หลักการของเลเซอร์และการประยุกต์

เลเซอร์หมายถึงกระบวนการและอุปกรณ์ในการสร้างลำแสงที่มีสีเดียวและสอดคล้องกันผ่านการขยายรังสีที่ถูกกระตุ้นและการป้อนกลับที่จำเป็น โดยพื้นฐานแล้ว การสร้างเลเซอร์ต้องใช้องค์ประกอบสามประการ ได้แก่ “ตัวสะท้อน” “ตัวกลางรับ” และ “แหล่งปั๊ม”

ก. หลักการ

สถานะการเคลื่อนที่ของอะตอมสามารถแบ่งออกได้เป็นระดับพลังงานต่างๆ และเมื่ออะตอมเปลี่ยนจากระดับพลังงานสูงไปเป็นระดับพลังงานต่ำ ก็จะปล่อยโฟตอนของพลังงานที่สอดคล้องกัน (เรียกว่ารังสีที่เกิดขึ้นเอง) ในทำนองเดียวกัน เมื่อโฟตอนตกกระทบกับระบบระดับพลังงานและถูกดูดซับไว้ จะทำให้อะตอมเปลี่ยนจากระดับพลังงานต่ำไปเป็นระดับพลังงานสูง (เรียกว่าการดูดซับแบบตื่นเต้น) จากนั้นอะตอมบางส่วนที่เปลี่ยนไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้นจะเปลี่ยนไปสู่ระดับพลังงานที่ต่ำลงและปล่อยโฟตอนออกมา (ที่เรียกว่ารังสีกระตุ้น) การเคลื่อนไหวเหล่านี้ไม่ได้เกิดขึ้นอย่างโดดเดี่ยว แต่มักจะเกิดขึ้นพร้อมกัน เมื่อเราสร้างสภาวะ เช่น การใช้ตัวกลางที่เหมาะสม ตัวสะท้อน สนามไฟฟ้าภายนอกที่เพียงพอ การแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นจะถูกขยายให้มากกว่าการดูดกลืนแสงที่ถูกกระตุ้น โดยทั่วไปแล้วจะมีโฟตอนที่ปล่อยออกมา ส่งผลให้เกิดแสงเลเซอร์

ข. การจำแนกประเภท

ตามสื่อที่ผลิตเลเซอร์ เลเซอร์สามารถแบ่งออกเป็นเลเซอร์เหลว เลเซอร์แก๊ส และเลเซอร์ทึบ ขณะนี้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดคือเลเซอร์โซลิดสเตตชนิดหนึ่ง

ค. องค์ประกอบ

เลเซอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสามส่วน: ระบบกระตุ้น วัสดุเลเซอร์ และเครื่องสะท้อนแสง ระบบกระตุ้นคืออุปกรณ์ที่ผลิตพลังงานแสง ไฟฟ้า หรือเคมี ปัจจุบันวิธีการจูงใจหลักที่ใช้คือ แสง ไฟฟ้า หรือปฏิกิริยาเคมี สารเลเซอร์เป็นสารที่สามารถผลิตแสงเลเซอร์ได้ เช่น ทับทิม แก้วเบริลเลียม ก๊าซนีออน สารกึ่งตัวนำ สีย้อมอินทรีย์ เป็นต้น บทบาทของการควบคุมด้วยแสงสะท้อนคือการเพิ่มความสว่างของเลเซอร์เอาท์พุต ปรับและเลือกความยาวคลื่นและทิศทาง ของเลเซอร์

ง. การสมัคร

เลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย ส่วนใหญ่เป็นการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ เลเซอร์ การตัดด้วยเลเซอร์ อาวุธเลเซอร์ ดิสก์เลเซอร์ และอื่นๆ

จ. ประวัติศาสตร์

ในปี 1958 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Xiaoluo และ Townes ค้นพบปรากฏการณ์มหัศจรรย์: เมื่อพวกเขาวางแสงที่ปล่อยออกมาจากหลอดไฟภายในไว้บนคริสตัลเอิร์ธหายาก โมเลกุลของคริสตัลจะเปล่งแสงที่สว่างจ้าและรวมเข้าด้วยกันเสมอ ตามปรากฏการณ์นี้ พวกเขาเสนอ "หลักการของเลเซอร์" นั่นคือเมื่อสสารถูกตื่นเต้นด้วยพลังงานเดียวกันกับความถี่การสั่นตามธรรมชาติของโมเลกุล มันจะผลิตแสงจ้าที่ไม่เบี่ยงเบน - เลเซอร์ พวกเขาพบเอกสารสำคัญสำหรับเรื่องนี้

หลังจากการตีพิมพ์ผลการวิจัยของ Sciolo และ Townes นักวิทยาศาสตร์จากหลายประเทศได้เสนอแผนการทดลองต่างๆ แต่ก็ไม่ประสบความสำเร็จ เมื่อวันที่ 15 พฤษภาคม พ.ศ. 2503 Mayman นักวิทยาศาสตร์จาก Hughes Laboratory ในแคลิฟอร์เนีย ประกาศว่าเขาได้รับเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 0.6943 ไมครอน ซึ่งเป็นเลเซอร์ตัวแรกที่มนุษย์ได้รับ และ Mayman จึงกลายเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกของโลก เพื่อแนะนำเลเซอร์เข้าสู่ภาคปฏิบัติ

