เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ทรงพลัง และมีคุณสมบัติพิเศษ ที่มีประโยชน์ใช้งานอย่างกว้างขวาง ผู้ที่คิดค้นเลเซอร์ได้คือ ซี. เอช.ทาวน์ส (C.H. Townes) ในปี ค.ศ. 1954 โดยได้เสนอเป็นหลักการ หรือทฤษฎีเลเซอร์ไว้ ซี.เอช.ทาวน์ส ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิส ิกส์ในปี ค.ศ. 1964 สำหรับการคิดค้นเรื่องเลเซอร์นี้เอง

ซี.เอช.ทาวน์ส (C.H. Townes)  บิดาแห่งเลเซอร์

แมแมน (Maiman) เป็นผู้ที่พิสูจน์ทฤษฎีเลเซอร์ของ C.H. Townes ได้สำเร็จ โดยการประดิษฐ์เลเซอร์ตัวแรกของโลกขึ้น เป็นเลเซอร์ที่ทำทับทิม (Ruby L aser) ซึ่งเป็นของแข็งในปี ค.ศ. 1960

ในปีเดียวกันนั้นเอง จาแวน (Javan) ก็ได้ประดิษฐ์เลเซอร์ ที่ทำจากก๊าซฮีเลียม-นีออนได้เป็นผลสำเร็จ จากนั้นจึงมีการพัฒนาเลเซอร์ชนิดต่างๆ อีกมากมาย ทั้งที่ทำจากของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และสารกึ่งตัวนำ

คำว่า "เลเซอร์" เป็นคำทับศัพท์ จากภาษาอังกฤษ คือ ซึ่งเป็นคำย่อของ "LASER""Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" จึงหมายถึง การแผ่รังสีของการเปล่งแสงแบบถูกเร้า ด้วยการขยายสัญญาณแสง ดังนั้นกลไกพื้นฐานของเลเซอร์จึงได้แก่ การเปล่งแสงแบบถูกเร้า และการขยายสัญญาณแสง กลไกทั้งสองนี้ เป็นสาเหตุที่ทำให้เลเซอร์มีคุณสมบัติพิเศษต่างๆ เช่น เป็นลำแสงขนาน ที่มีความเข้มสูง และมีคลื่นแสงที่เป็นระเบียบด้วยค่าความยาวคลื่นที่ตายตัว องค์ประกอบของเลเซอร์

การเปล่งแสงแบบถูกเร้า (Stimulated Emission)

ระบบอะตอม หรือโมเลกุล ที่ใช้ทำเลเซอร์จะมีชั้นพลังงานต่างๆ อยู่ โดยที่ชั้นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเกิดแสงเลเซอร์อยู่ ๒ ชั้นพลังงาน โดยปกติอะตอม หรือโมเลกุลจะอยู่ที่ชั้นพลังงานต่ำ (E1) เสมอ เพราะมีเสถียรภาพกว่า เมื่อมีการป้อนพลังงานให้แก่ระบบอะตอม หรือโมเลกุล เช่น การฉายแสงที่มีพลังงาน ที่พอดีกับผลต่างระหว่างชั้นพลังงานทั้งสอง (E2 - E1) อะตอม และโมเลกุล จะถูกกระตุ้นให้ขึ้นไปอยู่ที่ชั้นพลังงานที่สูงกว่า (E2) ปรากฎการณ์เช่นนี้คือ การดูดกลืนแสง (Absorption)

การดูดกลืนแสง

เมื่ออะตอม หรือโมเลกุลมีพลังงานสูงขึ้น เนื่องจากการดูดกลืนแสงแล้ว จะคงสภาพเช่นนั้นได้ด้วยระยะเวลาหนึ่งเท่านั้น เพราะสถานะที่พลังงานสูง (E2) นี้ไม่เสถียร เมื่อเวลาผ่านไประยะหนึ่ง อะตอม และโมเลกุลเหล่านั้น ก็จะตกกลับมาอยู่ที่ชั้นพลังานต่ำ (E1) ตามเดิม โดยคายพลังงานออกมาเท่ากับผลต่างระหว่างชั้นพลังงานทั้งสอง (E2 - E1) หรือเปล่งแสงกลับออกมานั่นเอง การเปล่งแสงเช่นนี้เกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติของอะตอม และโมเลกุลนั้นๆ จึงเรียกปรากฏการณ์เช่นนี้ว่า การเปล่งแสงแบบเกิดขึ้นเอง (Spontaneous Emission)

