แสงเลเซอร์ชนิดต่างๆ การแบ่งชนิดของแสงเลเซอร์

ในปัจจุบันได้มีการใช้แสงเลเซอร์กันอย่างแพร่หลาย ไม่ว่าจะเป็นในส่วนของการทดลองวิจัยในห้องแลป หรือการใช้งานในด้านอุตสาหกรรมต่าง ๆ และยังมีการนำมาใช้ในวงการแพทย์เพื่อทำการผ่าตัด ซึ่งแสงเลเซอร์แต่ละชนิดนั้น ก็มีองค์ประกอบที่แตกต่างกัน และมีความเข้มข้นไม่เหมือนกัน อีกทั้งยังสามารถแบ่งออกได้หลายชนิด ลองมาทำความความรู้จักกับแสงเลเซอร์แต่ละชนิดดังต่อไปนี้

เลเซอร์ชนิดต่าง ๆ

โครงสร้างของเครื่องกำเนิดเลเซอร์นั้นจะต้องมีองค์ประกอบหลักอยู่ด้วยกัน 3 ส่วนคือ

1. ตัวกลางเลเซอร์ (laser medium) ซึ่งเป็นตัวทำให้แสงเลเซอร์ออกมา ไม่ว่าจะเป็นในรูปของแก๊ส ของเหลว หรือสารกึ่งตัวนำ
2. ออปติคัลเรโซนเตอร์ (optical resonator) เป็นส่วนประกอบของเครื่องกำเนิดเลเซอร์ ที่ทำให้เกิดการปล่อยแสงแบบถูกกระตุ้นซ้ำไปซ้ำมา จนทำให้เกิดจุดเลสซิง จะประกอบไปด้วยกระจก 2 แผ่น เอามาวางหันหน้าเข้าหากัน โดยตรงกลางจะมีตัวกลางเลเซอร์อยู่
3. แหล่งกำเนิดพลังงาน (energy source) ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นให้อะตอม อยู่ในสภาวะที่เป็นประชากรผกผัน

ในปัจจุบัน เลเซอร์ที่ได้รับความนิยมนำมาใช้งานในอุตสาหกรรม ได้แก่ He-Ne Laser, Argon-Ion Laser, Carbon dioxide Laser , Ruby Laser, Nd:YAG Laser, Semiconductor Laser และ Eximer Laser ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

การแบ่งชนิดของเลเซอร์สามารถแบ่งไปตามลักษณะตัวกลางของเลเซอร์ได้ดังนี้

• Gas Laser : เป็นสารตัวกลางเลเซอร์ที่มีลักษณะเป็นก๊าซ ได้แก่ CO2 Laser, Argon Laser , Xenon Laser , He-Ne Laser
• Solid State Laser : เป็นสารตัวกลางเลเซอร์ที่มีลักษณะเป็นแท่งผลึกแข็ง ได้แก่ Nd:YAG Laser, Ruby Laser
• Dye Laser : เป็นสารตัวกลางเลเซอร์ที่มีลักษณะเป็นของเหลว ได้แก่ Rhodamin 6G Laser
• Semiconductor Laser : เป็นเลเซอร์ที่จะใช้สารตัวกลางของเลเซอร์เป็นสารกึ่งตัวนำ ได้แก่ Diode Laser ชนิดต่าง ๆ

สำหรับเลเซอร์ที่ได้รับความนิยม และนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรมนั้นได้แก่ He-Ne Laser, Argon-Ion Laser, Carbon dioxide Laser, Ruby Laser, Nd:YAG Laser, Semiconductor Laser และ Eximer Laser ซึ่งเลเซอร์แต่ละชนิดก็มีรายละเอียดที่แตกต่างกันดังนี้

