สมัยเราหาคนไม่เคยได้ยินคำว่า "เลเซอร์"อย่างไรก็ตาม มีเพียงไม่กี่คนที่เข้าใจอย่างชัดเจนว่ามันคืออะไร
ในช่วงครึ่งศตวรรษนับตั้งแต่มีการประดิษฐ์ขึ้น เลเซอร์ประเภทต่างๆ ได้ถูกนำมาใช้ในด้านต่างๆ ตั้งแต่การแพทย์ไปจนถึงเทคโนโลยีดิจิทัล เลเซอร์คืออะไรหลักการทำงานของมันคืออะไรและมีไว้เพื่ออะไร?
เลเซอร์คืออะไร?
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ทำนายความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของเลเซอร์ ซึ่งย้อนกลับไปในปี 2460 ได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับความเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนจะปล่อยควอนตัมแสงที่มีความยาวเท่ากัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการปล่อยก๊าซกระตุ้น แต่ เวลานานถือว่าเป็นไปไม่ได้จากมุมมองทางเทคนิค
อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาความสามารถทางเทคนิคและเทคโนโลยี การสร้างเลเซอร์ได้กลายเป็นเรื่องของเวลา ในปี 1954 นักวิทยาศาสตร์โซเวียต N. Basov และ A. Prokhorov ได้รับรางวัลโนเบลสำหรับการสร้าง maser ซึ่งเป็นเครื่องกำเนิดไมโครเวฟเครื่องแรกที่ขับเคลื่อนโดยแอมโมเนีย และในปี 1960 American T. Maiman ได้ผลิตเครื่องกำเนิดแสงควอนตัมเครื่องแรก ซึ่งเขาเรียกว่าเลเซอร์ (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) อุปกรณ์แปลงพลังงานเป็นรังสีออปติกในทิศทางแคบเช่น ลำแสง ซึ่งเป็นกระแสของควอนตัมแสง (โฟตอน) ที่มีความเข้มข้นสูง
หลักการทำงานของเลเซอร์
ปรากฏการณ์ที่การทำงานของเลเซอร์เป็นพื้นฐานเรียกว่าการแผ่รังสีของตัวกลางที่ถูกกระตุ้นหรือเหนี่ยวนำ อะตอมของสารบางชนิดสามารถปล่อยโฟตอนภายใต้การกระทำของโฟตอนอื่นๆ ในขณะที่พลังงานของโฟตอนที่ออกฤทธิ์ต้องเท่ากับความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานของอะตอมก่อนและหลังการแผ่รังสี
โฟตอนที่ปล่อยออกมานั้นสัมพันธ์กับโฟตอนที่ทำให้เกิดการปล่อยเช่น เหมือนกับโฟตอนแรก เป็นผลให้ฟลักซ์แสงที่อ่อนแอในตัวกลางถูกขยายและไม่ใช่แบบสุ่ม แต่ไปในทิศทางเดียว เกิดลำแสงรังสีกระตุ้นขึ้นซึ่งเรียกว่าเลเซอร์
การจำแนกประเภทของเลเซอร์
จากการศึกษาธรรมชาติและคุณสมบัติของเลเซอร์ ได้ค้นพบลำแสงเหล่านี้ประเภทต่างๆ ตามสถานะของสารตั้งต้น เลเซอร์สามารถ:
- แก๊ส;
- ของเหลว;
- สถานะของแข็ง
- บนอิเล็กตรอนอิสระ
ปัจจุบันมีการพัฒนาวิธีการหลายวิธีเพื่อให้ได้ลำแสงเลเซอร์:
- ด้วยความช่วยเหลือของการเรืองแสงไฟฟ้าหรือการปล่อยอาร์คในตัวกลางที่เป็นก๊าซ - การปล่อยก๊าซ
- โดยการขยายก๊าซร้อนและสร้างการผกผันของประชากร - แก๊สไดนามิก
- โดยการส่งกระแสผ่านเซมิคอนดักเตอร์ด้วยการกระตุ้นของสื่อ - ไดโอดหรือการฉีด
- โดยการปั๊มสื่อด้วยแสงแฟลช, LED, เลเซอร์อื่น ฯลฯ
- โดยการสูบลำแสงอิเล็กตรอนของตัวกลาง
- ปั๊มนิวเคลียร์เมื่อได้รับรังสีจาก เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์;
- โดยใช้ปฏิกิริยาเคมีพิเศษ - เลเซอร์เคมี
ทั้งหมดมีลักษณะและความแตกต่างของตนเองเนื่องจากใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ
การใช้งานจริงของเลเซอร์
จนถึงปัจจุบัน เลเซอร์ ประเภทต่างๆใช้ในอุตสาหกรรม ยา เทคโนโลยีไอที และกิจกรรมอื่นๆ มากมาย ใช้เพื่อ:
- การตัดและการเชื่อมโลหะ พลาสติก วัสดุอื่นๆ
- วาดภาพ จารึกและทำเครื่องหมายพื้นผิวของผลิตภัณฑ์
- การเจาะรูบางเฉียบการประมวลผลความแม่นยำของชิ้นส่วนผลึกเซมิคอนดักเตอร์
- การก่อตัวของสารเคลือบผลิตภัณฑ์โดยการพ่น การเคลือบผิว การผสมพื้นผิว ฯลฯ
- การส่งแพ็กเก็ตข้อมูลโดยใช้ไฟเบอร์กลาส
- ประสิทธิภาพของการผ่าตัดและผลการรักษาอื่นๆ
- ขั้นตอนเครื่องสำอางเพื่อการฟื้นฟูผิว การกำจัดการก่อตัวที่บกพร่อง ฯลฯ
- การกำหนดเป้าหมาย ประเภทต่างๆอาวุธ ตั้งแต่อาวุธขนาดเล็กไปจนถึงอาวุธจรวด
- การสร้างและการใช้วิธีการโฮโลแกรม
- การประยุกต์ใช้ในโครงการวิจัยต่างๆ
- การวัดระยะทาง พิกัด ความหนาแน่นของสื่อการทำงาน อัตราการไหล และพารามิเตอร์อื่นๆ
- การเปิดตัวปฏิกิริยาเคมีเพื่อดำเนินการตามกระบวนการทางเทคโนโลยีต่างๆ
ยังมีอีกหลายพื้นที่ที่มีการใช้เลเซอร์อยู่แล้วหรือจะพบการใช้งานในอนาคตอันใกล้นี้
เลเซอร์- เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีคุณสมบัติแตกต่างอย่างมากจากแหล่งกำเนิดแสงอื่นๆ (หลอดไส้, หลอดฟลูออเรสเซนต์, เปลวไฟ, หลอดไฟธรรมชาติ และอื่นๆ) ลำแสงเลเซอร์มีคุณสมบัติเด่นหลายประการ มันแพร่กระจายในระยะทางไกลและมีทิศทางเป็นเส้นตรงอย่างเคร่งครัด ลำแสงเคลื่อนที่ในลำแสงที่แคบมากโดยมีระดับความแตกต่างเล็กน้อย (ไปถึงดวงจันทร์ด้วยโฟกัสหลายร้อยเมตร) ลำแสงเลเซอร์มีความร้อนสูงและสามารถเจาะรูในวัสดุใดก็ได้ ความเข้มแสงของลำแสงจะมากกว่าความเข้มของแหล่งกำเนิดแสงที่แรงที่สุด
ชื่อเลเซอร์เป็นตัวย่อของวลีภาษาอังกฤษ: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) การขยายแสงโดยการปล่อยแสงกระตุ้น
ระบบเลเซอร์ทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็นกลุ่มตามชนิดของสื่อที่ใช้งาน เลเซอร์ประเภทที่สำคัญที่สุดคือ:
สารออกฤทธิ์คือกลุ่มของอะตอม โมเลกุล ไอออน หรือคริสตัล (เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์) ซึ่งภายใต้การกระทำของแสงจะมีคุณสมบัติในการขยายสัญญาณ
ดังนั้น แต่ละอะตอมจึงมีชุดระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องกัน อิเล็กตรอนของอะตอมที่อยู่ในสถานะพื้นดิน (สถานะที่มีพลังงานน้อยที่สุด) เมื่อดูดซับควอนตาแสงให้ผ่านไปยังระดับพลังงานที่สูงขึ้น - อะตอมตื่นเต้น เมื่อปล่อยแสงควอนตัม ทุกอย่างก็เกิดขึ้นในทางกลับกัน นอกจากนี้ การปล่อยแสง เช่น การเปลี่ยนไปใช้ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า (รูปที่ 1b) สามารถเกิดขึ้นได้เอง (ตามธรรมชาติ) หรือภายใต้การกระทำของรังสีภายนอก (บังคับ) (รูปที่ 1c) ยิ่งไปกว่านั้น หากควอนตัมการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองถูกปล่อยออกมาในทิศทางสุ่ม ควอนตัมการปลดปล่อยที่ถูกกระตุ้นก็จะถูกปล่อยออกมาในทิศทางเดียวกับควอนตัมที่ทำให้เกิดการแผ่รังสี กล่าวคือ ควอนตัมทั้งสองจะเหมือนกันทุกประการ
รูปที่ 1 ประเภทของรังสีเลเซอร์
เพื่อให้การเปลี่ยนแปลงที่เกิดรังสีพลังงาน (การเปลี่ยนจากระดับพลังงานบนเป็นระดับล่าง) มีผลบังคับ จำเป็นต้องสร้างความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นของอะตอมหรือโมเลกุลที่ถูกกระตุ้น (เพื่อสร้างประชากรผกผัน) ซึ่งจะส่งผลให้แสงตกกระทบบนสารเพิ่มขึ้น สถานะของสารซึ่งมีการสร้างระดับพลังงานผกผันเรียกว่าแอคทีฟและตัวกลางที่ประกอบด้วยสารดังกล่าวเรียกว่าตัวกลางแอคทีฟ
กระบวนการสร้างประชากรระดับผกผันเรียกว่าการสูบน้ำ และการจำแนกประเภทอื่นของเลเซอร์ทำขึ้นตามวิธีการสูบน้ำ (แสง ความร้อน เคมี ไฟฟ้า ฯลฯ) วิธีการสูบน้ำขึ้นอยู่กับชนิดของเลเซอร์ (โซลิดสเตต ของเหลว แก๊ส เซมิคอนดักเตอร์ ฯลฯ)
ปัญหาหลักของกระบวนการสูบน้ำสามารถพิจารณาได้จากตัวอย่างเลเซอร์สามระดับ (รูปที่ 2)
รูปที่ 2 โครงร่างของเลเซอร์สามระดับ
ระดับเลเซอร์ที่ต่ำกว่า I ที่มีพลังงาน E1 เป็นระดับพลังงานหลักของระบบ โดยที่อะตอมที่แอคทีฟทั้งหมดจะอยู่ในขั้นต้น การสูบน้ำกระตุ้นอะตอมและถ่ายโอนจากระดับพื้นดิน I ไปยัง ระดับ III ด้วยพลังงาน E3 อะตอมที่ระดับ III ปล่อยควอนตาแสงและไปที่ระดับ I หรือไปที่ระดับเลเซอร์บนอย่างรวดเร็ว II สำหรับการสะสมของอะตอมที่ถูกกระตุ้นที่ระดับเลเซอร์บน II ด้วยพลังงาน E2 จำเป็นต้องมีการคลายตัวของอะตอมอย่างรวดเร็วจากระดับ III ถึง II ซึ่งจะต้องเกินอัตราการสลายตัวของระดับเลเซอร์บน II ประชากรผกผันที่สร้างขึ้นในลักษณะนี้จะให้เงื่อนไขสำหรับการขยายการแผ่รังสี
