แสงเลเซอร์อยู่ในช่วงความถี่ใด

“ลำเลเซอร์” ย่อมาจากคำในภาษาอังกฤษว่า “light amplification by stimulated emission of radiation” เรียกสั้นๆ ว่า Laser สำหรับทางฟิสิกส์ คือหนึ่งในอุปกรณ์ที่เป็นแหล่งกำเนิดลำแสงที่มีความเฉพาะตัว เป็นการผสมผสานเทคโนโลยีระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมร่วมกับอุณหพลศาสตร์

พลังงานของแสงเลเซอร์จะมีคุณสมบัติที่หลากหลาย ขึ้นอยู่กับเป้าหมายในการออกแบบและการนำมาประยุกต์ใช้งาน โดยเลเซอร์ส่วนมากจะมีขนาดเล็ก พบการเบี่ยงเบนน้อย (low-divergence beam) ระบุความยาวของคลื่นแสงได้ง่าย ซึ่งดูได้จากสีของเลเซอร์เอง หากอยู่ในสเป็กตรัมที่ตาเปล่ามองเห็นได้ เรียกว่า “visible spectrum” หากเรานิยามความหมายของลำแสงเลเซอร์ให้เข้าใจได้ง่าย สิ่งนี้ก็คือ การรวมพลังแสงที่ส่งมาจากหลายความยาวคลื่นเข้ามารวมเป็นเส้นเดียวกัน

เลเซอร์อาจจะหมายความรวมไปถึงการที่พลังงานแสงวิ่งผ่านทางที่เป็นสื่อนำแสง โดยสื่อนำแสงสามารถเป็นได้ทั้งของแข็ง ของเหลว ก๊าซ ไปจนถึงอิเล็กตรอนในรูปอิสระ ที่มีคุณสมบัติสามารถนำแสงได้ โดยอยู่ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดคือ ออบติคอล คาวิตี้ (Optical cavity) ซึ่งจะประกอบด้วยกระจกทั้งหมด 2 อัน มีการจัดเรียงลำแสงเข้าด้วยกันครั้งแล้วครั้งเล่า แต่ละครั้งจะมีการผ่านสื่อนำแสง มีกระจกหนึ่งในนั้นทำหน้าที่เป็นตัวส่งลำแสงออกมา (Output coupler)

ตัวลำแสงเลเซอร์ที่ส่งผ่านไปยังสื่อนำแสง จะมีความยาวคลื่นแบบเฉพาะ มีพลังงานเพิ่มเข้ามา ทำให้กระพยายามที่จะกระตุ้นให้แสงส่วนมากส่องผ่านไปยังสื่อนำแสงออกมาเป็นลำแสงเลเซอร์ให้ได้ จากกระบวนการเหนี่ยวนำลำแสง ซึ่งจะช่วยเพิ่มพลังงาน ให้เกิดเป็นพลังงานไฟฟ้าหรือพลังงานแสงที่อยู่ในหลายความยาวคลื่น ความยาวคลื่นของแสงที่พบในแต่ละความยาวคลื่น จะมีการส่งผลโดยตรงต่อรูปร่าง คุณสมบัติและความยาวคลื่นของลำแสงเลเซอร์ที่ถูกสร้างขึ้น

ในการค้นคว้าวิจัยเกี่ยวกับลำแสงเลเซอร์ เกิดขึ้นครั้งแรกในเดือน พฤษภาคม ปี 1960 ด้วยฝีมือของ โอดอร์ ไมแมน (Theodore Maiman) ณ สถาบันวิจัย ฮิวจ์ (Hughes Research Laboratories)