เมื่อวันที่ 7 กรกฎาคม พ.ศ. 2503 เมย์แมนได้ประกาศการกำเนิดเลเซอร์ตัวแรกของโลก แผนการของเมย์แมนคือการใช้หลอดแฟลชความเข้มสูงเพื่อกระตุ้นอะตอมของโครเมียมในผลึกทับทิม จึงทำให้เกิดคอลัมน์แสงสีแดงบาง ๆ ที่มีความเข้มข้นมากเมื่อถูกยิง เมื่อถึงจุดหนึ่งก็สามารถมีอุณหภูมิสูงกว่าพื้นผิวดวงอาทิตย์ได้

นักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียต H.Γ Basov คิดค้นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในปี 1960 โครงสร้างของเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์มักจะประกอบด้วยชั้น P, ชั้น N และชั้นแอคทีฟซึ่งก่อให้เกิดจุดเชื่อมต่อเฮเทอโรจังก์คู่ ลักษณะของมันคือ: ขนาดเล็ก, ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง, ความเร็วตอบสนองที่รวดเร็ว, ความยาวคลื่นและขนาดที่พอดีกับขนาดใยแก้วนำแสง, สามารถปรับได้โดยตรง, การเชื่อมโยงกันที่ดี

หก ทิศทางการใช้งานหลักของเลเซอร์บางส่วน

F. การสื่อสารด้วยเลเซอร์

การใช้แสงในการส่งข้อมูลเป็นเรื่องปกติมากในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น เรือใช้ไฟในการสื่อสาร และสัญญาณไฟจราจรใช้สีแดง เหลือง และเขียว แต่วิธีการส่งข้อมูลทั้งหมดนี้โดยใช้แสงธรรมดาสามารถจำกัดได้เฉพาะในระยะทางสั้นๆ เท่านั้น หากคุณต้องการส่งข้อมูลโดยตรงไปยังสถานที่ห่างไกลผ่านแสง คุณไม่สามารถใช้แสงธรรมดา แต่ใช้เฉพาะเลเซอร์เท่านั้น

แล้วคุณจะส่งเลเซอร์ได้อย่างไร? เรารู้ว่าไฟฟ้าสามารถพาไปตามสายทองแดงได้ แต่แสงไม่สามารถพาไปตามสายโลหะธรรมดาได้ ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงได้พัฒนาเส้นใยที่สามารถส่งผ่านแสงที่เรียกว่าใยแก้วนำแสงหรือที่เรียกว่าเส้นใย ใยแก้วนำแสงทำจากวัสดุแก้วชนิดพิเศษ มีเส้นผ่านศูนย์กลางบางกว่าเส้นผมของมนุษย์ โดยปกติแล้วจะอยู่ที่ 50 ถึง 150 ไมครอน และมีความนุ่มมาก

ในความเป็นจริง แกนด้านในของเส้นใยเป็นดัชนีการหักเหของแสงสูงของแก้วแสงโปร่งใส และการเคลือบด้านนอกทำจากแก้วหรือพลาสติกที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำ ในด้านหนึ่ง โครงสร้างดังกล่าวสามารถทำให้แสงหักเหไปตามแกนกลางชั้นในได้ เช่นเดียวกับน้ำที่ไหลไปข้างหน้าในท่อน้ำ กระแสไฟฟ้าที่ส่งไปข้างหน้าในสายไฟ แม้ว่าการบิดและหมุนนับพันครั้งจะไม่มีผลก็ตาม ในทางกลับกันการเคลือบดัชนีการหักเหของแสงต่ำสามารถป้องกันไม่ให้แสงรั่วไหลออกมาได้เช่นเดียวกับท่อน้ำไม่ซึมและชั้นฉนวนของสายไฟไม่นำไฟฟ้า

ลักษณะของเส้นใยนำแสงช่วยแก้ปัญหาการส่งผ่านแสง แต่ไม่ได้หมายความว่าแสงใดๆ ก็สามารถส่งไปในระยะไกลได้ มีเพียงความสว่างสูง สีที่บริสุทธิ์ เลเซอร์กำหนดทิศทางที่ดีเท่านั้น จึงเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่เหมาะที่สุดในการส่งข้อมูล โดยเป็นอินพุตจากปลายด้านหนึ่งของเส้นใย แทบไม่มีการสูญเสียและเอาต์พุตจากปลายอีกด้านหนึ่ง ดังนั้นการสื่อสารด้วยแสงจึงเป็นการสื่อสารด้วยเลเซอร์ซึ่งมีข้อได้เปรียบในด้านความจุขนาดใหญ่ คุณภาพสูง แหล่งวัสดุที่กว้าง การรักษาความลับที่แข็งแกร่ง ความทนทาน ฯลฯ และได้รับการยกย่องจากนักวิทยาศาสตร์ว่าเป็นการปฏิวัติในด้านการสื่อสาร และเป็นหนึ่งเดียว ของความสำเร็จอันยอดเยี่ยมที่สุดในการปฏิวัติทางเทคโนโลยี