แหล่งกำเนิดของแสงเลเซอร์

ก่อนจะเข้าใจแหล่งกำเนิดหรือที่มาของเลเซอร์ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจถึงหน่วยย่อยของของธาตุหรือสสารก่อน ซึ่งหน่วยย่อยนั้นคือ หน่วยโครงสร้างอะตอม โดยแบบจำลองอะตอมที่ได้ถูกเสนอขึ้นโดยนักฟิสิกส์ กล่าวว่าโครงสร้างอะตอมนั้นประกอบด้วย นิวเคลียสที่อยู่บริเวณตรงกลางอะตอม มีประจุบวก และ อิเล็กตรอนซึ่งเป็นประจุลบโคจรอยู่รอบๆ อะตอมจะสามารถมีพลังงานได้ค่าหนึ่ง ซึ่งเกิดขึ้นจากการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนที่อยู่ภายในอะตอม โดยที่พลังงานค่านั้นขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนและประจุบวกที่อยู่ในนิวเคลียสของอะตอม เรียกว่า quantized energy

พลังงานของอะตอม

พลังงานของอะตอมที่แตกต่างกันไปในแต่ละอะตอมนั้น เกิดจากพลังงานในระดับวงโคจรที่ต่างกันของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส  สามารถทำการจัดเรียงพลังงานต่างๆ ของอะตอมได้ตั้งแต่ค่าน้อยไปจนถึงค่ามาก และสำหรับกรณีที่อะตอมได้รับพลังงานกระตุ้นในปริมาณที่เหมาะสม จะทำให้อะตอมมีค่าพลังงานเพิ่มสูงขึ้น และโดยธรรมชาติแล้วอะตอมจะคายพลังงานส่วนเกินที่ได้รับออกมาอย่างรวดเร็วเพื่อให้มีพลังงานต่ำลง

ในสภาวะสมดุลความร้อนของอะตอมใดๆ หนึ่งอะตอม จะมีพลังงานเฉพาะซึ่งจะสามารถอยู่ในชั้นพลังงานใดชั้นพลังงานหนึ่งได้อยู่หนึ่งค่า แต่ในธรรมชาติ ที่ธาตุและสารประกอบนั้นประกอบไปด้วยอะตอมเป็นจำนวนมาก ในชั้นพลังงานของอะตอมจึงมีปริมาณอะตอมกระจายอยู่ในจำนวนที่ไม่เท่ากัน และที่ปริมาณประชากรอะตอมโดยทั่วไปนั้น ในชั้นพลังงานสูงจะมีปริมาณประชากรน้อยกว่าในชั้นพลังงานต่ำ

อะตอมที่ถูกกระตุ้นโดยพลังงานจากภายนอกจะทำให้เกิดการเปลี่ยนระดับพลังงานของประชากรอะตอมได้ โดยที่พลังงานจากภายนอกที่มากระตุ้นนั้น ต้องมีค่าพลังงานเท่ากับขนาดของผลต่างของระดับชั้นพลังงานที่ต้องการเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น หากต้องการกระตุ้นอะตอมหนึ่งที่เดิมอยู่ในสถานพื้น ให้ไปอยู่ในสถานะกระตุ้นที่ 1 ด้วยโฟตอนแสงหรืออนุภาคของแสง โฟตอนแสงที่ไปกระตุ้นนั้นจะต้องมีพลังงานเท่ากับขนาดของผลต่าง E0 – E1

ปรากฏการณ์การดูดกลืนแสง

ปรากฏการณ์การดูดกลืนแสง (light absorption) เป็นปรากฏการณ์การเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานของอะตอมที่เกิดขึ้นจากการดูดกลืนโฟตอนแสงที่เข้ามากระตุ้น ซึ่งอะตอมที่อยู่ในระดับชั้นพลังงาน E1 ที่ไม่เสถียรนั้น จะกลับมาอยู่ในชั้นพลังงาน E0 ดังเดิมเมื่อเวลาผ่านไปอย่างรวดเร็ว โดยทำการปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของโฟตอนแสง ที่มีค่าพลังงานเท่ากับ E1 – E0 หรือเท่ากับขนาดของผลต่างของระดับชั้นพลังงานที่ต้องการเปลี่ยนแปลงดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ซึ่งปรากฏการณ์การปลดปล่อยโฟตอนโดยธรรมชาติของอะตอมนี้ คือ ปรากฏการณ์การปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเอง (spontaneous emission) ไอน์สไตน์ ได้ทำการเสนอความคิดหนึ่งในปี ค.ศ. 1917 คือ ปรากฏการณ์ปล่อยแสงของอะตอมไม่ใช่มีเพียงแค่ปรากฏการณ์แบบเกิดขึ้นได้เองตามธรรมชาติเท่านั้น