แต่การเปล่งแสงแบบถูกเร้า (Stimulated Emission) ซึ่งเป็นกลกไลหลักของเลเซอร์นั้น เริ่มต้นจากการดูดกลืนแสง เพื่อให้อะตอม หรือโมเลกุล ขึ้นไปอยู่ที่ชั้นพลังงานสูงเช่นกัน แทนที่จะให้อะตอมหรือโมเลกุลตกลงมาเอง เมื่อเวลาผ่านไปจะมีการฉายแสงเข้าไปในระบบอะตอม หรือโมเลกุล ที่มีพลังงานเท่ากับผลต่างของชั้นพลังานทั้งสอง (E2 - E1) แต่แสงที่ฉายเข้าไปนี้ไม่ถูกดูดกลืนโดยระบบฯ แสงนี้เร่งเร้าให้อะตอมหรือโมเลกุลคายพลังงานก่อนเวลา แสงที่เปล่งออกมากับแสงที่เร้าจึงออกมาจากระบบพร้อมกันมีพลังงานเท่ากัน และมีความพร้อ มเพรียงกันทั้งทิศทางการเคลื่อนที่และเฟสของคลื่นแสง

การเปล่งแสงแบบถูกเร้า

การขยายสัญญาณแสง (Light Amplification)

เมื่อเกิดการเปล่งแสงแบบถูกเร้าในเนื้อวัสดุที่ใช้ทำเลเซอร์ โดยที่อะตอม หรือโมเลกุล ของเนื้อวัสดุนั้น อยู่ในสภาพถูกกระตุ้น (Excited States) แสงที่เคลื่อนที่ผ่านเนื้อวัสดุนั้น จะเร้าให้เกิดการคายแสงมากขึ้นตามลำดับ ความเข้มของแสงจึงเพิ่มขึ้น ในทางควันตัมฟิสิกส์ (Quantum Physics) ได้มีการนิยามว่า แสงคือ ก้อนพลังงานเรียกว่า โฟตอน (Photon) เมื่อโฟตอนเคลื่อนที่ผ่านเนื้อวัสดุ ที่อยู่ในสภาพถูกกระตุ้น จำนวนโฟตอนจะเพิ่มขึ้นตามลำดับ

การเพิ่มจำนวนโฟตอน

จำนวนโฟตอนที่เกิดขึ้นจากการเปล่งแสงแบบถูกเร้านี้ จะต้องมีมากพอ จึงจำเป็นต้องมีการขยายสัญญาณแสง โดยให้แสงวิ่งกลับไปกลับมา ผ่านเนื้อวัสดุเลเซอร์หลายๆ ครั้ง โดยใช้กระจก 2 ชิ้น ที่วางขนานกันที่ปลายทั้งสอง เพื่อสะท้อนแสงกลับไปมา กระจก ๒ ชิ้นที่ขนานกันนี้เรียกว่า แควิตี้แสง (Optical Cavity) ซึ่งทำหน้าที่ขยายสัญญาณแสง เพื่อให้มีความเข้มสูง จนเกิดเกน (Gain) เอาชนะความสูญเสีย (Loss) ของระบบ และได้ลำแสงเลเซอร์พุ่งออกทางด้านกระจก ที่มีการสะท้อนแสงไม่ถึง 100 %

องค์ประกอบของเลเซอร์

เลเซอร์โดยทั่วไปประกอบด้วยองค์ประกอบสำคัญ 3 ส่วน ได้แก่ 

1. เนื้อวัสดุที่ใช้เป็นตัวกลางเลเซอร์ (Laser Medium) 

2. การปั๊มพลังงานให้แก่เนื้อวัสดุที่เป็นตัวกลางเลเซอร์ให้มีสภาพถูกกระตุ้น (Energy Pumping) 

3. แควิตี้แสงเพื่อขยายสัญญาณแสง

องค์ประกอบของเลเซอร์

คุณสมบัติโคฮีเร้นท์ของแสงเลเซอร์

แสงเลเซอร์เกิดขึ้นจากการเปล่งแสงถูกเร้า โฟตอนจึงมีความเป็นระเบียบสูง คลื่นแสงมีลักษณะที่พร้อมเพรียงกัน และเมื่อมีการขยายสัญญาณแสง ด้วยแควิตี้แสง โฟตอนจึงมีจำนวนมาก หรือแสงมีความเข้มสูง และวิ่งในทิศทางที่แน่นอน คือ ตั้งฉากกับกระจกที่ใช้ทำเป็นแควิตี้เท่านั้น จึงมีลักษณะเป็นลำแสง หากเปรียบเทียบกับกองทหาร ก็เป็นหน่วยทหาร ที่มีระเบียบ เดินแถวเป็นหน้ากระดาน ด้วยจังหวะการเดินที่พร้อมเพรียงกัน และก้าวเท่าๆ กัน เดินไปในทิศทางเดียวกัน

