า หรือมีสีหลายสีนั่นเอง เลเซอร์ของเหลวจึงเป็นเลเซอร์ที่ปรับความยาวคลื่นได้ (Turable Laser) และมีช่วงในการเปลี่ยนสีตามชนิดของ Dye ที่ใช้


สีของแสงเลเซอร์มีครอบคลุมสเปคตรัมตั้งแต่อุลตราไวโอเลต จนถึงอินฟาเรดเช่น ในช่วงอุลตราไวโอเลต ได้แก่ เลเซอร์เอกไซเมอร์ เลเซอร์ไนโตรเจน ซึ่งตามองไม่เห็น ในช่วงแสงที่ตามองเห็น (Visible Light) ได้แก่ เลเซอร์อาร์กอนซึ่งมีสีเขียว สีฟ้าเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน ซึ่งมีสีแดง เลเซอร์ทับทิมซึ่งมีสีแดง และในช่วงอินฟาเรด ได้แก่ เลเซอร์แยค เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งตามองไม่เห็นเช่นเดียวกัน เป็นต้น สีหรือค่าความยาวคลื่นที่มีค่าเดียวนี้จึงเป็นลักษณะสมบัติเฉพาะตัวของเลเซอร์แต่ละชนิด และมีประโยชน์ในการระบุแยกออกจากแสงแบล็คกราวด์ อื่น ๆ ได้ จึงเป็นประโยชน์เมื่อนำมาใช้งานในด้านต่าง ๆ  เช่น เอาไว้ปราบสัตว์ประหลาดต่างดาวที่มาทลายโลก เป็นต้น 

 การมีทิศทางที่แน่นอน (Directionality)
เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ให้แสงเป็นลำขนาน ขนาดของลำแสงดีเลิศมี Beam Divergence เพียงเล็กน้อย (แปลง่ายๆ ว่า ปลายแสงบานเล็กน้อย...)ลำแสงที่ขนานจึงมีทิศทางการเคลื่อนที่ที่แน่นอน  และชี้ไปยังทางเดียวกัน ยังเป้าที่ต้องการได้ จึงมีประโยชน์ทางด้านเรดาร์ และการใช้งานอื่น ๆ ที่ต้องอาศัยการมีทิศทางที่แน่นอน (Directionality) ของลำแสง ลำแสงที่ขนานอย่างสมบูรณ์แบบนี้หากนำไปโฟกัสเพื่อรวมแสงแล้ว จะได้จุดรวมแสงที่มีขนาดเล็กจิ๋วและความเข้มสูงมาก จึงมีประโยชน์ทางด้านการเจาะตัดวัสดุที่ต้องการความเที่ยงตรงสูง และรอยเจาะตัดที่คมชัด


สาเหตุที่ลำแสงเลเซอร์มี Directionality เพราะ โฟตอนที่มีทิศทางการเคลื่อนที่ในแกนแสง (Optical Axis) เท่านั้นที่จะถูกขยายสัญญาณเป็นแสงเลเซอร์ ดังนั้นแสงเลเซอร์จึงเป็นแสงที่อยู่ในแนวแกนแสง หรือตั้งฉากกับกระจกที่ใช้เป็น Optical Cavity แต่เนื่องจากกระจกที่ใช้ทำ Optical Cavity นี้มักเป็นกระจกเว้าที่มีจุดโฟกัสยาวพอสมควร เพื่อให้ Optical Cavity นั้นมีเสถียรภาพทางแสงดี ดังนั้นแสงเลเซอร์ที่หลุดพ้นจาก Cavity ออกมาจะมี Beam Divergence ดังที่กล่าวมาแล้วแต่ตอนต้น การบานออกของลำแสงเลเซอร์นี้น้อยมากเมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงชนิดอื่น เช่น ลำแสงเลเซอร์ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 10 มม. จะบานออกเป็น 10 ซม. ในระยะทาง 100 เมตร เท่านั้น  แต่ถ้าเป็นแสงธรรมดาไม่ต้องพูดถึง ลองนึกดูแสงจากไฟฉายก็แล้วกัน

 
 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >
สถิติผู้เยี่ยมชม: 31716155
ขณะนี้มี 259 บุคคลทั่วไป ออนไลน์

สมัครสมาชิก
เพื่อรับเอกสารเพิ่ม!