แต่การปล่อยแสงยังสามารถทำให้เกิดได้โดยการถูกกระตุ้น(spontaneous emission) อีกด้วย ซึ่งการปล่อยแสงโดยการถูกกระตุ้นดังกล่าว เป็นขั้นตอนหลักของการกำเนิดแสงเลเซอร์ เกิดขึ้นในขณะที่อะตอมนั้นอยู่ในสถานะกระตุ้น ตัวอย่างเช่น อะตอมหนึ่งอยู่ในระดับชั้นพลังงาน E1 ถูกกระตุ้นโดยโฟตอนแสงภายนอกที่มีพลังงานเท่ากับความแตกต่างของระดับพลังงาน E1 – E0 เข้ามาชน จะส่งผลให้อะตอมที่อยู่ในชั้นพลังงาน E1 นี้ ถูกกระตุ้นให้ลงไปยังชั้นพลังงาน E0 โดยอะตอมนั้นจะทำการคายพลังงานออกมาในรูปของโฟตอนที่มีพลังงานเท่ากับ E1 – E0 และเนื่องจากตัวกระตุ้นหรือโฟตอนที่เข้ามาชนนั้นไม่ได้ถูกดูดกลืนไปโดยอะตอมที่ถูกชน จำนวนโฟตอนจึงเพิ่มขึ้นเป็นสองอนุภาค ได้แก่ โฟตอนที่เข้ามากระตุ้นอะตอม และโฟตอนที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนระดับพลังงานหรือเปลี่ยนสถานะของอะตอม โฟตอนที่ได้มาจากการคายพลังงานของอะตอมทั้งสองอนุภาคนี้จะมีพลังงานเท่ากัน มีเฟสตรงกัน มีโพลาไรเซชันเหมือนกัน มีความถี่เดียวกัน และมีการเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน ถ้าหากพิจารณาเป็นมุมมองรูปคลื่นแล้ว ความเหมือนกันของโฟตอนสองโฟตอนดังกล่าวนั้นจะสามารถรวมกันได้คลื่นในลักษณะเสริมกัน เป็นผลให้ได้คลื่นรวมที่มีขนาดโตมากขึ้น เรียกปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นดังกล่าวว่าเป็นปรากฏการณ์ การขยายสัญญาณแสง หรือ light amplification ซึ่งหากสามารถทำให้เกิดปรากฏการณ์การขยายสัญญาณแสงดังกล่าวนี้ได้กับอะตอมที่มีปริมาณมากๆ จะทำให้เกิดเป็นสัญญาณแสงที่มีความเข้มสูงออกมาได้

จากข้อมูลที่กล่าวมาข้างต้น ทำให้พบว่าปัจจัยอย่างหนึ่งที่สำคัญในการจะทำให้เกิดการขยายแสงโดยการกระตุ้นได้เป็นปริมาณมากๆ นั้นคือ การเพิ่มปริมาณอะตอมในสถานะกระตุ้นให้มากขึ้น ซึ่งวิธีนี้ไม่สามารถทำได้จริงในธรรมชาติ จึงจำเป็นต้องหาวิธีในการทำให้ประชากรอะตอมในสถานะกระตุ้น E1 มีปริมาณมากกว่าสถานะพื้น E0 วิธีดังกล่าวนี้ เรียกว่า ประชากรผกผัน (population inversion) เป็นปรากฏการณ์ที่ทำให้จำนวนประชากรอะตอมในชั้นพลังงานสูงมีมากกว่าประชากรในชั้นพลังงานต่ำ ซึ่งตามทางปฏิบัติในธรรมชาตินั้นสามารถทำให้เกิดประชากรผกผันได้ โดยการนำพลังงานกระตุ้นจากภายนอกในปริมาณหนึ่งที่เหมาะสมและมากพอในการทำให้ประชากรอะตอมสามารถเปลี่ยนแปลงสถานะ คือจากสถานะพื้น E0 ไปยังสถานะกระตุ้น E1ได้ และสามารถทำให้อะตอมปลดปล่อยโฟตอนแสงออกมา เพื่อให้ประชากรอะตอมในสถานะกระตุ้นให้ตกกลับมายังสถานะพื้นเช่นเดิมได้

อย่างไรก็ตาม การปล่อยแสงเพียงครั้งเดียวจากการกระตุ้นประชากรอะตอมนั้นยังไม่สามารถทำให้ได้แสงเลเซอร์ออกมาได้ เนื่องจากตามธรรมชาติแล้ว ขณะที่เกิดการปล่อยแสงโดยการถูกกระตุ้น จะมีการดูดกลืนแสงเกิดขึ้นโดยประชากรอะตอมในสถานะพื้นไปพร้อมๆ กัน ทำให้ได้ความเข้มแสงในปริมาณที่น้อยลง ดังนั้นหากต้องการเพิ่มความเข้มของสัญญาณแสงให้มากขึ้น วิธีทำให้เกิดปรากฏการณ์ปล่อยแสงโดยการถูกกระตุ้นอย่างต่อเนื่องจึงถูกพิจารณามาใช้ หลักการคือการนำโฟตอนแสงที่ได้จากการปลดปล่อยของประชากรอะตอมมาใช้ต่อสำหรับการกระตุ้นอะตอมอีก เพื่อให้เกิดการปลดปล่อยแบบถูกกระตุ้นซ้ำๆ อย่างต่อเนื่องจนถึงจุดเลสซิง(lasing point)  หรือจุดออสซิลเลตของเลเซอร์ (laser oscillating point) คือจุดที่สัญญาณแสงมีความเข้มสูงขึ้นมากพอที่จะทำให้แสงที่ได้ออกมานั้นมีคุณสมบัติเป็นแสงเลเซอร์ ด้วยสาเหตุนี้ คำว่า LASER ในภาษาอังกฤษนั้นจึงถูกย่อมาจากที่มาของการเกิดแสงเลเซอร์ คือจากปรากฏการณ์ขยายสัญญาณโดยการปล่อยแสงแบบถูกกระตุ้น หรือที่เรียกว่า Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation