ผู้คิดค้นเลเซอร์ นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ประวัติความเป็นมาที่น่ารู้

ซี.เอช. ทาวน์ส (C.H. Townes) เป็นผู้คิดค้นเลเซอร์ โดยในปี ค.ศ. 1954 เขาได้เสนอทฤษฎีเลเซอร์ และจากทฤษฎีดังกล่าวทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีต่อมาคือปี ค.ศ. 1964

ซี.เอช. ทาวน์ส (C.H. Townes)

นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน โอดอร์ เอช ไมแมน (Theodore H.Maiman) เป็นผู้ที่ประดิษฐ์แสงเลเซอร์ได้เป็นคนแรกของโลก มากกว่านั้นเขายังได้ทำการศึกษา ค้นคว้าและวิจัยเกี่ยวกับแสงเลเซอร์ที่สถาบันวิจัย ฮิวจ์ (Hughes Research Laboratories) จนประสบความสำเร็จในการพิสูจน์ทฤษฎีเลเซอร์ของ C.H. Townes อีกด้วย โดยในปี ค.ศ.1960 เขาได้สร้างอุปกรณ์ที่ให้กำเนิดแสงเลเซอร์คือ เลเซอร์ทับทิม (Ruby Laser) มีหลักการคือ การพันขดรอบผลึกทับทิมซึ่งเป็นวัสดุแข็งที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นจากส่วนผสมของโครเมียมออกไซด์กับอลูมิเนียม ด้วยท่อแสงอิเล็กทรอนิกส์ อะตอมโครเมียมในแท่งทับทิมนั้นจะได้รับการกระตุ้นให้ปล่อยลำแสงเลเซอร์ออกมาตามท่อซึ่งใช้เวลาเพียง 1 ใน 2,000-3,000 ของวินาที ในการถูกเร่งให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานจากสภาวะพลังงานต่ำไปยังสภาวะพลังงานสูง หลังจากนั้นจึงจะกลับเข้าสู่สภาวะพื้นหรือสภาวะปกติ โดยในขณะที่อะตอมโครเมียมกลับเข้าสู่สถานะพื้นนั้น พลังงาน “โฟตอน” จะถูกปล่อยออกมาพร้อมๆกัน เมื่อพลังงานโฟตอนดังกล่าวที่ถูกปล่อยออกมาวิ่งเข้าชนกับอะตอมโครเมียม จะส่งผลให้อะตอมโครเมียมปล่อยพลังงานโฟตอนออกมาอีกเรื่อยๆ ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกันของอะตอมกับโฟตอน จนเกิดเป็นลำแสงสะท้อนขึ้นระหว่างปลายแต่ละข้างของกระจกในแท่งทับทิม ซึ่งหากกระจกที่ฉาบปรอทไว้ครึ่งหนึ่งถูกลำแสงส่องผ่านจะให้เกิดลำแสงสีแดงพุ่งออกมาจากปลายข้างหนึ่ง

โอดอร์ เอช ไมแมน (Theodore H.Maiman)

จาแวน (Javan) เป็นผู้ประดิษฐ์คิดค้นการสร้างเลเซอร์จากก๊าซฮีเลียมและนีออน ซึ่งถือได้ว่าเป็นการประสบความสำเร็จอย่างยิ่งในการพัฒนาแสงเลเซอร์ หลังจากนั้นเขาได้ทำการคิดค้นและผลิตเลเซอร์จากสารชนิดต่างๆ มากมาย ได้แก่ เลเซอร์ที่สร้างขึ้นจากของแข็ง ของเหลว รวมทั้งก๊าซอื่นๆ และจากสารกึ่งตัวนำจำพวกไดโอด ทำให้เทคโนโลยีเลเซอร์มีความก้าวหน้าและพัฒนาไปอย่างต่อเนื่อง

เลเซอร์ไดโอด คือเลเซอร์ที่ถูกสร้างขึ้นจากสารกึ่งตัวนำที่เป็นสารประกอบ ตัวอย่างเช่น สารแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) สารอินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสฟายด์ (In GaAsP) และสารแกลเลียมอะลูมิเนียมอาร์เซไนด์ (GaAlAs) ซึ่งแถบพลังงานที่มีค่าต่างกันนั้นเป็นตัวที่ใช้ในการกำหนดค่าความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์เลเซอร์ การนำไดโอดแต่ละชนิดไปใช้ในการทำงานจึงถูกแบ่งการใช้งานตามคุณสมบัติ และลักษณะของค่าความยาวคลื่นนั้นๆ ตัวอย่างเช่น สำหรับเครื่องคอมแพคดิสก์ จะใช้เลเซอร์ไดโอดที่ให้สีแสงแดง เป็นต้น

ข้อดีของเลเซอร์ไดโอดคือ เนื่องจากเป็นเลเซอร์ที่มีขนาดเล็ก ใช้ไฟน้อย และสามารถใช้เทคโนโลยีด้านสารกึ่งตัวนำเลเซอร์ไดโอดทำการผลิตได้จำนวนมาก จึงถูกนำไปใช้งานในหลากหลายด้าน ได้แก่ การใช้เป็นเลเซอร์ พอยท์เตอร์ (Laser Pointer) ใช้เป็นหัวอ่านของเครื่องวิดีโอเลเซอร์ดิสก์ เครื่องคอมแพคดิสก์ และเครื่องถ่ายเอกสารประเภทเลเซอร์ พริ้นเตอร์ (Laser Printer) รวมทั้งถูกนำไปใช้สำหรับการสื่อสารผ่านเส้นใยแก้วนำแสง

