หลักการของเลเซอร์และการประยุกต์ใช้งาน

เลเซอร์หมายถึงกระบวนการและเครื่องมือในการสร้างลำแสงที่มีการรวมลำแสงเป็นลำเดียวกัน ความเข้มเท่ากัน โดยอาศัยการขยายรังสีกระตุ้นและการตอบรับที่จำเป็น โดยทั่วไป การสร้างด้วยเลเซอร์ต้องมีองค์ประกอบสามอย่าง ได้แก่ “ตัวสะท้อน” “ตัวกลางขยายสัญญาณ” และ “แหล่งปั๊ม”

ก. หลักการ

สถานะการเคลื่อนที่ของอะตอมสามารถแบ่งออกได้เป็นระดับพลังงานต่างๆ และเมื่ออะตอมเปลี่ยนจากระดับพลังงานสูงไปยังระดับพลังงานต่ำ อะตอมจะปลดปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานที่สอดคล้องกัน (เรียกว่า การแผ่รังสีโดยธรรมชาติ) ในทำนองเดียวกัน เมื่อโฟตอนตกกระทบระบบระดับพลังงานและถูกดูดซับโดยระบบนั้น จะทำให้อะตอมเปลี่ยนจากระดับพลังงานต่ำไปยังระดับพลังงานสูง (เรียกว่า การดูดซับที่ถูกกระตุ้น) จากนั้น อะตอมบางส่วนที่เปลี่ยนจากระดับพลังงานสูงขึ้นจะเปลี่ยนจากระดับพลังงานต่ำเป็นระดับพลังงานต่ำลงและปล่อยโฟตอนออกมา (เรียกว่า การแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้น) การเคลื่อนไหวเหล่านี้ไม่ได้เกิดขึ้นแบบแยกจากกัน แต่บ่อยครั้งจะเกิดขึ้นแบบคู่ขนาน เมื่อเราสร้างเงื่อนไข เช่น การใช้ตัวกลางที่เหมาะสม ตัวสะท้อน สนามไฟฟ้าภายนอกที่เพียงพอ รังสีที่ถูกกระตุ้นจะขยายขึ้นจนมากกว่าการดูดซับที่ถูกกระตุ้น โดยทั่วไปแล้ว โฟตอนจะถูกปล่อยออกมา ส่งผลให้เกิดแสงเลเซอร์

ข. การจำแนกประเภท

เมื่อพิจารณาจากตัวกลางที่ผลิตเลเซอร์ เลเซอร์สามารถแบ่งได้เป็น เลเซอร์ของเหลว เลเซอร์ก๊าซ และเลเซอร์ของแข็ง ปัจจุบัน เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดคือเลเซอร์โซลิดสเตตชนิดหนึ่ง

ค. องค์ประกอบ

เลเซอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสามส่วน: ระบบกระตุ้น วัสดุเลเซอร์ และตัวสะท้อนแสง ระบบกระตุ้นเป็นอุปกรณ์ที่ผลิตแสง ไฟฟ้า หรือพลังงานเคมี ในปัจจุบัน วิธีการกระตุ้นหลักที่ใช้คือแสง ไฟฟ้า หรือปฏิกิริยาเคมี สารเลเซอร์เป็นสารที่สามารถผลิตแสงเลเซอร์ได้ เช่น ทับทิม แก้วเบริลเลียม ก๊าซนีออน เซมิคอนดักเตอร์ สีย้อมอินทรีย์ เป็นต้น บทบาทของการควบคุมการสั่นพ้องแสงคือการเพิ่มความสว่างของเลเซอร์เอาต์พุต ปรับและเลือกความยาวคลื่นและทิศทางของเลเซอร์

ง. การประยุกต์ใช้

เลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ การวัดระยะด้วยเลเซอร์ การตัดด้วยเลเซอร์ อาวุธเลเซอร์ เลเซอร์ดิสก์ และอื่นๆ

ง. ประวัติความเป็นมา

ในปี 1958 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Xiaoluo และ Townes ได้ค้นพบปรากฏการณ์มหัศจรรย์: เมื่อพวกเขาวางแสงที่เปล่งออกมาจากหลอดไฟภายในบนคริสตัลแรร์เอิร์ธ โมเลกุลของคริสตัลจะเปล่งแสงที่สว่างและแรงเสมอกัน ตามปรากฏการณ์นี้ พวกเขาเสนอ "หลักการเลเซอร์" นั่นคือ เมื่อสารถูกกระตุ้นด้วยพลังงานเดียวกันกับความถี่การสั่นตามธรรมชาติของโมเลกุล มันจะผลิตแสงที่แรงซึ่งไม่แยกออกจากกัน - เลเซอร์ พวกเขาพบเอกสารสำคัญเกี่ยวกับเรื่องนี้

