
คน
๕ คนดึงก้อนหินคนละทาง |
ขอเปรียบเทียบให้เห็นซัดด้วยการฉุดก้อนหิน คน ๕ คน ลากก้อนหิน
ดึงไปคนละทิศละทาง หินไม่เขยื้อน คน ๕
คนออกแรงพร้อมกันดึงหินไปทิศเดียวกัน หินจะเขยื้อน
|
ถ้าสามารถกระตุ้นให้อิเล็กตรอนทั้งหมดสั่นพร้อมกัน
และให้ปล่อยพลังงานแสงออกมา พร้อมกัน (temporal coherence)
และทิศทางเดียวกัน (spatial coherence) จะได้พลังงานเข้มมาก
อาจจะไชของแข็งๆ เช่น เพชร ได้
ซี เอช เทานส์ (C.H. Townes) ได้ตั้งข้อสังเกตเมื่อ พ.ศ. ๒๕๐๑ ว่า
อาจทำให้เครื่องทำ คลื่น (oscillator) เหล่านี้ (หมายถึงอิเล็กตรอน) มีเฟส
(phase) คงที่ได้ด้วยการกระตุ้น โดยใช้
คลื่นที่มีความถี่เดียวกับคลื่นรังสีที่จะทำให้มันแผ่ออกมา
มีผู้เปรียบเทียบลำแสงให้เหมือนกระแส (ลำธาร)
ของละอองที่ไม่ที่มีตัวตนและน้ำหนัก ซึ่งจะเรียก ว่า โฟตอน (photons) ไหล
หรือพุ่งด้วยความเร็วของแสง ละอองแต่ละชิ้นต่างก็มีพลังงานในตัว มีค่า hf
จูล E = hf
E คือพลังงาน หน่วยเป็นจูล
h คือตัวคงที่ (Planck's constant)
f คือความถี่ในการแผ่รังสี
ปี พ.ศ. ๒๔๕๖ นีลส์ บอห์ร (Niels Bohr) ได้ตั้งทฤษฎีควันตัม (quantum
theory) เป็นทฤษฎี ที่ว่าด้วยการแผ่รังสีพลังงาน ออกมาเป็นชั้นๆ
ได้เสนอแบบจำลอง (quantized model) ของปรมาณู ของไฮโดรเจน
ดังรูปซึ่งประกอบด้วยแกนกลางคือนิวเคลียสมีประจุบวก
และอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุ ลบวิ่งอยู่รอบๆ E1, E2,
E3, E4, และ E5
เป็นชั้นต่างๆ ที่อิเล็กตรอนจะวิ่ง ถ้าไม่มี พลังงานจากภายนอก (เช่น
ความร้อน แสง ฯลฯ) มารบกวน อิเล็กตรอนจะวิ่งอยู่ที่ชั้น E1
ด้วยแรงดึงดูด
ระหว่างประจุบวกของนิวเคลียสและประจุลบของอิเล็กตรอนเท่ากับแรงเหวี่ยงขณะที่อิเล็กตรอนวิ่ง
รอบวง มันจึงอยู่ในสภาพสมดุลและอยู่ในฐานะที่มั่นคง (stable state)
และชั้น E1 เป็นชั้นที่มี ระดับพลังงานต่ำที่สุด
(ground state)
|

แผนภาพปรมาณูของไฮโดรเจน
แสดงการกระโดดของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานหนึ่งไปยังอีกระดับพลังงานหนึ่ง
แล้วแผ่รังสีออกมา |
ถ้าอิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากภายนอก เช่น แสง ความร้อน
มันจะโดดไปอยู่ชั้นอื่นซึ่งมี ระดับพลังงานสูงเรียกว่า อิเล็กตรอนถูกสูบ
(pump) ขึ้นไป |

แผนภาพแสดงการปล่อยพลังงานเป็นรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดคลื่น |
เมื่อพลังงานจากภายนอกหายไป มันจะคงอยู่ที่ชั้นนั้นด้วยเวลาสั้นมาก
สั้นกว่า ๑๐-๘ วินาที
เวลาที่มันคงอยู่ในชั้นระดับพลังงานสูงนี้ เรียกว่า อายุ (Lifetime)
เมื่อหมดเวลานี้แล้วมันจะโดดกลับ มาอยู่ในชั้น E1
ตามเดิม
แต่เมื่ออิเล็กตรอนโดดไปอยู่ในชั้นบางชั้น อาจคงอยู่ในชั้นนั้นนานกว่าปกติ
เช่น เป็น ๑๐๐,๐๐๐ เท่าของอายุปกติ จึงเรียกว่า
อิเล็กตรอนขณะอยู่ชั้นนี้เกือบมั่นคง (metastable state meta
เป็นภาษากรีกมีความหมายว่า ระหว่างทาง การผ่านไป)
แต่อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนจะไม่คงอยู่ในระดับเกือบมั่นคงนี้
ผลที่สุดก็ตกลงมาอยู่ใน ระดับมั่นคงตามเดิม
และจะปล่อยพลังงานโฟตอนออกมา มีความถี่สูง และมีความเร็วเท่ากับ ๓๐๐,๐๐๐
กิโลเมตรต่อวินาที
อิเล็กตรอนถูกสูบขึ้นไปอยู่ในระดับสูงนี้
เมื่อตกลงมาสู่ระดับต่ำจะไม่พร้อมกัน ต่าง
ตัวต่างตกและต่างก็ให้พลังงานออกมามีความถี่ต่างๆ กัน
และส่งไปคนละทิศละทาง เรียกว่าไม่สัมพันธ์กัน
ขณะที่อิเล็กตรอนถูกสูบขึ้นไปนี้ เราไม่ปล่อยให้มันตกลงมาระดับต่ำเอง
แต่ใช้พลังงานโฟตอนจำนวนน้อยๆ
และมีความถี่
ที่ต้องการส่งเข้าไปกระทุ้งให้อิเล็กตรอนร่วงลงมาสู่ระดับต่ำพร้อมๆ
กัน อิเล็กตรอนเหล่านี้ จะให้พลังงานโฟตอนออกมาพร้อมกัน เป็นจำนวนมาก
และมีความถี่เดียว กับพลังงานโฟตอนที่ใช้กระทุ้ง
และเคลื่อนที่ไปในทิศเดียวกับโฟตอนที่ใช้กระทุ้ง
นี่เป็นการขยายหรือเพิ่มพลังงานจำนวนน้อยให้เป็นมากและเข้ม
ความรู้และสมมุติฐานดังกล่าวแล้วก่อกำเนิดแสงเลเซอร์
ส่วนประกอบของเครื่องทำเลเซอร์
เครื่องชนิดนี้ประกอบด้วยแท่งทับทิม
ที่ปรุงขึ้นจากอะลูมิเนียมออกไซด์กับโครเมียม
เป็นรูปทรงกระบอกมีเส้นผ่าศูนย์กลาง
๑/๒ นิ้ว ยาว ๒ ถึง ๘ นิ้ว ปลายทั้งสองขัดให้เรียบและฉาบเงินเพื่อให้เป็นกระจกเงา
ปลายข้างหนึ่งฉาบเงินโดยทั่ว
ส่วนปลายอีกข้างหนึ่งฉาบเงินไม่หมด
เว้นช่องตรงกลางให้แสงผ่านได้ |