คุณสมบัติของลำแสงเลเซอร์

1. มีคุณสมบัติที่มีทิศทางเดียวแน่นอน เรียกว่า “Directionality” ตัวลำแสงจะขนานไปในทิศทางเดียวกันตลอด แม้จะอยู่ระยะทางไกลแค่ไหน ไม่มีการบานส่วนปลายออกมา แต่ความเข้มของแสงเลเซอร์ก็จะลดลงตามระยะทาง
2. เป็นแสงจัดอยู่ในกลุ่มแสงเอกรงค์ (Monochromaticity) เนื่องจากแสงเลเซอร์จะมีความยาวคลื่นเพียงค่าเดียวเท่านั้น ต้นกำเนิดแสงที่เราพบในชีวิตประจำวัน ไม่ว่าจะเป็นหลอดไฟฟ้าหรือดวงอาทิตย์ จะเป็นสีขาว แต่หากนำไปผ่านปริซึม เราจะมองเห็นแสงสีต่างๆ แยกออกมา ส่วนแสงที่ต่อเนื่องจากสีม่วงไปจนถึงสีแดง ก็คือ “แถบสเปกตรัมของแสงเลเซอร์” เช่น เลเซอร์ฮีเลียม- นีออน หากให้แสงดังกล่าวส่องผ่านปริซึมจะไม่มีการแยกออกเป็นหลายๆ เส้น แต่จะเป็นเพียง 1 เส้นเช่นเดิม โดยมีระยะความยาวคลื่น 632.8 นาโนเมตร
3. ลำแสงเลเซอร์มีคุณสมบัติความเจิดจ้า (Brightness) ถือว่าเป็นลักษณะพิเศษที่มีความโดดเด่นแตกต่างจากแหล่งกำเนิดแสงชนิดอื่น อีกทั้งยังเป็นแสงที่มีความเข้มข้นสูง ลำแสงที่ตกกระทบกับวัตถุจะเกิดเป็นแสงที่มีความระยิบตา เรียกว่า “Laser Speackle” ยิ่งส่องกระทบกับวัตถุที่มีความหยาบ หรือในบรรยากาศที่เต็มไปด้วยฝุ่นละออง ควัน หรืออนุภาคแขวนลอย จะทำให้เกิดการสะท้อนกลับแบบไร้ทิศทางกับตัวอนุภาคหรือผิวของวัตถุนั้นๆ อีกทั้งยังสามารถเกิดการแทรกสอดของลำแสงจนเกิดเป็นความระยิบระยับขึ้นมา
4. เลเซอร์ฮีเลียม-นีออน ขนาด 1 mW แม้จะเป็นระดับลำแสงที่อยู่ในความเข้มข้นต่ำ แต่กลับมีความเข้มสูงมากกว่าแสงอาทิตย์ จึงเป็นอันตรายได้หากฉายเข้าดวงตาของมนุษย์โดยตรง เสี่ยงที่จะทำให้เกิดตาบอดเฉียบพลันได้เลยทีเดียว เลเซอร์ที่มีกำลังสูงอย่างมาก นิยมใช้ในด้านการทหาร และการตัดโลหะให้เป็นท่อน
5. เลเซอร์มีความเป็นอาพันธ์ (coherence) สังเกตในหลอดไฟฟ้าที่เปล่งแสงออกมาจะประกอบไปด้วยอะตอมขนาดเล็กจำนวนมาก โดยอะตอมเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นต้นกำเนิดแสงได้ดี ดังนั้นอะตอมจะมีการปล่อยแสงออกมาได้อย่างอิสระ แสงที่ปล่อยอกมาจะมีเฟสและความยาวคลื่นที่แตกต่างกันออกไป ไม่เพียงเท่านั้น คลื่นที่ปล่อยออกมาจะมีทิศทางไม่แน่นอน หรือจะเรียกได้ว่าเป็นแบบ random ก็ได้ ทั้งนี้แสงต้นกำเนิดมาจากแสงธรรมชาติ ที่เรียกว่า “แสงอินโคฮีเรนต์ (incoherence light)” เป็นต้นกำเนิดแสงเลเซอร์ที่จะให้แสงสีเดียวเท่านั้น ไม่ว่าจะอยู่ในคลื่นแสงใดก็ตาม จะอยู่ในเฟสเดียวกันทั้งหมด เราอาจเรียกแสงเลเซอร์ในอีกชื่อหนึ่งว่า แสงโคฮีเรนต์ (coherence light)

คุณสมบัติเด่นของแสงเลเซอร์ คือเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีการจัดคลื่นแสงได้อย่างเป็นระเบียบ ลำแสงมีความเข้มข้นสูง จึงเหมาะสำหรับนำมาใช้งานได้หลากหลายด้านเป็นอย่างมาก ไม่ว่าจะเป็นการตัด เชื่อม หรือเจาะ ด้วยความเข้มข้นมาก มีโฟกัสลำแสงขนาดเล็กเป็นเส้นเดียว ก็จะดัดแต่งวัสดุต่างๆ ได้ตามต้องการ เหมาะสำหรับชิ้นงานที่มีความละเอียดสูง และนิยมใช้เลเซอร์ที่มีกำลังสูง เช่น เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ เป็นต้น

