ลำแสงเลเซอร์ ความยาวคลื่นแบบเฉพาะ คุณสมบัติของลำแสงเลเซอร์

“ลำเลเซอร์” ย่อมาจากคำในภาษาอังกฤษว่า “light amplification by stimulated emission of radiation” เรียกสั้นๆ ว่า Laser สำหรับทางฟิสิกส์ คือหนึ่งในอุปกรณ์ที่เป็นแหล่งกำเนิดลำแสงที่มีความเฉพาะตัว เป็นการผสมผสานเทคโนโลยีระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมร่วมกับอุณหพลศาสตร์

พลังงานของแสงเลเซอร์จะมีคุณสมบัติที่หลากหลาย ขึ้นอยู่กับเป้าหมายในการออกแบบและการนำมาประยุกต์ใช้งาน โดยเลเซอร์ส่วนมากจะมีขนาดเล็ก พบการเบี่ยงเบนน้อย (low-divergence beam) ระบุความยาวของคลื่นแสงได้ง่าย ซึ่งดูได้จากสีของเลเซอร์เอง หากอยู่ในสเป็กตรัมที่ตาเปล่ามองเห็นได้ เรียกว่า “visible spectrum” หากเรานิยามความหมายของลำแสงเลเซอร์ให้เข้าใจได้ง่าย สิ่งนี้ก็คือ การรวมพลังแสงที่ส่งมาจากหลายความยาวคลื่นเข้ามารวมเป็นเส้นเดียวกัน

เลเซอร์อาจจะหมายความรวมไปถึงการที่พลังงานแสงวิ่งผ่านทางที่เป็นสื่อนำแสง โดยสื่อนำแสงสามารถเป็นได้ทั้งของแข็ง ของเหลว ก๊าซ ไปจนถึงอิเล็กตรอนในรูปอิสระ ที่มีคุณสมบัติสามารถนำแสงได้ โดยอยู่ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดคือ ออบติคอล คาวิตี้ (Optical cavity) ซึ่งจะประกอบด้วยกระจกทั้งหมด 2 อัน มีการจัดเรียงลำแสงเข้าด้วยกันครั้งแล้วครั้งเล่า แต่ละครั้งจะมีการผ่านสื่อนำแสง มีกระจกหนึ่งในนั้นทำหน้าที่เป็นตัวส่งลำแสงออกมา (Output coupler)

ตัวลำแสงเลเซอร์ที่ส่งผ่านไปยังสื่อนำแสง จะมีความยาวคลื่นแบบเฉพาะ มีพลังงานเพิ่มเข้ามา ทำให้กระพยายามที่จะกระตุ้นให้แสงส่วนมากส่องผ่านไปยังสื่อนำแสงออกมาเป็นลำแสงเลเซอร์ให้ได้ จากกระบวนการเหนี่ยวนำลำแสง ซึ่งจะช่วยเพิ่มพลังงาน ให้เกิดเป็นพลังงานไฟฟ้าหรือพลังงานแสงที่อยู่ในหลายความยาวคลื่น ความยาวคลื่นของแสงที่พบในแต่ละความยาวคลื่น จะมีการส่งผลโดยตรงต่อรูปร่าง คุณสมบัติและความยาวคลื่นของลำแสงเลเซอร์ที่ถูกสร้างขึ้น

ในการค้นคว้าวิจัยเกี่ยวกับลำแสงเลเซอร์ เกิดขึ้นครั้งแรกในเดือน พฤษภาคม ปี 1960 ด้วยฝีมือของ โอดอร์ ไมแมน (Theodore Maiman) ณ สถาบันวิจัย ฮิวจ์ (Hughes Research Laboratories)