He-Ne Laser ฮีเลียม-นีออน เลเซอร์

จัดว่าเป็นเลเซอร์ชนิดแรก ประกอบไปด้วยก๊าซฮีเลียม (He) และนีออน (Ne) ในอัตราส่วน 10:1 แหล่งกำเนิดพลังงานที่กระตุ้นให้เกิดประชากรผกผัน มีชื่อเรียกว่า pumping source ที่จะใช้เป็น electrical discharge ซึ่งจะทำให้อิเล็กตรอนวิ่งผ่านและชนกัน ส่วนก๊าซที่บรรจุอยู่ในหลอดเลเซอร์ จะมีแสงเลเซอร์เป็นสีแดง ซึ่งจะมีความยาวคลื่นอยู่ที่ 632.8 นาโนเมตร และจะมีกำลังอยู่ประมาณ 0.5 – 50 มิลลิวัตต์ สามารถเปลี่ยนพลังงานของอะตอม ให้กลายเป็นเลเซอร์สีเขียวและอินฟราเรดได้ แต่ไม่นิยม เพราะมีความยุ่งยากและมีต้นทุนสูง ส่วนมากจะใช้ในการศึกษาวิจัย การวัด การสร้างภาพโฮโลแกรม ได้มีการนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรมที่ใช้เป็นมาตราฐานในการสอบเทียบการวัดเชิงมิติ

Argon-ion Laser อาร์กอน-อิออน เลเซอร์

เป็นตัวกลางที่เป็นต้นกำเนิดของแสงเลเซอร์ ซึ่งเกิดจากการกระตุ้นอะตอมของอาร์กอน จนอิเล็กตรอน บางอนุภาคหลุดออกไป Pumping source ที่ใช้เป็นแบบ electrical discharge จึงทำให้อิออนและอาร์กอนถูกกระตุ้นไปอยู่ที่ชั้นพลังงานที่สูง เรียกว่า metastable state โดยในส่วนที่เป็น metastable states จะมีอยู่หลายชั้นย่อย ซึ่งสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานได้หลายแบบ แต่สิ่งที่เห็นได้ชัดคือ แสงเลเซอร์ชนิดนี้จะมีความยาวคลื่น 514 นาโนเมตร (สีเขียว) และ 488 นาโนเมตร (สีน้ำเงิน) กำลังของแสงเลเซอร์ชนิดนี้จะอยู่ที่ 1-20 วัตต์ ซึ่งมีข้อเสียคือ ต้องใช้กระแสไฟฟ้าในการ Pump สูงมาก เพราะต้องทำหน้าที่สองอย่างคือ การทำให้อะตอมเป็นอิออน และกระตุ้นอิออนให้เกิดประชากรผกผัน จึงทำให้เกิดความร้อนสูง จำเป็นต้องมีระบบหล่อเย็น อาร์กอน-อิออน เลเซอร์ ซึ่งการใช้เลเซอร์ชนิดนี้จะถูกใช้ในวงการแพทย์ในด้านการผ่าตัด การสร้างโฮโลแกรม (Holography) และงานด้าน Specto photometry

Carbon dioxide Laser คาร์บอนไดออกไซด์ เลเซอร์

เลเซอร์ชนิดนี้มีลักษณะเป็นก๊าซ มีส่วนประกอบคือ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซไนโตรเจน และก๊าซฮีเลียม ในอัตราส่วน 1:1:10 เพื่อทำให้ประสิทธิภาพของเลเซอร์ดีขึ้น ซึ่งมีความแตกต่างจากเลเซอร์ก๊าซประเภทอื่น ๆ มาก เพราะแสงเลเซอร์ชนิดนี้ไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอะตอม แต่เกิดจากการหมุนและการสั่นของโมเลกุลก๊าซ โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ ตามปกติจะมีลักษณะเป็นเส้นตรง โดยมีออกซิเจนอยู่สองข้างและคาร์บอนอยู่ตรงกลาง ลักษณะของการสั่นของโมเลกุลจะเป็นการสั่นขึ้นลงหรือเข้าออกของออกซิเจน เมื่อนำไปเทียบกับคาร์บอน พลังงานจากการเปลี่ยนระดับพลังงานในการสั่นของโมเลกุลจะมีค่าประมาณ 0.1 อิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งจะให้ความยาวคลื่นแสงเลเซอร์อยู่ที่ 10.6 ไมครอน (10.6X10-6 เมตร) ซึ่งจัดว่าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ในช่วงของอินฟราเรด จากการที่พลังงานจากการเปลี่ยนระดับพลังงานมีค่าต่ำ ทำให้ pump โดยใช้ electrical discharge ได้ง่าย แถมยังมีประสิทธิภาพสูงมากถึง 20% ซึ่งถือว่ามากถ้าหากเทียบกับเลเซอร์ทั่วไป ที่มีประสิทธิภาพประมาณ 1%

