หลักการของเลเซอร์และการประยุกต์ใช้

เลเซอร์ หมายถึง กระบวนการและเครื่องมือในการสร้างลำแสงเอกรงค์ โมโนโครมาติก และโคherent ผ่านการขยายรังสีแบบกระตุ้นและการป้อนกลับที่จำเป็น โดยพื้นฐานแล้ว การสร้างเลเซอร์ต้องใช้องค์ประกอบสามอย่าง ได้แก่ "ตัวเรโซเนเตอร์" "ตัวกลางขยาย" และ "แหล่งกำเนิดแสง"

ก. หลักการ

สถานะการเคลื่อนที่ของอะตอมสามารถแบ่งออกเป็นระดับพลังงานต่างๆ ได้ และเมื่ออะตอมเปลี่ยนจากระดับพลังงานสูงไปยังระดับพลังงานต่ำ มันจะปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานสอดคล้องกันออกมา (เรียกว่าการแผ่รังสีแบบเกิดขึ้นเอง) ในทำนองเดียวกัน เมื่อโฟตอนตกกระทบระบบระดับพลังงานและถูกดูดซับโดยระบบนั้น มันจะทำให้อะตอมเปลี่ยนจากระดับพลังงานต่ำไปยังระดับพลังงานสูง (เรียกว่าการดูดซับแบบกระตุ้น) จากนั้น อะตอมบางส่วนที่เปลี่ยนไปยังระดับพลังงานที่สูงกว่าจะเปลี่ยนไปยังระดับพลังงานที่ต่ำกว่าและปล่อยโฟตอนออกมา (เรียกว่าการแผ่รังสีแบบกระตุ้น) การเคลื่อนที่เหล่านี้ไม่ได้เกิดขึ้นอย่างโดดเดี่ยว แต่ส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นพร้อมกัน เมื่อเราสร้างเงื่อนไข เช่น การใช้ตัวกลางที่เหมาะสม ตัวเรโซเนเตอร์ สนามไฟฟ้าภายนอกที่เพียงพอ การแผ่รังสีแบบกระตุ้นจะถูกขยายให้มากกว่าการดูดซับแบบกระตุ้น โดยทั่วไปแล้วจะมีโฟตอนถูกปล่อยออกมา ทำให้เกิดแสงเลเซอร์

ข. การจำแนกประเภท

ตามตัวกลางที่ทำให้เกิดเลเซอร์ เลเซอร์สามารถแบ่งออกเป็นเลเซอร์ของเหลว เลเซอร์ก๊าซ และเลเซอร์ของแข็ง ปัจจุบันเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือเลเซอร์ของแข็งชนิดหนึ่ง

ค. องค์ประกอบ

เลเซอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ ระบบกระตุ้น วัสดุเลเซอร์ และตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสง ระบบกระตุ้นคืออุปกรณ์ที่สร้างแสง พลังงานไฟฟ้า หรือพลังงานเคมี ปัจจุบันวิธีการกระตุ้นหลักที่ใช้คือแสง ไฟฟ้า หรือปฏิกิริยาเคมี วัสดุเลเซอร์คือสารที่สามารถผลิตแสงเลเซอร์ได้ เช่น ทับทิม แก้วเบริลเลียม ก๊าซนีออน สารกึ่งตัวนำ สีย้อมอินทรีย์ เป็นต้น บทบาทของการควบคุมเรโซแนนซ์เชิงแสงคือการเพิ่มความสว่างของเลเซอร์ที่ได้ ปรับและเลือกความยาวคลื่นและทิศทางของเลเซอร์

ง. ใบสมัคร

เลเซอร์มีการใช้งานอย่างแพร่หลาย โดยหลักๆ แล้วคือการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง การวัดระยะด้วยเลเซอร์ การตัดด้วยเลเซอร์ อาวุธเลเซอร์ จานเลเซอร์ และอื่นๆ

ประวัติศาสตร์

ในปี ค.ศ. 1958 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน เซียวหลัวและทาวน์ส ค้นพบปรากฏการณ์มหัศจรรย์อย่างหนึ่ง คือ เมื่อพวกเขาฉายแสงที่เปล่งออกมาจากหลอดไฟภายในไปยังผลึกธาตุหายาก โมเลกุลของผลึกจะเปล่งแสงสว่างจ้าและสม่ำเสมอออกมา จากปรากฏการณ์นี้ พวกเขาจึงเสนอ "หลักการเลเซอร์" กล่าวคือ เมื่อสารถูกกระตุ้นด้วยพลังงานที่มีความถี่การสั่นตามธรรมชาติของโมเลกุล มันจะผลิตแสงที่สว่างจ้าและไม่กระจายออกไป ซึ่งก็คือเลเซอร์นั่นเอง พวกเขาได้ค้นพบเอกสารสำคัญหลายฉบับเกี่ยวกับเรื่องนี้

หลังจากที่ผลการวิจัยของ Sciolo และ Townes ได้รับการตีพิมพ์ นักวิทยาศาสตร์จากหลายประเทศได้เสนอแผนการทดลองต่างๆ แต่ก็ไม่ประสบความสำเร็จ จนกระทั่งวันที่ 15 พฤษภาคม 1960 Mayman นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการ Hughes ในแคลิฟอร์เนีย ได้ประกาศว่าเขาได้สร้างเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 0.6943 ไมครอน ซึ่งเป็นเลเซอร์ตัวแรกที่มนุษย์สร้างขึ้นได้ และด้วยเหตุนี้ Mayman จึงกลายเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกของโลกที่นำเลเซอร์มาใช้ในทางปฏิบัติ

