เลเซอร์คืออะไร? หลักการของการสร้างเลเซอร์

เลเซอร์เป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญของมนุษยชาติ ที่เรียกว่า "แสงที่สว่างที่สุด" ในชีวิตประจำวันเรามักจะเห็นการใช้งานเลเซอร์ต่างๆ เช่น เลเซอร์ความงาม การเชื่อมด้วยเลเซอร์ เลเซอร์ฆ่ายุง เป็นต้น วันนี้เราจะมาทำความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับเลเซอร์และหลักการเบื้องหลังการสร้างเลเซอร์กัน

เลเซอร์คืออะไร?

เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้เลเซอร์เพื่อสร้างลำแสงพิเศษ เลเซอร์สร้างแสงเลเซอร์โดยการป้อนพลังงานจากแหล่งกำเนิดแสงภายนอกหรือแหล่งพลังงานเข้าไปในวัสดุผ่านกระบวนการกระตุ้นรังสี

เลเซอร์เป็นอุปกรณ์เชิงแสงที่ประกอบด้วยตัวกลางที่ทำงานอยู่ (เช่น ก๊าซ ของแข็ง หรือของเหลว) ซึ่งสามารถขยายแสงและตัวสะท้อนแสงได้ ตัวกลางที่ใช้งานอยู่ในเลเซอร์มักจะเป็นวัสดุที่เลือกและผ่านกระบวนการ และคุณลักษณะของตัวกลางจะกำหนดความยาวคลื่นเอาท์พุตของเลเซอร์

แสงที่เกิดจากเลเซอร์มีลักษณะเฉพาะหลายประการ:

ประการแรก เลเซอร์เป็นแสงแบบเอกรงค์เดียวซึ่งมีความถี่และความยาวคลื่นที่เข้มงวดมาก ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการทางแสงพิเศษบางอย่างได้

ประการที่สอง เลเซอร์เป็นแสงที่สอดคล้องกัน และเฟสของคลื่นแสงมีความสม่ำเสมอมาก ซึ่งสามารถรักษาความเข้มของแสงที่ค่อนข้างคงที่ในระยะทางไกล

ประการที่สาม เลเซอร์เป็นแสงที่มีทิศทางสูงโดยมีลำแสงแคบมากและการโฟกัสที่ดีเยี่ยม ซึ่งสามารถใช้เพื่อให้ได้ความละเอียดเชิงพื้นที่สูง

เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสง

หลักการสร้างเลเซอร์

การสร้างเลเซอร์เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางกายภาพพื้นฐานสามประการ ได้แก่ การแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้น การแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง และการดูดซึมที่ถูกกระตุ้น

Sรังสีจำลอง

รังสีกระตุ้นเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างเลเซอร์ เมื่ออิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงถูกกระตุ้นโดยโฟตอนอื่น มันจะปล่อยโฟตอนที่มีพลังงาน ความถี่ เฟส สถานะโพลาไรเซชัน และทิศทางการแพร่กระจายเดียวกันในทิศทางของโฟตอนนั้น กระบวนการนี้เรียกว่ารังสีกระตุ้น กล่าวคือ โฟตอนสามารถ "โคลน" โฟตอนที่เหมือนกันโดยผ่านกระบวนการกระตุ้นรังสี จึงสามารถขยายแสงได้

Sการปล่อยก๊าซธรรมชาติ

เมื่ออะตอม ไอออน หรืออิเล็กตรอนของโมเลกุลเปลี่ยนจากระดับพลังงานสูงไปเป็นระดับพลังงานต่ำ มันจะปล่อยโฟตอนออกมาเป็นพลังงานจำนวนหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าการปล่อยตามธรรมชาติ การแผ่รังสีของโฟตอนนั้นเป็นแบบสุ่ม และไม่มีการเชื่อมโยงกันระหว่างโฟตอนที่ปล่อยออกมา ซึ่งหมายความว่าเฟส สถานะโพลาไรเซชัน และทิศทางการแพร่กระจายของพวกมันล้วนสุ่ม

Sการดูดซึมที่ถูกกระตุ้น

เมื่ออิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานต่ำดูดซับโฟตอนที่มีระดับพลังงานต่างกันเท่ากับตัวมันเอง ก็สามารถตื่นเต้นจนมีระดับพลังงานสูงได้ กระบวนการนี้เรียกว่าการดูดซึมแบบกระตุ้น

ในเลเซอร์ โดยปกติจะใช้ช่องเรโซแนนซ์ที่ประกอบด้วยกระจกสองบานขนานกันเพื่อเพิ่มกระบวนการกระตุ้นรังสี กระจกบานหนึ่งเป็นกระจกสะท้อนแสงทั้งหมด และกระจกอีกบานเป็นกระจกกึ่งสะท้อนแสง ซึ่งสามารถปล่อยให้ส่วนหนึ่งของเลเซอร์ทะลุผ่านได้

โฟตอนในตัวกลางเลเซอร์สะท้อนกลับไปกลับมาระหว่างกระจกสองบาน และการสะท้อนแต่ละครั้งจะสร้างโฟตอนมากขึ้นผ่านกระบวนการรังสีที่ถูกกระตุ้น ดังนั้นจึงทำให้เกิดการขยายแสง เมื่อความเข้มของแสงเพิ่มขึ้นถึงระดับหนึ่ง เลเซอร์จะถูกสร้างขึ้นผ่านกระจกกึ่งสะท้อนแสง