แผนภาพแสดงส่วนประกอบของเครื่องผลิตแสงเลเซอร์ |
กระบอกทับทิมนี้ บรรจุอยู่ในท่อแก้วซึ่งบรรจุตัวระบายความร้อน (coolant)
ซึ่งอาจใช้ไนโตรเจนเหลว
รอบท่อแก้วมีหลอดเรืองแสงเซนอนขดอยู่โดยรอบ ซึ่งให้แสงสีเขียวเป็นห้วงๆ
(flash) |

แผนภาพเปรียบเทียบลักษณะของการปล่อยพลังงาน
|
อะตอมของโครเมียมจะดูดแสงสีเขียวจากหลอดเรืองแสง
และอิเล็กตรอนจะถูกดันขึ้นไป อยู่ระดับพลังงานสูง
เมื่ออิเล็กตรอนบางตัวตกกลับไปยังสภาพปกติมันจะคายพลังงานเป็นแสงสี แดง
และจะถูกกระจกเงาสะท้อนมาข้างหน้า
ระหว่างทางที่มันผ่าน จะชนอิเล็กตรอน ที่สะสมพลังงานอยู่แล้ว
จึงเท่ากับไปกระทุ้งพลังงานให้หลุดจากอิเล็กตรอน
แสงที่ส่งออกมาจากอิเล็กตรอนนี้ ยังกระเพื่อมพร้อมกัน (in phase)
|
และแสงที่เกิดใหม่ก็ยิ่งช่วยกันชนอิเล็กตรอนตัวอื่นๆ
เพิ่มขึ้นอีก
ทำให้ได้พลังงานจำนวน มากและเข้ม เพราะคลื่นเหล่านี้วิ่งไปในทางเดียวกัน
นอกจากนี้ ยังมีเครื่องทำแสงเลเซอร์ชนิดอื่นๆ อีก เช่น
เครื่องที่ใช้ส่วนผสมของก๊าซฮีเลียม และนีออน
คุณสมบัติของเลเซอร์
๑. มีทิศทางเดียว ลำแสงเกิดเป็นเส้นขนาน (directivity or collimation)
๒. มีสีเดียว หรือขนาดความยาวคลื่นอันเดียว (monochromativity or
wavelength purity)
๓. ให้กำลังงานสูงสุด (peak power) สูงมาก
เลเซอร์มีสองชนิด คือ ชนิดที่ปล่อยออกมาเป็นห้วงๆ (pulse laser)
และชนิดที่ปล่อยออก มาติดต่อกัน (continuous laser)
การใช้งาน
๑. แสงเลเซอร์ชนิดที่ปล่อยออกมาเป็นห้วงๆ ใช้เจาะของแข็ง เช่น เพชร
เจาะนำทำอุโมงค์
๒. ใช้แสงเลเซอร์ชนิดที่ปล่อยออมาเป็นห้วงๆ เผาไหม้สารต่างๆ เช่น โลหะ
เมื่อต้อง การตกแต่งของบางอย่างที่ต้องการความละเอียดลออ
โดยส่องแสงเป็นลำเล็กๆ (เท่าปลายเข็ม) ไปเผาไหม้จุดที่ต้องการตกแต่ง
โลหะตรงที่ถูกแสงจะหลอมแล้วระเหยเป็นไอไป หรือใช้เชื่อมโลหะ
ที่ต้องการความประณีต
๓. ใช้แสงเลเซอร์ชนิดที่ปล่อยออกมาติดต่อกัน
วัดความยาวแบบเดียวกับใช้เรดาร์หาตำแหน่งเรือ
๔. ใช้เป็นตัวนำคลื่นวิทยุ (radio wave carrier)
๕. ใช้เชื่อมเยื่อเรตินาของตา (eye surgery)
 |
เครื่องผลิตแสงเลเซอร์๑ แท่งทับทิม ๒
กระบอกแก้วบรรจุตัวระบายความร้อน๓ ขดลวดไฟเรืองแสงสีเขียว ๔
ทางเข้าของตัวระบายความร้อน๕ ทางออกของตัวระบายความร้อน |
|