การเปรียบเทียบความมีระเบียบของแสงเลเซอร์กับแถวทหารที่มีระเบียบวินัย

ดังนั้นแสงเลเซอร์จึงมีคุณสมบัติเด่นหลักๆ 4 ประการ คือ

1. เป็นแสงสีเดียว (มีค่าความยาวคลื่นเดียว)

2. มีเฟสเดียวกัน (มีหน้าคลื่น)

3. มีทิศทางแน่นอน (เป็นลำแสง)

4. มีความเข้มสูง (จำนวนโฟตอนต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่สูง)

คุณสมบัติทั้ง 4 นี้เรียกรวมๆ กันว่า คุณสมบัติโคฮีเร้นท์ (Coherent) เลเซอร์จึงเป็นแหล่งกำเนิดแสงแบบโคฮีเร้นท์ (Coherent Light Source) นั่นเอง จุดเด่นทั้ง 4 นี้ มีส่วนสำคัญที่ทำให้แสงเลเซอร์เกิดประโยชน์ในด้านประยุกต์ เช่น การที่แสงเลเซอร์มีค่าความยาวคลื่นที่แน่นอน จึงทำให้เลเซอร์ถูกใช้เป็นมาตรฐาน และใช้ในงานที่ต้องการความแม่นยำสูง ได้แก่ การวัดระยะทาง หน้าคลื่นที่เป็นระเบียบของแสงเลเซอร์ ถูกนำมาใช้ เพื่อบันทึกข้อมูลของภาพสามมิติ ลักษณะเป็นลำแสงมีประโย ชน์ต่อการนำร่อง การสื่อสาร และความเข้มสูงของแสงเลเซอร์ มีที่ใช้งานด้านเจาะตัด เชื่อมวัสดุได้ รวมทั้งการผ่าตัดด้วยแสงเลเซอร์ ในด้านการแพทย์อีกด้วย

ชนิดของเลเซอร์

เลเซอร์ของแข็ง

เลเซอร์ของแข็ง ได้แก่ เลเซอร์ที่ใช้ตัวกลางเป็นของแข็ง เช่น เลเซอร์ทับทิม เลเซอร์แย็ค เลเซอร์แก้ว ฯลฯ ทับทิมและแย็คเป็นผลึก ส่วนแก้วเป็นอะมอร์ฟัส ตัวกลางเหล่านี้ ทำหน้าที่เป็นเนื้อวัสดุเจ้าบ้าน (Host Materials) เท่านั้น เพราะตัวที่ทำให้เกิดการเปล่งแสงนั้น กำหนดจากสารเจือปนที่เติมในเนื้อสารเหล่านี้ เช่น ทับทิมจะใช้โครเมียมเป็นสารเจือปน จึงให้สีแดงที่มีความยาวคลื่น ๖๔๙๓ อังสตรอม (Al2O3:Cr3+) แย็คและแก้วจะใช้นีโอดีเนียมเป็นสารเจือปน จึงให้แสงอินฟาเรด ที่มีความยาวคลื่น 1.06 ไมครอน (YAG : Nd3+ Glass : Nd3+)

โครงสร้างของเลเซอร์ของแข็ง

ในการปั๊มพลังงานแก่ของแข็งเหล่านี้ ต้องใช้วิธีการทางแสงคือ ใช้หลอดไฟซีนอน หรือหลอดไฟทังสเตนฉาย โดยมีตัวสะท้อนแสง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการปั๊มพลังงาน ตัวสะท้อนแสงนี้มีลักษณะเป็นกระบอกที่มีพื้นที่หน้าตัดเป็นรูปวงรี และมีการวางหลอดไฟ และตัวกลางเลเซอร์ไว้ที่ตำแหน่งของจุดโฟกัสของวงรี