ในทางฟิสิกส์นั้น คำว่า “เลเซอร์” หมายถึง อุปกรณ์ที่สามารถให้กำเนิดลำแสงลักษณะเฉพาะ จากการรวมกันของเทคโนโลยีกลศาสตร์ควอนตัมและเทคโนโลยีอุณหพลศาสตร์ ซึ่งพลังงานแสงเลเซอร์นั้นสามารถถูกสร้างและออกแบบขึ้นตามจุดประสงค์การใช้งาน ทำให้ได้คุณสมบัติที่มีความหลากหลาย โดยส่วนมากเลเซอร์จะมีลำแสงขนาดเล็ก มีค่าความเบี่ยงเบนน้อย (Low-Divergence Beam) และผู้ใช้สามารถกำหนดความยาวคลื่นได้ ยิ่งหากมีความยาวคลื่นอยู่ในสเป็กตรัมที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า (Visible Spectrum) จะสามารถใช้สีของเลเซอร์ระบุความยาวของคลื่นได้ง่ายขึ้น

จึงอาจกล่าวได้ว่า เลเซอร์เกิดขึ้นจากการรวมกันของพลังงานแสงที่ถูกส่งออกมาเข้าด้วยกัน มีค่ายาวคลื่นต่างกัน รวมไปถึงสามารถให้พลังงานผ่านสื่อนำแสงที่มีสถานะเป็นได้ทั้งของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งอิเล็กตรอนอิสระมีคุณสมบัติที่ที่ง่ายที่สุดในการนำแสง ด้วย ออบติคอล คาวิตี้ (Optical Cavity) ที่ถูกประกอบขึ้นจากกระจก 2 แผ่น ใช้เป็นตัวจัดเรียงแสงเข้าด้วยกัน โดยแต่ละครั้งลำแสงจะผ่านสื่อนำแสงไปกระทบโดนกระจก (Output Coupler) แล้วส่งลำแสงกลับออกมา

คุณสมบัติหลัก 4 ข้อของแสงเลเซอร์

1. เป็นแสงสีเดียวและมีค่าความยาวคลื่นเดียว
2. มีเฟสและมีหน้าคลื่นเดียวกัน
3. มีทิศทางเป็นลำแสงแน่นอน
4. มีความเข้มและจำนวนโฟตอนต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่สูง

คุณสมบัติหลักของเลเซอร์ทั้ง 4 นี้ เรียกว่า คุณสมบัติโคฮีเร้นท์ (Coherent) ที่ทำให้เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงแบบโคฮีเร้นท์ (Coherent Light Source) จุดเด่นดังกล่าวทั้ง 4 ข้อนี้มี ทำให้แสงเลเซอร์สามารถนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์ได้หลากหลาย รวมทั้งข้อดีของแสงเลเซอร์ที่มีค่าความยาวคลื่นแน่นอนจึงถูกนำไปใช้เป็นมาตรฐาน และสำหรับงานที่จำเป็นต้องใช้ความแม่นยำสูง เช่น การวัดระยะทาง การนำร่อง การสื่อสาร การบันทึกข้อมูลภาพสามมิติโดยใช้หน้าคลื่นที่เป็นระเบียบของแสงเลเซอร์ และเนื่องด้วยค่าความเข้มสูงของแสงเลเซอร์ จึงถูกนำไปใช้งานสำหรับงานอุตสาหกรรม การตัด เจาะ เชื่อมวัสดุ รวมทั้งงานด้านการแพทย์ที่ใช้แสงเลเซอร์ในการผ่าตัดอีกด้วย

ลำแสงเลเซอร์ที่ผ่านทางสื่อนำแสงนั้นให้ค่าความยาวคลื่นเฉพาะตัว และจะให้พลังงานที่เพิ่มขึ้น เรียกว่า กระบวนการเหนี่ยวนำลำแสงเพื่อเพิ่มพลังงาน โดยกระจกจะเป็นตัวทำให้แสงส่วนมากสามารถผ่านสื่อนำแสงจนออกมาเป็นลำแสงเลเซอร์ได้ กระบวนการดังกล่าวจำเป็นต้องใช้แสงที่มีความยาวคลื่นหลากหลาย หรือ อาจใช้พลังงานไฟฟ้า ซึ่งในแต่ละการทดลองนั้น รูปร่าง คุณสมบัติ และความยาวคลื่นของลำแสงเลเซอร์ที่ออกมาจะขึ้นอยู่กับค่าความยาวคลื่นของแสงโดยตรง

ในเดือนพฤษภาคม ปี 1960 ได้เกิดการค้นคว้าวิจัยเกี่ยวกับเลเซอร์ขึ้นเป็นครั้งแรก ที่สถาบันวิจัย ฮิวจ์ (Hughes Research Laboratories) โดย ทีโอดอร์ ไมแมน (Theodore Maiman) ผลผลิตจากงานวิจัยดังกล่าวทำให้ผู้ใช้เห็นข้อดีของเลเซอร์ คือสามารถใช้งานได้ง่าย มีความแม่นยำสูง และสามารถควบคุมความยาวคลื่นตามงานที่ต้องการได้อย่างเหมาะสม เลเซอร์จึงกลายเป็นอุตสาหกรรมใหญ่ที่สามารถสร้างรายได้มากมายและถูกใช้งานอย่างกว้างขวางมากขึ้นในเวลาต่อมา ทั้งในด้านวิทยาศาสตร์ ด้านอุตสาหกรรม ด้านการแพทย์ หรือแม้กระทั่งด้านการทหาร ซึ่งปัจจุบันเลเซอร์ถือได้ว่าเป็นอุปกรณ์ที่ถูกใช้งานอย่างแพร่หลายและครอบคลุมงานทุกด้าน ตัวอย่างเช่น แผ่นซีดี แผ่นดีวีดี เครื่องเล่นดีวีดี อุปกรณ์ตัดโลหะด้วยเลเซอร์ และเครื่องอ่านบาร์โค้ด เป็นต้น