คาร์บอนไดออกไซด์เลเซอร์ โดยปกติแล้วจะมีพลังงานอยู่ที่ประมาณ 10 – 2,000 วัตต์ ถ้าหากในไปใช้งานเกี่ยวกับการตัดกระดาษหรือผ้าหรือการแกะสลักไม้และพลาสติกจะใช้กำลังอยู่ที่ 10 – 5 วัตต์ แต่ถ้าใช้สำหรับการเจาะโลหะ จะต้องใช้กำลังสูงอยู่ที่ 100 วัตต์ขึ้นไป แต่เลเซอร์ชนิดนี้ไม่เหมาะสำหรับการนำมาใช้แกะสลักหรือเจาะวัสดุที่มีความแข็งสูง ซึ่งการใช้โดยส่วนใหญ่แล้วมักใช้กับวัสดุที่เป็นอโลหะ เพราะระบบคาร์บอนไดออกไซด์แบบชนิดที่มีกำลังสูงนั้น จะมีขนาดใหญ่จนเกินไป แถมยังมีอุปกรณ์ที่ต้องใช้ อันได้แก่ ถังก๊าซ ปั๊มสูญญากาศ และอุปกรณ์ควบคุมความดัน อีกทั้งยังต้องอาศัยแหล่งจ่ายความดันสูงประมาณ 10 – 25 กิโลโวลต์ จึงทำให้ทำให้การเคลื่อนย้ายเป็นไปอย่างลำบาก

Ruby Laser

จัดว่าเป็นเลเซอร์ชนิดของแข็ง ซึ่งมีลักษณะที่สำคัญคือ ตัวกลางของเลเซอร์จะเป็นแท่งผลึกของฉนวน จะทำหน้าที่เป็น host และมีการฉาบ (dope) โครเมียม (เป็น impurity) เข้าไป ซึ่งเลเซอร์ชนิดนี้มีชื่อเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า doped insulator laser และมีตัวอย่างเลเซอร์หลัก ๆ 2 ชนิดที่ใช้เทคนิคนี้ ซึ่งได้แก่ เลเซอร์ทับทิม และ Nd:YAG เลเซอร์ โดยเลเซอร์ทับทิมนั้น เป็นเลเซอร์ชนิดแรกที่ถูกสร้างขึ้นโดย Theodore Maiman ในปี ค.ศ. 1960 สารตัวกลางของเลเซอร์ชนิดนี้คือ Cr3+:Al203 เป็นการ dope Cr3+ ลงไปใน Al203 นั้นก็คือ ทับทิมสังเคราะห์ pumping source ที่ใช้เป็นแบบ optical ซึ่งนิยมใช้กันคือ หลอดไฟแฟลช (Xenon flash lamp ซึ่งเป็นหลอดแก้วเกลียว ซึ่งโอบรอบแท่งผลึกทับทิมอยู่ตรงกลาง) ซึ่งการทำให้เกิดประชากรผกผันในเลเซอร์ทับทิมนั้นทำได้ยาก และจะได้เลเซอร์แบบที่เป็นพัลล์เท่านั้น ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์ชนิดนี้คือ 634.3 นาโนเมตร และมีระดับพลังงานในระดับ มิลลิจูลต่อพัลล์ถึงกิโลจูลต่อพัลล์