เมื่อวันที่ 7 กรกฎาคม 1960 เมย์แมนได้ประกาศการกำเนิดของเลเซอร์เครื่องแรกของโลก โดยแผนการของเมย์แมนคือการใช้หลอดแฟลชความเข้มสูงกระตุ้นอะตอมของโครเมียมในผลึกทับทิม ทำให้เกิดลำแสงสีแดงบางๆ ที่มีความเข้มข้นสูง เมื่อยิงไปยังจุดใดจุดหนึ่ง ลำแสงนั้นสามารถทำให้อุณหภูมิสูงกว่าพื้นผิวของดวงอาทิตย์ได้

นักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียต H.G. Basov ประดิษฐ์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ขึ้นในปี 1960 โครงสร้างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยทั่วไปประกอบด้วยชั้น P ชั้น N และชั้นแอคทีฟซึ่งก่อตัวเป็นเฮเทอโรจังก์ชันคู่ คุณลักษณะของมันคือ ขนาดเล็ก ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง ความเร็วในการตอบสนองเร็ว ความยาวคลื่นและขนาดเหมาะสมกับขนาดของใยแก้วนำแสง สามารถปรับการมอดูเลตได้โดยตรง และมีความสอดคล้องที่ดี

หก. แนวทางการประยุกต์ใช้งานหลักบางประการของเลเซอร์

ฟ. การสื่อสารด้วยเลเซอร์

การใช้แสงในการส่งข้อมูลเป็นเรื่องปกติในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น เรือใช้ไฟในการสื่อสาร และสัญญาณไฟจราจรใช้สีแดง เหลือง และเขียว แต่การส่งข้อมูลด้วยแสงธรรมดาเหล่านี้มีข้อจำกัดอยู่ที่ระยะทางสั้นๆ หากต้องการส่งข้อมูลไปยังสถานที่ห่างไกลโดยตรงผ่านแสง จะไม่สามารถใช้แสงธรรมดาได้ แต่ต้องใช้เลเซอร์เท่านั้น

แล้วจะส่งแสงเลเซอร์ได้อย่างไร? เรารู้ว่าไฟฟ้าสามารถนำพาไปตามสายทองแดงได้ แต่แสงไม่สามารถนำพาไปตามสายโลหะธรรมดาได้ ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงได้พัฒนาเส้นใยที่สามารถส่งผ่านแสงได้ เรียกว่าใยแก้วนำแสง หรือเรียกสั้นๆ ว่าไฟเบอร์ ใยแก้วนำแสงทำจากวัสดุแก้วชนิดพิเศษ มีเส้นผ่านศูนย์กลางบางกว่าเส้นผมมนุษย์ โดยปกติอยู่ที่ 50 ถึง 150 ไมครอน และมีความอ่อนนุ่มมาก

อันที่จริง แกนกลางของเส้นใยเป็นแก้วโปร่งใสที่มีดัชนีหักเหสูง ส่วนเปลือกนอกทำจากแก้วหรือพลาสติกที่มีดัชนีหักเหต่ำ โครงสร้างเช่นนี้ ในด้านหนึ่ง สามารถทำให้แสงหักเหไปตามแกนกลางได้ เหมือนกับน้ำที่ไหลไปข้างหน้าในท่อน้ำ และกระแสไฟฟ้าที่ส่งผ่านไปในสายไฟ แม้จะบิดงอหลายพันครั้งก็ไม่มีผล ในอีกด้านหนึ่ง เปลือกหุ้มที่มีดัชนีหักเหต่ำสามารถป้องกันแสงรั่วออกได้ เหมือนกับท่อน้ำที่ไม่รั่วซึม และฉนวนของสายไฟที่ไม่นำไฟฟ้า

การเกิดขึ้นของใยแก้วนำแสงช่วยแก้ปัญหาเรื่องการส่งผ่านแสง แต่ไม่ได้หมายความว่าแสงทุกชนิดจะสามารถส่งผ่านได้ในระยะทางไกลๆ เฉพาะเลเซอร์ที่มีความสว่างสูง สีบริสุทธิ์ และมีทิศทางที่ดีเท่านั้น ที่เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการส่งข้อมูล โดยแสงจะถูกป้อนเข้าจากปลายด้านหนึ่งของใยแก้วนำแสง แทบไม่มีการสูญเสีย และส่งออกไปยังปลายอีกด้านหนึ่ง ดังนั้น การสื่อสารด้วยแสงจึงเป็นการสื่อสารด้วยเลเซอร์โดยพื้นฐาน ซึ่งมีข้อดีหลายประการ เช่น ความจุสูง คุณภาพสูง แหล่งวัสดุที่หลากหลาย ความลับสูง ความทนทาน ฯลฯ และได้รับการยกย่องจากนักวิทยาศาสตร์ว่าเป็นนวัตกรรมที่ปฏิวัติวงการการสื่อสาร และเป็นหนึ่งในความสำเร็จที่ยอดเยี่ยมที่สุดในการปฏิวัติทางเทคโนโลยี