อย่างไรก็ตามเพื่อให้เกิดได้ก็จำเป็นต้องทำให้มั่นใจ ข้อเสนอแนะกล่าวคือ การปล่อยที่ถูกกระตุ้นเมื่อเกิดขึ้นแล้วจะทำให้เกิดการกระทำใหม่ของการปลดปล่อยที่ถูกกระตุ้น ในการสร้างกระบวนการดังกล่าว สื่อที่ทำงานอยู่ในตัวสะท้อนแสง
ออปติคัลเรโซเนเตอร์คือระบบของกระจกสองบานที่มีตัวกลางที่ใช้งานอยู่ระหว่างกระจกทั้งสอง (รูปที่ 3) มันให้กำเนิดคลื่นแสงหลายจุดซึ่งแพร่กระจายไปตามแกนของมันตามตัวกลางกำลังขยาย อันเป็นผลมาจากพลังการแผ่รังสีที่สูง
รูปที่ 3 โครงร่างเลเซอร์
เมื่อพลังงานถึงระดับหนึ่ง รังสีจะออกมาทางกระจกกึ่งโปร่งแสง เนื่องจากการมีส่วนร่วมในการพัฒนาการสร้างเฉพาะส่วนของควอนตัมที่ขนานกับแกนของเครื่องสะท้อนประสิทธิภาพ เลเซอร์มักจะไม่เกิน 1% ในบางกรณีการเสียสละคุณลักษณะบางอย่าง K.P.D. สามารถเพิ่มได้ถึง 30%
เลเซอร์จำเป็นต้องประกอบด้วยสามองค์ประกอบหลัก:
1) สภาพแวดล้อมที่ใช้งาน, ซึ่งสร้างรัฐที่มีการผกผันของประชากร
2) ระบบสูบน้ำ− อุปกรณ์สำหรับสร้างการผกผันในสื่อที่ใช้งานอยู่
3) ออปติคัลเกี่ยวกับเรโซเนเตอร์− อุปกรณ์ที่สร้างทิศทางของลำแสงโฟตอน
นอกจากนี้ ออปติคัลเรโซเนเตอร์ยังได้รับการออกแบบสำหรับการขยายการแผ่รังสีเลเซอร์หลายแบบ
ปัจจุบันเป็น คล่องแคล่ว (ทำงาน) สิ่งแวดล้อม เลเซอร์ใช้สถานะรวมของสสารต่างๆ: ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ พลาสมา
เพื่อสร้างประชากรผกผันของสื่อเลเซอร์ต่างๆ วิธีการสูบน้ำ . เลเซอร์สามารถปั๊มได้ทั้งแบบต่อเนื่องและแบบพัลซ์ ในโหมดระยะยาว (ต่อเนื่อง) กำลังของปั๊มที่ใส่เข้าไปในตัวกลางที่ทำงานอยู่จะถูกจำกัดด้วยความร้อนสูงเกินไปของตัวกลางที่ทำงานอยู่และปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้อง ในโหมดพัลส์เดี่ยว เป็นไปได้ที่จะป้อนพลังงานในตัวกลางแอคทีฟมากกว่าในช่วงเวลาเดียวกันในโหมดต่อเนื่อง สิ่งนี้ทำให้เกิดพลังขนาดใหญ่ของพัลส์เดียว
วัสดุทั้งหมดที่สามารถจัดหาการผกผันของประชากรสามารถใช้เป็นสื่อเลเซอร์ได้ เป็นไปได้ด้วยวัสดุดังต่อไปนี้:
ก) อะตอมอิสระ ไอออน โมเลกุล ไอออนของโมเลกุลในก๊าซหรือไอระเหย
b) โมเลกุลของสีย้อมที่ละลายในของเหลว
c) อะตอม, ไอออนที่ฝังอยู่ในร่างกายที่เป็นของแข็ง;
d) เซมิคอนดักเตอร์เจือ;
จ) อิเล็กตรอนอิสระ
