หลักการเลเซอร์และการประยุกต์ใช้

เลเซอร์หมายถึงกระบวนการและเครื่องมือในการสร้างลำแสงที่มีความเข้มแสงเท่ากัน ความเข้มแสงเดียว และสม่ำเสมอ ผ่านการขยายรังสีที่ถูกกระตุ้นและการป้อนกลับที่จำเป็น โดยพื้นฐานแล้ว การสร้างเลเซอร์ต้องใช้องค์ประกอบสามอย่าง ได้แก่ “ตัวสะท้อน” “ตัวกลางขยายสัญญาณ” และ “แหล่งกำเนิดสัญญาณปั๊ม”

ก. หลักการ

สถานะการเคลื่อนที่ของอะตอมสามารถแบ่งออกได้เป็นระดับพลังงานต่างๆ และเมื่ออะตอมเปลี่ยนจากระดับพลังงานสูงไปยังระดับพลังงานต่ำ อะตอมจะปลดปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานที่สอดคล้องกัน (เรียกว่า การแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง) ในทำนองเดียวกัน เมื่อโฟตอนตกกระทบระบบระดับพลังงานและถูกดูดซับโดยระบบนั้น จะทำให้อะตอมเปลี่ยนจากระดับพลังงานต่ำไปยังระดับพลังงานสูง (เรียกว่า การดูดกลืนแบบกระตุ้น) จากนั้น อะตอมบางส่วนที่เปลี่ยนจากระดับพลังงานสูงไปยังระดับพลังงานต่ำจะเปลี่ยนไประดับพลังงานต่ำลงและปล่อยโฟตอนออกมา (เรียกว่า การแผ่รังสีแบบกระตุ้น) การเคลื่อนที่เหล่านี้ไม่ได้เกิดขึ้นแบบแยกเดี่ยว แต่มักจะเกิดขึ้นควบคู่กันไป เมื่อเราสร้างสภาวะ เช่น การใช้ตัวกลางที่เหมาะสม ตัวสะท้อน และสนามไฟฟ้าภายนอกที่เพียงพอ รังสีที่ถูกกระตุ้นจะถูกขยายให้มากกว่าการดูดกลืนแบบกระตุ้น ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมีโฟตอนถูกปล่อยออกมา ส่งผลให้เกิดแสงเลเซอร์

ข. การจำแนกประเภท

เลเซอร์สามารถแบ่งตามตัวกลางที่ใช้ผลิตเลเซอร์ได้เป็น เลเซอร์ของเหลว เลเซอร์ก๊าซ และเลเซอร์ของแข็ง ปัจจุบันเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่นิยมใช้กันมากที่สุดคือเลเซอร์โซลิดสเตต

ค. องค์ประกอบ

เลเซอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ ระบบกระตุ้น วัสดุเลเซอร์ และตัวสะท้อนแสง ระบบกระตุ้นเป็นอุปกรณ์ที่สร้างแสง พลังงานไฟฟ้า หรือพลังงานเคมี ปัจจุบัน ปัจจัยกระตุ้นหลักที่ใช้คือแสง ไฟฟ้า หรือปฏิกิริยาเคมี สารเลเซอร์เป็นสารที่สามารถสร้างแสงเลเซอร์ได้ เช่น ทับทิม แก้วเบริลเลียม ก๊าซนีออน สารกึ่งตัวนำ สีย้อมอินทรีย์ เป็นต้น บทบาทของการควบคุมด้วยแสงเรโซแนนซ์คือการเพิ่มความสว่างของเลเซอร์เอาต์พุต ปรับและเลือกความยาวคลื่นและทิศทางของเลเซอร์

ง. การสมัคร

เลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ การวัดระยะด้วยเลเซอร์ การตัดด้วยเลเซอร์ อาวุธเลเซอร์ ดิสก์เลเซอร์ และอื่นๆ

อี. ประวัติศาสตร์

ในปี พ.ศ. 2501 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน เสี่ยวหลัว และ ทาวน์ส ได้ค้นพบปรากฏการณ์มหัศจรรย์ เมื่อนำแสงที่เปล่งออกมาจากหลอดไฟภายในไปวางบนผลึกแรร์เอิร์ธ โมเลกุลของผลึกจะเปล่งแสงที่สว่างจ้าและสว่างจ้าออกมาพร้อมกันเสมอ จากปรากฏการณ์นี้ พวกเขาได้เสนอ “หลักการเลเซอร์” กล่าวคือ เมื่อสารถูกกระตุ้นด้วยพลังงานเดียวกันกับความถี่การสั่นตามธรรมชาติของโมเลกุล มันจะสร้างแสงที่สว่างจ้าและไม่กระจายออกไป ซึ่งก็คือแสงเลเซอร์ พวกเขาได้ค้นพบงานวิจัยสำคัญเกี่ยวกับเรื่องนี้

หลังจากผลการวิจัยของ Sciolo และ Townes เผยแพร่ นักวิทยาศาสตร์จากหลายประเทศได้เสนอแผนการทดลองต่างๆ แต่ก็ไม่ประสบความสำเร็จ ในวันที่ 15 พฤษภาคม ค.ศ. 1960 Mayman นักวิทยาศาสตร์ประจำห้องปฏิบัติการ Hughes ในรัฐแคลิฟอร์เนีย ได้ประกาศว่าเขาได้รับเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 0.6943 ไมครอน ซึ่งเป็นเลเซอร์ตัวแรกที่มนุษย์ค้นพบ และด้วยเหตุนี้ Mayman จึงกลายเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกของโลกที่นำเลเซอร์มาใช้ในทางปฏิบัติ

เมื่อวันที่ 7 กรกฎาคม พ.ศ. 2503 เมย์แมนได้ประกาศการกำเนิดเลเซอร์ตัวแรกของโลก โดยแผนการของเมย์แมนคือการใช้หลอดแฟลชที่มีความเข้มสูงเพื่อกระตุ้นอะตอมโครเมียมในผลึกทับทิม จึงผลิตคอลัมน์แสงสีแดงบางที่มีความเข้มข้นสูง และเมื่อยิงที่จุดหนึ่ง แสงจะไปถึงอุณหภูมิสูงกว่าพื้นผิวของดวงอาทิตย์ได้

นักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียต H.Γ Basov ประดิษฐ์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ขึ้นในปี พ.ศ. 2503 โครงสร้างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยทั่วไปประกอบด้วยชั้น P ชั้น N และชั้นแอคทีฟ ซึ่งเกิดเป็นเฮเทอโรจังก์ชันคู่ คุณสมบัติของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์คือ ขนาดเล็ก ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง ความเร็วในการตอบสนองรวดเร็ว ความยาวคลื่นและขนาดเหมาะสมกับขนาดของเส้นใยแก้วนำแสง สามารถปรับเปลี่ยนได้โดยตรง และมีความสอดคล้องกันที่ดี

หก ทิศทางการใช้งานหลักบางประการของเลเซอร์

F. การสื่อสารด้วยเลเซอร์

การใช้แสงเพื่อส่งข้อมูลเป็นเรื่องปกติมากในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น เรือใช้ไฟเพื่อการสื่อสาร และไฟจราจรใช้สีแดง เหลือง และเขียว แต่วิธีการส่งข้อมูลเหล่านี้โดยใช้แสงธรรมดาสามารถจำกัดได้เฉพาะระยะทางสั้นๆ เท่านั้น หากคุณต้องการส่งข้อมูลโดยตรงไปยังสถานที่ห่างไกลผ่านแสง คุณไม่สามารถใช้แสงธรรมดาได้ แต่สามารถใช้เลเซอร์ได้เท่านั้น

แล้วเราจะส่งเลเซอร์ได้อย่างไร? เรารู้ว่าไฟฟ้าสามารถส่งผ่านสายทองแดงได้ แต่แสงไม่สามารถส่งผ่านสายโลหะธรรมดาได้ ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงได้พัฒนาเส้นใยที่สามารถส่งผ่านแสงได้ ซึ่งเรียกว่า ใยแก้วนำแสง ใยแก้วนำแสงทำจากวัสดุแก้วชนิดพิเศษ มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าเส้นผมของมนุษย์ โดยทั่วไปมีขนาด 50 ถึง 150 ไมครอน และมีความอ่อนนุ่มมาก

ในความเป็นจริง แกนในของเส้นใยแก้วมีดัชนีหักเหแสงสูง ส่วนชั้นเคลือบด้านนอกทำจากแก้วหรือพลาสติกที่มีดัชนีหักเหแสงต่ำ โครงสร้างดังกล่าวสามารถทำให้แสงหักเหไปตามแกนในได้ เหมือนกับน้ำที่ไหลไปข้างหน้าในท่อส่งน้ำ กระแสไฟฟ้าถูกส่งผ่านไปยังลวดตัวนำ แม้ว่าการบิดเกลียวหลายพันครั้งจะไม่มีผล ในทางกลับกัน การเคลือบที่มีดัชนีหักเหแสงต่ำสามารถป้องกันแสงรั่วได้ เช่นเดียวกับที่ท่อส่งน้ำไม่ซึมผ่าน และชั้นฉนวนของลวดตัวนำไฟฟ้าไม่นำไฟฟ้า

การปรากฏตัวของใยแก้วนำแสงช่วยแก้ปัญหาการส่งผ่านแสง แต่ไม่ได้หมายความว่าแสงใดๆ จะสามารถส่งผ่านได้ไกลมาก แหล่งกำเนิดแสงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการส่งข้อมูลคือ แหล่งกำเนิดแสงที่มีความสว่างสูง สีที่บริสุทธิ์ และเลเซอร์ที่ส่งผ่านทิศทางได้ดี ใยแก้วนำแสงรับข้อมูลเข้าจากปลายด้านหนึ่งของใยแก้วนำแสง แทบไม่มีการสูญเสียและส่งสัญญาณออกจากปลายอีกด้านหนึ่ง ดังนั้น การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงจึงเป็นการสื่อสารด้วยเลเซอร์อย่างแท้จริง ซึ่งมีข้อดีคือ ความจุขนาดใหญ่ คุณภาพสูง แหล่งวัสดุที่กว้างขวาง ความลับที่แข็งแกร่ง ความทนทาน และได้รับการยกย่องจากนักวิทยาศาสตร์ว่าเป็นการปฏิวัติวงการการสื่อสาร และเป็นหนึ่งในความสำเร็จอันโดดเด่นที่สุดของการปฏิวัติทางเทคโนโลยี