Nd:YAG Laser นิโอดิเมียมแย็กเลเซอร์

จัดว่าเป็นเลเซอร์ชนิดของแข็ง โดยมี host เป็นผลึกของ Yttrium-aluminium garnet (Y3Al5012) ซึ่งเรียกสั้น ๆ ว่า YAG ส่วนของ Impurity คือ Nd3+ ซึ่งจะถูก dope เข้าไปประมาณ 1% โดยน้ำหนัก ซึ่งโดยทั่วไปแล้วนีโอดิเนียมแย็กเลเซอร์ จะมีกำลังเฉลี่ยอยู่ที่ 3 -1,000 วัตต์ สามารถให้แสงได้ทั้งแบบ (Pulse) และแบบต่อเนื่องได้ (continuouse) ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับ pumping source ที่นำมาใช้เป็นแบบ หลอดไฟแฟลช หรือหลอดไฟอาร์ค เลเซอร์นี้มีความยาวคลื่นอยู่ที่ 1064 นาโนเมตร อยู่ในช่วงคลื่นอินฟราเรด ซึ่งนิยมนำมาใช้ควบคู่กับ second harmonic crystal ยกตัวอย่างเช่น KTP ที่ทำให้ได้ความยาวคลื่น 532 นาโนเมตร  เป็นแสงสีเขียวออกมาได้ เลเซอร์ชนิดนี้สามารถทำให้เกิดค่ากำลังสูงสุดได้มากถึง 2,000 วัตต์ ซึ่งเลเซอร์ชนิดนี้จัดว่าเป็นเลเซอร์ขนาดเล็ก จึงนิยมในไปทำการเจาะ ตัด หรือการแกะสลักวัสดุที่มีความแข็งสูง วัสดุประเภทโลหะ เช่น แก้ว เซรามิก หรืออัญมณีได้เป็นอย่างดี

ในปัจจุบัน ระบบนิโอดีเมียมแย็กซ์เลเซอร์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมเป็นแบบใช้หลอดไฟแฟลช หรือหลอดไฟอาร์ค เป็น pumping source ซึ่งระบบนี้จะมีความสิ้นเปลืองพลังงานอย่างมาก เพราะพลังงานทั้งหมดที่ใส่ให้กับหลอดอาร์คจะมีเพียงแค่ 4 – 7% เท่านั้นที่ถูกนำไปใช้กระตุ้น ส่วนที่เหลือนั้นมีเพียงแค่ความร้อนซึ่งต้องระบายทิ้งออกไป แต่ในปัจจุบันได้มีการพัฒนาเลเซอร์ไดโอดให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นถึง 50 – 70% ของประสิทธิภาพรวม ซึ่งเมื่อเทียบกับระบบเดิมแล้วมีค่าเพียงแค่ 2 – 3% เท่า จึงทำให้ระบบมีขนาดเล็กลงมาก รวมถึงอุปกรณ์ระบายความร้อนก็มีขนาดเล็กลง ทำให้ประหยัดค่าใช้จ่ายในการทำงานเป็นอย่างมาก

Semiconductor เลเซอร์สารกึ่งตัวนำ

เลเซอร์ที่ใช้เป็นสารกึ่งตัวนำเป็นตัวกลาง นับว่ามีจำนวนมากที่สุด โดยมีลักษณะคล้ายกับ LED (light emitting diode) ซึ่งมีลักษณะพิเศษ ที่ทำให้แสงออกมาเป็นเลเซอร์ โดย LED จะให้แสงจาก spontaneous emission สำหรับแสงเลเซอร์ชนิดนี้เกิดจากการรวมตัวของอิเล็กตรอนกับหลุม โดยจะมีความยาวคลื่นหลัก ๆ 650, 770, 809, 1100 และ 1500 นาโนเมตร สามารถใช้ประยุกต์กับอุปกรณ์หลายชนิด เช่น ปรินเตอร์ เลเซอร์พอยน์เตอร์