คุณสมบัติของลำแสงเลเซอร์

1. มีคุณสมบัติที่มีทิศทางเดียวแน่นอน เรียกว่า “Directionality” ตัวลำแสงจะขนานไปในทิศทางเดียวกันตลอด แม้จะอยู่ระยะทางไกลแค่ไหน ไม่มีการบานส่วนปลายออกมา แต่ความเข้มของแสงเลเซอร์ก็จะลดลงตามระยะทาง
2. เป็นแสงจัดอยู่ในกลุ่มแสงเอกรงค์ (Monochromaticity) เนื่องจากแสงเลเซอร์จะมีความยาวคลื่นเพียงค่าเดียวเท่านั้น ต้นกำเนิดแสงที่เราพบในชีวิตประจำวัน ไม่ว่าจะเป็นหลอดไฟฟ้าหรือดวงอาทิตย์ จะเป็นสีขาว แต่หากนำไปผ่านปริซึม เราจะมองเห็นแสงสีต่างๆ แยกออกมา ส่วนแสงที่ต่อเนื่องจากสีม่วงไปจนถึงสีแดง ก็คือ “แถบสเปกตรัมของแสงเลเซอร์” เช่น เลเซอร์ฮีเลียม- นีออน หากให้แสงดังกล่าวส่องผ่านปริซึมจะไม่มีการแยกออกเป็นหลายๆ เส้น แต่จะเป็นเพียง 1 เส้นเช่นเดิม โดยมีระยะความยาวคลื่น 632.8 นาโนเมตร
3. ลำแสงเลเซอร์มีคุณสมบัติความเจิดจ้า (Brightness) ถือว่าเป็นลักษณะพิเศษที่มีความโดดเด่นแตกต่างจากแหล่งกำเนิดแสงชนิดอื่น อีกทั้งยังเป็นแสงที่มีความเข้มข้นสูง ลำแสงที่ตกกระทบกับวัตถุจะเกิดเป็นแสงที่มีความระยิบตา เรียกว่า “Laser Speackle” ยิ่งส่องกระทบกับวัตถุที่มีความหยาบ หรือในบรรยากาศที่เต็มไปด้วยฝุ่นละออง ควัน หรืออนุภาคแขวนลอย จะทำให้เกิดการสะท้อนกลับแบบไร้ทิศทางกับตัวอนุภาคหรือผิวของวัตถุนั้นๆ อีกทั้งยังสามารถเกิดการแทรกสอดของลำแสงจนเกิดเป็นความระยิบระยับขึ้นมา
4. เลเซอร์ฮีเลียม-นีออน ขนาด 1 mW แม้จะเป็นระดับลำแสงที่อยู่ในความเข้มข้นต่ำ แต่กลับมีความเข้มสูงมากกว่าแสงอาทิตย์ จึงเป็นอันตรายได้หากฉายเข้าดวงตาของมนุษย์โดยตรง เสี่ยงที่จะทำให้เกิดตาบอดเฉียบพลันได้เลยทีเดียว เลเซอร์ที่มีกำลังสูงอย่างมาก นิยมใช้ในด้านการทหาร และการตัดโลหะให้เป็นท่อน
5. เลเซอร์มีความเป็นอาพันธ์ (coherence) สังเกตในหลอดไฟฟ้าที่เปล่งแสงออกมาจะประกอบไปด้วยอะตอมขนาดเล็กจำนวนมาก โดยอะตอมเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นต้นกำเนิดแสงได้ดี ดังนั้นอะตอมจะมีการปล่อยแสงออกมาได้อย่างอิสระ แสงที่ปล่อยอกมาจะมีเฟสและความยาวคลื่นที่แตกต่างกันออกไป ไม่เพียงเท่านั้น คลื่นที่ปล่อยออกมาจะมีทิศทางไม่แน่นอน หรือจะเรียกได้ว่าเป็นแบบ random ก็ได้ ทั้งนี้แสงต้นกำเนิดมาจากแสงธรรมชาติ ที่เรียกว่า “แสงอินโคฮีเรนต์ (incoherence light)” เป็นต้นกำเนิดแสงเลเซอร์ที่จะให้แสงสีเดียวเท่านั้น ไม่ว่าจะอยู่ในคลื่นแสงใดก็ตาม จะอยู่ในเฟสเดียวกันทั้งหมด เราอาจเรียกแสงเลเซอร์ในอีกชื่อหนึ่งว่า แสงโคฮีเรนต์ (coherence light)

คุณสมบัติเด่นของแสงเลเซอร์ คือเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีการจัดคลื่นแสงได้อย่างเป็นระเบียบ ลำแสงมีความเข้มข้นสูง จึงเหมาะสำหรับนำมาใช้งานได้หลากหลายด้านเป็นอย่างมาก ไม่ว่าจะเป็นการตัด เชื่อม หรือเจาะ ด้วยความเข้มข้นมาก มีโฟกัสลำแสงขนาดเล็กเป็นเส้นเดียว ก็จะดัดแต่งวัสดุต่างๆ ได้ตามต้องการ เหมาะสำหรับชิ้นงานที่มีความละเอียดสูง และนิยมใช้เลเซอร์ที่มีกำลังสูง เช่น เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ เป็นต้น

ในอุตสาหกรรมยุคปัจจุบัน เลเซอร์ถูกนำมาใช้ในกระบวนการช่วยทำงานในด้านต่างๆ อย่างหลากหลาย และช่วยสร้างรายได้เพิ่มมากขึ้นหลายล้านดอลลาร์เลยทีเดียว เลเซอร์ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวาง ไม่เว้นแม้กระทั่งสิ่งเล็กๆ น้อยๆ รอบตัวเรา เช่น เครื่องเล่นดีวีดี เครื่องสแกนบาร์โค้ด หรืออุปกรณ์ตัดโลหะ เป็นต้น นอกจากนี้ยังใช้ทางด้านการแพทย์ การทหาร และการสร้างโฮโลแกรมสามมิติ ที่เรียกว่าเราจะต้องขอบคุณไอสไตน์และงานด้านควอนตัมที่ช่วยให้เข้าใจถึงอนุภาคพิเศษชนิดนี้ได้อย่างถ่องแท้มากที่สุด – ไทยเจริญเทค รับตัดเลเซอร์โลหะ เหล็ก อลูมิเนียม ฯลฯ