หลังจากผลการวิจัยของ Sciolo และ Townes เผยแพร่ นักวิทยาศาสตร์จากหลายประเทศได้เสนอแผนการทดลองต่างๆ แต่ก็ไม่ประสบความสำเร็จ เมื่อวันที่ 15 พฤษภาคม 1960 Mayman นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการ Hughes ในแคลิฟอร์เนีย ประกาศว่าเขาได้รับเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 0.6943 ไมครอน ซึ่งเป็นเลเซอร์ตัวแรกที่มนุษย์สามารถประดิษฐ์ได้ และด้วยเหตุนี้ Mayman จึงกลายเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกของโลกที่นำเลเซอร์มาใช้ในทางปฏิบัติ

ในวันที่ 7 กรกฎาคม พ.ศ. 2503 เมย์แมนได้ประกาศการกำเนิดเลเซอร์ตัวแรกของโลก แผนการของเมย์แมนคือการใช้หลอดแฟลชความเข้มสูงเพื่อกระตุ้นอะตอมของโครเมียมในผลึกทับทิม จึงผลิตเสาแสงสีแดงบางที่มีความเข้มข้นมาก และเมื่อถูกยิงที่จุดใดจุดหนึ่ง แสงจะไปถึงอุณหภูมิสูงกว่าพื้นผิวของดวงอาทิตย์ได้

นักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียต H.Γ Basov ประดิษฐ์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ขึ้นในปี 1960 โครงสร้างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มักประกอบด้วยชั้น P ชั้น N และชั้นแอ็กทีฟซึ่งก่อตัวเป็นเฮเทอโรจันก์ชั่นคู่ ลักษณะเด่นคือ ขนาดเล็ก ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง ความเร็วในการตอบสนองรวดเร็ว ความยาวคลื่นและขนาดพอดีกับขนาดของใยแก้วนำแสง สามารถปรับเปลี่ยนได้โดยตรง มีความสอดคล้องกันดี

หก ทิศทางการใช้งานหลักบางส่วนของเลเซอร์

F. การสื่อสารด้วยเลเซอร์

การใช้แสงในการส่งข้อมูลนั้นเป็นเรื่องปกติมากในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น เรือใช้ไฟในการสื่อสาร และไฟจราจรใช้สีแดง เหลือง และเขียว แต่การส่งข้อมูลโดยใช้แสงธรรมดาเหล่านี้สามารถทำได้ในระยะทางสั้นๆ เท่านั้น หากคุณต้องการส่งข้อมูลโดยตรงไปยังสถานที่ห่างไกลผ่านแสง คุณไม่สามารถใช้แสงธรรมดาได้ แต่ใช้เลเซอร์ได้เท่านั้น

แล้วเราจะส่งเลเซอร์ได้อย่างไร? เราทราบดีว่าไฟฟ้าสามารถส่งผ่านสายทองแดงได้ แต่แสงไม่สามารถส่งผ่านสายโลหะธรรมดาได้ ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงได้พัฒนาเส้นใยที่สามารถส่งผ่านแสงได้ ซึ่งเรียกว่า ใยแก้วนำแสง ใยแก้วนำแสงทำจากวัสดุแก้วชนิดพิเศษ มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าเส้นผมของมนุษย์ โดยปกติจะอยู่ที่ 50 ถึง 150 ไมครอน และมีความอ่อนนุ่มมาก

ในความเป็นจริงแกนในของเส้นใยแก้วใสที่มีดัชนีการหักเหแสงสูง และการเคลือบด้านนอกทำจากแก้วหรือพลาสติกที่มีดัชนีการหักเหแสงต่ำ โครงสร้างดังกล่าวสามารถทำให้แสงหักเหไปตามแกนในได้ เหมือนกับน้ำที่ไหลไปข้างหน้าในท่อน้ำ ไฟฟ้าที่ส่งไปข้างหน้าในสาย แม้ว่าจะบิดและหมุนหลายพันครั้งก็ไม่มีผล ในทางกลับกัน การเคลือบที่มีดัชนีการหักเหแสงต่ำสามารถป้องกันไม่ให้แสงรั่วออกมาได้ เหมือนกับที่ท่อน้ำไม่ซึม และชั้นฉนวนของสายไม่นำไฟฟ้า

ลักษณะของใยแก้วนำแสงช่วยแก้ปัญหาการส่งแสง แต่ไม่ได้หมายความว่าจะสามารถส่งแสงได้ไกลมาก มีเพียงความสว่างสูง สีบริสุทธิ์ เลเซอร์ทิศทางดีเท่านั้น จึงเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่เหมาะสมที่สุดในการส่งข้อมูล โดยรับข้อมูลมาจากปลายด้านหนึ่งของใยแก้วนำแสง แทบไม่มีการสูญเสียและส่งออกจากปลายอีกด้านหนึ่ง ดังนั้น การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงจึงเป็นการสื่อสารด้วยเลเซอร์โดยพื้นฐาน ซึ่งมีข้อดีคือมีความจุขนาดใหญ่ คุณภาพสูง แหล่งวัสดุที่กว้างขวาง ความลับที่แข็งแกร่ง ความทนทาน เป็นต้น และได้รับการยกย่องจากนักวิทยาศาสตร์ว่าเป็นการปฏิวัติในด้านการสื่อสาร และเป็นหนึ่งในความสำเร็จที่ยอดเยี่ยมที่สุดในการปฏิวัติทางเทคโนโลยี