Eximer Laser เอ็กไซเมอร์เลเซอร์

เป็นเลเซอร์ที่เป็นก๊าซ โดยก๊าซที่บรรจุอยู่ในระบบนั้นจะมีช่วงความดันไม่เกิน 5atm โดยเป็นส่วนผสมระหว่าง rage gas เช่น Ar, Kr, Xe ปริมาณ 0.1 – 0.3 กับก๊าซฮาโลเจน เช่น F, C, Br, I ในปริมาณ 2 – 10% โดยก๊าซทั้งสองนี้จะมีเพียงน้อยนิดเมื่อเทียบกับก๊าซทั้งหมดภายในระบบ ในส่วนที่เหลือจะเป็น buffer gas เช่น He แต่ buffer gas จะไม่ใช่เป็นตัวกลางของการเกิดแสงเลเซอร์ เอ็กไซเมอร์เลเซอร์เกิดขึ้นจากการปลอดปล่อยพลังงานของโมเลกุล เมื่อมีการเปลี่ยนระดับพลังงานระหว่างสถานะกระตุ้นและสถานพื้น คำว่า Eximer มาจากคำว่า Excited Dimer ซึ่งโดยปกติแล้วเอ็กไซเมอร์เลเซอร์ส่วนใหญ่จะใช้ก๊าซผสมระหว่าง Rare gas ที่มีโมเลกุลสูง กับก๊าซฮาโลเจน เช่น

• ArCl ให้ความยาวคลื่น 175 นาโนเมตร
• XeF ให้ความยาวคลื่น 175 นาโนเมตร
• ArF ให้ความยาวคลื่น 193 นาโนเมตร
• KrF ให้ความยาวคลื่น 249 นาโนเมตร
• XeCl ให้ความยาวคลื่น 308 นาโนเมตร

Pumping source ที่ใช้ได้มาจากพลังงานจากปฏิกิริยาเคมีระหว่าง rare gas กับก๊าซฮาโลเจน โดยจะเรียกวิธี pump เช่นนี้ว่า chemical pumping เมื่อต้องการให้เกิดเป็นแสงเลเซอร์ ก๊าซทั้ง 2 ชนิดนี้ก็จะถูกนำมาผสมผสานกัน เพราะโดยปกติก๊าซทั้ง 2 ชนิดนี้ แยกตัวกันอยู่แล้วตั้งแต่ในครั้งแรก

เอ็กซ์ไซเมอร์เลเซอร์ให้แสงที่เป็นแบบพัลส์ออกมาจะให้พลังงานตั้งแต่ระดับมิลลิจูลไปจนถึงระดับ 100 จูลต่อพัลส์ ในความถี่สูงระดับ 1 – 2 กิโลเฮิร์ตซ์ ซึ่งสามารถให้พลังงานเฉลี่ยสูงได้ถึง 500 วัตต์ เอ็กไซเมอร์เป็นอุปกรณ์กำเนิดแสงเหนือม่วงแบบอาพันธ์ (coherent uv) และ deep uv ทำให้ได้ลำแสงขนาดเล็กมาก จึงนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในด้านการแพทย์ เช่นการทำเลซิค และในวงการอุตสาหกรรมโดยส่วนใหญ่ ก็จะมีการนำไปใช้กับวัสดุที่มีความแข็งแรงของโครงสร้างโมเลกุล เช่น เพชร หรือสารประเภทโพลิเมอร์

เลเซอร์แต่ละชนิดนั้นมีความแตกต่างกันไป ซึ่งมีทั้งในรูปแบบก๊าซ ของเหลว หรือสารกึ่งตัวนำ ซึ่งเลเซอร์แต่ละชนิด ก็ให้พลังงานที่แตกต่างกัน รวมถึงการนำไปประยุกต์ใช้ในวงการแพทย์และวงการอุตสาหกรรม ก็ต้องเลือกใช้ตามความเหมาะสม