ในอุตสาหกรรมยุคปัจจุบัน เลเซอร์ถูกนำมาใช้ในกระบวนการช่วยทำงานในด้านต่างๆ อย่างหลากหลาย และช่วยสร้างรายได้เพิ่มมากขึ้นหลายล้านดอลลาร์เลยทีเดียว เลเซอร์ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวาง ไม่เว้นแม้กระทั่งสิ่งเล็กๆ น้อยๆ รอบตัวเรา เช่น เครื่องเล่นดีวีดี เครื่องสแกนบาร์โค้ด หรืออุปกรณ์ตัดโลหะ เป็นต้น นอกจากนี้ยังใช้ทางด้านการแพทย์ การทหาร และการสร้างโฮโลแกรมสามมิติ ที่เรียกว่าเราจะต้องขอบคุณไอสไตน์และงานด้านควอนตัมที่ช่วยให้เข้าใจถึงอนุภาคพิเศษชนิดนี้ได้อย่างถ่องแท้มากที่สุด – ไทยเจริญเทค รับตัดเลเซอร์โลหะ เหล็ก อลูมิเนียม ฯลฯ

แสงคือ "คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า" ชนิดหนึ่ง "คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า" มีลักษณะตามมาตรฐานของ "ความยาวคลื่น" และเมื่อเริ่มจากที่มีความยาวคลื่นยาว จะแบ่งได้เป็น คลื่นวิทยุ รังสีอินฟราเรด แสงที่มองเห็นได้ รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์เรย์ และรังสีแกมมา

แสงที่มองเห็นได้คืออะไร

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่นอยู่ในระยะที่มนุษย์สามารถมองเห็นเรียกว่า "รังสีที่มองเห็นได้" ด้านฝั่งที่มีความยาวคลื่นสั้น รังสีที่มองเห็นได้มีความยาว 360 ถึง 400 nm ส่วนฝั่งที่มีความยาวคลื่นยาววัดได้ 760 ถึง 830 nm ความยาวคลื่นที่สั้นหรือยาวกว่า "รังสีที่มองเห็นได้" ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตามนุษย์

ความแตกต่างระหว่างแสงธรรมดาและลำแสงเลเซอร์

นี่เป็นความแตกต่างระหว่างแสงทั่วไป (โคมไฟ และอื่นๆ) และแสงเลเซอร์ เลเซอร์จะปล่อยลำแสงที่มีความแน่นอนของทิศทางสูง หมายความว่าองค์ประกอบของคลื่นแสงจะเดินทางด้วยกันเป็นเส้นตรง โดยแทบไม่มีองค์ประกอบใดออกนอกทิศทาง แหล่งกำเนิดแสงทั่วไปจะปล่อยคลื่นแสงที่กระจายออกทุกทิศทาง คลื่นแสงในลำแสงเลเซอร์เป็นสีเดียวกันทั้งหมด (คุณสมบัติที่เรียกว่า แสงสีเดียว) แสงทั่วไป (เช่น แสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์) มักเป็นส่วนผสมระหว่างสีต่างๆ ที่รวมกันจนปรากฏเป็นสีขาว
เมื่อคลื่นแสงในลำแสงเลเซอร์เดินทาง จุดสูงสุดและร่องคลื่นจะสั่นไปพร้อมกัน ลักษณะนี้เรียกว่า ความพร้อมเพรียง (Coherence) เมื่อนำลำแสงเลเซอร์สองลำมาซ้อนทับกัน จุดสูงสุดและร่องคลื่นแสงในแต่ละลำแสงจะเสริมกันและกันเพื่อสร้างรูปแบบการรบกวน

แสงธรรมดาแสงเลเซอร์มีทิศทางแน่นอน
(เดินทางเป็นเส้นตรง)

หลอดไฟ

เลเซอร์แสงสีเดียว (มีสีเดียว)

ความยาวคลื่นไม่สม่ำเสมอ

ความยาวคลื่นสม่ำเสมอความเป็นความพร้อมเพรียง

แสงธรรมชาติ

ยอดคลื่นและท้องคลื่นอยู่ในแนวตรงกัน

อะตอม (โมเลกุล) ดูดซับพลังงานจากภายนอก จะเลื่อนจากระดับต่ำ (สถานะพลังงานต่ำ) ไปสู่ระดับสูง (สถานะพลังงานสูง) สถานะนี้อธิบายได้ว่าเป็นสถานะถูกกระตุ้น
สถานะถูกกระตุ้นนี้เป็นสถานะที่ไม่เสถียร เพราะอะตอมอาจกลับไปสู่สถานะพลังงานต่ำได้ทันที ซึ่งเรียกว่า การเปลี่ยนสถานะ
เมื่อเกิดขึ้น แสงที่มีค่าเท่ากับความต่างของพลังงานจะถูกปล่อยออกมา ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การปล่อยพลังงานออกมาตามธรรมชาติ แสงที่ปล่อยออกมาเมื่อชนเข้ากับอะตอมอื่นๆ ที่อยู่ในสถานะถูกกระตุ้นเหมือนกัน จะทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะในแบบเดียวกัน แสงที่ปล่อยออกมานี้เรียกว่าแสงที่เกิดจากการกระตุ้นให้ปล่อยแสง

หลักการของเลเซอร์ออสซิลเลเตอร์

ส่วนนี้จะอธิบายถึงหลักการทำงานที่นำไปสู่การออสซิลเลเตอร์ของแสงเลเซอร์

1. การเร่งประจุ

เมื่อได้รับแสงจากแหล่งภายนอก อิเล็กตรอนจะดูดซับแสงและเปลี่ยนแปลงสถานะทางพลังงานจากสถานะไม่ถูกกระตุ้น (พลังงานต่ำสุด) เป็นสถานะถูกกระตุ้น (พลังงานสูงขึ้น) เมื่อพลังงานเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากวงโคจรปกติไปสู่วงโคจรที่มีระยะห่างขึ้น การเพิ่มพลังงานเช่นนี้เรียกว่า “การกระตุ้น”

สถานะของอะตอม

อะตอมที่อยู่ในสถานะพื้น

อะตอมที่อยู่ในสถานะถูกกระตุ้น

สถานะอิเล็กตรอน

2. การปล่อยพลังงานออกมาตามธรรมชาติ

อิเล็กตรอนในสภาวะถูกกระตุ้นจะเปลี่ยนไปตามระดับพลังงานที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นไปตามปริมาณของพลังงานที่ดูดซับได้ อิเล็กตรอนที่มีพลังงานเพิ่มขึ้นจะมีความเสถียรเมื่ออยู่ในสถานะคลายตัวเป็นระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งเป็นการคายพลังงานที่เพิ่มขึ้นเพื่อลดระดับกลับไปสู่สถานะพลังงานต่ำ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น จะมีการเปล่งแสงที่มีพลังงานเทียบเท่ากับพลังงานที่ปล่อยออกมา สิ่งนี้เรียกว่า การปล่อยพลังงานออกมาตามธรรมชาติ

สถานะของอะตอม

สถานะอิเล็กตรอน

3. การปล่อยพลังงานที่ถูกกระตุ้น

ตามที่ได้แสดงในภาพตัวอย่างด้านล่าง เมื่อแสงถูกส่งผ่านอิเล็กตรอนที่มีพลังงานในระดับเดียวกัน จะมีการสร้างโฟตอนของแสงที่มีพลังงาน เฟส และทิศทางที่เทียบเท่า ขึ้นเพิ่มเติม ในการปล่อยพลังงานที่ถูกกระตุ้น โฟตอนของแสงที่ถูกส่งผ่านจะปล่อยโฟตอนสองตัวเสมอ สิ่งนี้เรียกว่า การปล่อยพลังงานที่ถูกกระตุ้น
แสงที่ถูกกระตุ้นจะมีพลังงาน เฟส และทิศทางในการเคลื่อนที่เช่นเดียวกับแสงตกกระทบ การกระตุ้นและปล่อยพลังงานแสงในปริมาณมากจะทำให้แสงมีความเข้มสูงที่มีปัจจัยหลักทั้งสามนี้ แสงเลเซอร์จะถูกสร้างโดยกระตุ้นการเปล่งแสงเพื่อเพิ่มความเข้มแสงตกกระทบ ดังนั้น แสงเลเซอร์จึงมีสีเดียว (เนื่องจากพลังงานของแสงต้องเท่ากัน) มีความคงที่ (มีเฟสในแนวเดียวกัน) และมีทิศทางแน่นอน (เนื่องจากทิศทางในการเคลื่อนที่เป็นแนวเดียวกัน)