จำนวนสื่อที่สามารถสร้างรังสีเลเซอร์และจำนวนการเปลี่ยนภาพด้วยเลเซอร์มีจำนวนมาก มีการสังเกตการเปลี่ยนภาพด้วยเลเซอร์ที่แตกต่างกันประมาณ 200 ครั้งในองค์ประกอบนีออนเพียงอย่างเดียว ตามชนิดของเลเซอร์แอคทีฟตัวกลาง ก๊าซ ของเหลว เซมิคอนดักเตอร์ และโซลิดสเตตเลเซอร์จะมีความแตกต่างกัน ด้วยความอยากรู้อยากเห็น ควรสังเกตว่า ลมหายใจของมนุษย์ซึ่งประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน และไอน้ำ เป็นตัวกลางที่เหมาะสมสำหรับเลเซอร์ CO 2 ที่อ่อนแอ และจินบางชนิดได้สร้างรังสีเลเซอร์แล้ว เนื่องจากมีปริมาณรังสีเลเซอร์เพียงพอ ปริมาณควินินที่มีสารเรืองแสงสีน้ำเงิน
เส้นการสร้างด้วยเลเซอร์เป็นที่รู้จักตั้งแต่บริเวณรังสีอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัม (100 นาโนเมตร) ถึงความยาวคลื่นมิลลิเมตรในช่วงอินฟราเรดไกล เลเซอร์เปลี่ยนเป็น masers ได้อย่างราบรื่น กำลังดำเนินการวิจัยอย่างเข้มข้นในด้านเลเซอร์ในช่วงคลื่นเอ็กซ์เรย์ (รูปที่ 16) แต่มีเลเซอร์เพียงสองหรือสามโหลเท่านั้นที่ได้รับความสำคัญในทางปฏิบัติ เลเซอร์ CO 2, เลเซอร์อาร์กอนและคริปทอนไอออน, CW และเลเซอร์ Nd:YAG แบบพัลซิ่ง, CW และเลเซอร์ย้อมแบบพัลซิ่ง, เลเซอร์ He-Ne และเลเซอร์ GaAs ได้ค้นพบการประยุกต์ใช้ทางการแพทย์ที่กว้างที่สุด เลเซอร์ Excimer, เลเซอร์ Nd:YAG ความถี่สองเท่า, เลเซอร์ Er:YAG และเลเซอร์ไอโลหะก็ถูกนำมาใช้ในทางการแพทย์มากขึ้นเช่นกัน
ข้าว. 16. ประเภทของเลเซอร์ที่ใช้กันมากที่สุดในทางการแพทย์
นอกจากนี้ สื่อแอ็คทีฟด้วยเลเซอร์สามารถแยกแยะได้ว่าพวกมันก่อตัวเป็นเส้นเลเซอร์ที่ไม่ต่อเนื่องหรือไม่ กล่าวคือ เฉพาะในช่วงความยาวคลื่นที่แคบมากเท่านั้น หรือฉายรังสีอย่างต่อเนื่องในช่วงความยาวคลื่นที่กว้าง อะตอมและไอออนอิสระมีเส้นเลเซอร์ที่ไม่ต่อเนื่องเนื่องจากระดับพลังงานที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน เลเซอร์โซลิดสเตตจำนวนมากยังปล่อยบนเส้นที่ไม่ต่อเนื่อง (เลเซอร์ทับทิม, เลเซอร์ Nd:YAG) อย่างไรก็ตาม เลเซอร์โซลิดสเตตยังได้รับการพัฒนาอีกด้วย (เลเซอร์ศูนย์สี อเล็กซานไดรต์ เลเซอร์ไดมอนด์) ซึ่งความยาวคลื่นรังสีอาจแตกต่างกันไปอย่างต่อเนื่องในบริเวณสเปกตรัมขนาดใหญ่ นี้นำไปใช้โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับเลเซอร์ย้อมซึ่งเทคนิคนี้มีความก้าวหน้าไปในระดับสูงสุด เนื่องจากโครงสร้างแถบของระดับพลังงานของเซมิคอนดักเตอร์ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จึงไม่มีเส้นการสร้างเลเซอร์ที่ชัดเจนแบบแยกส่วน