สถานะของอะตอม

สถานะอิเล็กตรอน

4. ปริมาณผกผัน

อิเล็กตรอนที่มีพลังงานหนาแน่นจะต้องมีปริมาณสูงกว่าอิเล็กตรอนพลังงานต่ำอย่างมากเพื่อออสซิลเลตลำแสงเลเซอร์ สิ่งนี้เรียกว่า ปริมาณผกผัน ปริมาณของโฟตอนแสงที่ยิงออกมาจะต้องมีจำนวนมากกว่าโฟตอนแสงที่ถูกดูดซับเพื่อให้การสร้างแสงเลเซอร์มีประสิทธิภาพ

ปริมาณผกผันของอิเล็กตรอน

• = อิเล็กตรอนพลังงานสูงจำนวนมาก
• = อิเล็กตรอนพลังงานสูงจำนวนน้อย

5. เลเซอร์ออสซิลเลชัน

เมื่ออิเล็กตรอนหนึ่งเปล่งแสงด้วยการปล่อยพลังงานออกมาตามธรรมชาติเนื่องจากปริมาณผกผัน แสงนั้นจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนอื่นเปล่งแสง และปริมาณของโฟตอนแสงจะเพิ่มขึ้นตามอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นใกล้เคียง ซึ่งทำให้เกิดแสงที่เข้มข้น สิ่งนี้เรียกว่า เลเซอร์ออสซิลเลชัน

แสงเลเซอร์จัดเป็นแหล่งกำเนิดใด

คุณสมบัติทั้ง 4 นี้เรียกรวมๆ กันว่า คุณสมบัติโคฮีเร้นท์ (Coherent) เลเซอร์จึงเป็นแหล่งกำเนิดแสงแบบโคฮีเร้นท์ (Coherent Light Source) นั่นเอง จุดเด่นทั้ง 4 นี้ มีส่วนสำคัญที่ทำให้แสงเลเซอร์เกิดประโยชน์ในด้านประยุกต์ เช่น การที่แสงเลเซอร์มีค่าความยาวคลื่นที่แน่นอน จึงทำให้เลเซอร์ถูกใช้เป็นมาตรฐาน และใช้ในงานที่ต้องการ ...

ยิงแสงเลเซอร์ คือ อะไร

LASER หรือที่ย่อมาจาก Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation มีความหมายตามตัวอักษรว่า “การเพิ่มปริมาณคลื่นแสงโดยการกระตุ้นให้ปล่อยคลื่นแสงออกมา” เลเซอร์ จะหมายรวมไปถึงการให้พลังงานผ่านทางสื่อนำแสง ซึ่งสื่อนำแสงอาจเป็นได้ทั้งของแข็ง ของเหลว ก๊าซ หรืออิเล็กตรอนอิสระที่มีคุณสมบัติสามารถนำแสงได้ ในรูปแบบ ...

เลเซอร์ ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าข้อใด

รังสีเลเซอร์ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ นิวเคลียสเป็นแกนกลาง และมีอิเล็กตรอนวิ่งรอบ มนุษย์สร้างขึ้น มีความยาวคลื่นในย่านรังสีอินฟราเรด นิวเคลียสเป็นวงอย่างเป็นชั้นๆ ไม่ต่อเนื่องกัน ซึ่ง

แสงเลเซอร์คืออะไร มีความถี่ในช่วงใด

แสงเลเซอร์คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่แคบๆ (คลื่นแสงที่มีความถี่ค่าเดียว) หรืออาจกล่าวได้ว่า “แสงเลเซอร์เป็นแสงบริสุทธิ์ที่สุด เท่าที่นักวิทยาศาสตร์จะผลิตขึ้นมาได้”