เลเซอร์ก๊าซ

เมื่อใช้ก๊าซเป็นตัวกลางเลเซอร์ การปั๊มพลังงาน ก็จะใช้วิธีการปล่อยประจุในก๊าซ ด้วยไฟฟ้าแรงสูง กล่าวคือ นำก๊าซเหล่านั้น บรรจุในหลอดเลเซอร์ ซึ่งมีขั้วไฟฟ้า ที่ปลายทั้งสอง เมื่อป้อนไฟฟ้าแรงสูงให้แก่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง อิเล็กตรอนจะวิ่งจากขั้วแคโทด (ขั้วลบ) ไปยังขั้วอโนด (ขั้วบวก) ด้วยพลังงานสูง อิเล็กตรอนจะวิ่งชนอะตอม หรือโมเลกุลของก๊าซเหล่านั้น จนแตกตัวเป็นอิออนมีประจุไฟฟ้าขึ้น เรียกว่า พลาสมา (Plasma) ก๊าซที่เป็นพลาสมาเหล่านี้ จะพร้อมปล่อยโฟตอน หากมีโฟตอนที่มีลักษณะเหมือนกันมาเร้า จึงเกิดเป็นแสงเลเซอร์ขึ้น เมื่อมีการขยายสัญญาณแสง ด้วยแควิตี้แสง ที่ทำจากกระจกสะท้อน ที่ปลายทั้งสองข้างของหลอดเลเซอร์

โครงสร้างของเลเซอร์ก๊าซ

ก๊าซที่ใช้ทำเลเซอร์มีหลายชนิด เช่น ก๊าซผสมฮีเลียม-นีออน (He - Ne) ก๊าซ ผสมคาร์บอนไดออกไซด์ - ไนโตรเจน - ฮีเลียม (CO2 - N2 - He) ก๊าซผสมฮีเลียม-แคดเมียม (He - Cd) ก๊าซอาร์กอน (Ar+) ซึ่งจะให้สีต่างๆ ตามชนิดของก๊าซ

เลเซอร์ฮีเลียม - นีออน เป็นเลเซอร์กำลังแสงต่ำ (1~10 mW) เลเซอร์ฮีเลียม - แคดเมียม และเลเซอร์อาร์กอน เป็นเลเซอร์กำลังแสงปานกลาง (10~100 mW) ส่วนเลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์เป็นเลเซอร์กำลังแสงสูง (1~100 W) จึงมีการใช้งานที่แตกต่างกันไป แต่เลเซอร์ทุกชนิดมีอันตราย เพราะแสงเลเซอร์ที่มีกำลังแสงเพียง 1 mW จะมีความเข้มแสงสูงกว่าพระอาทิตย์ จึงสามารถทำให้ตาบอดได้ หากแสงเลเซอร์พุ่งเข้าหานัยน์ตาโดยตรง

เลเซอร์ของเหลว

เราสามารถใช้ตัวกลางเลเซอร์ที่ทำจากของเหลวได้ เช่น ใช้สีย้อมผ้า (Dye) ผสมน้ำ รือแอลกฮอล์ บรรจุใส่ภาชนะใส การปั๊มพลังงานแก่ของเหลวเหล่านี้ ใช้วิธีทางแสง เช่นเดียวกับตัวกลางเลเซอร์ที่เป็นของแข็ง เช่น ใช้หลอดซีนอน หรือเลเซอร์ไนโตรเจน เลเซอร์ของเหลวเหล่านี้จะมีจุดเด่นที่สำคัญคือ เป็นเลเซอร์ที่ให้สีที่ตามองเห็น ค่าความยาวคลื่นของแสง สามารถปรับได้ จึงเป็น ทูเนเบิล เลเซอร์ (Tunable Laser) เพราะโมเลกุลของสีย้อมผ้ามีขนาดโต เนื่องจากเป็นสารอินทรีย์เคมี ระดับพลังงานของโมเลกุลมีลักษณะเป็นชั้นพลังงานที่ซ้อนหลายชั้น มิได้เป็นชั้นเดี่ยวๆ เหมือนกรณีของก๊าซหรือของแข็ง

ตัวอย่างของเสียย้อมผ้าที่นิยมใช้ได้แก่ โรดามีน 6 จี (Rhodamine 6 G) ซึ่งให้แสงเลเซอร์ ตั้งแต่สีเหลืองไปถึงสีส้ม (570-610 nm) โร ดามีน บี (Rhodamine B) ให้แสงเลเซอร์ช่วงสีแดง (605-635 nm) และ ดีคลอโรฟลูออเรสเซียน (Dichloro fluore scein) ให้แสงเลเซอร์สีเขียว (530-560 nm)

เลเซอร์ไดโอด

เลเซอร์ไดโอดเป็นเลเซอร์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ ซึ่งทำจากสารประกอบ เช่น GaAs (แกลเลียมอาร์เซไนด์) GaAlAs (แกลเลียมอะลูมิเนียมอาร์เซไนด์) In GaAsP (อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสฟายด์) ซึ่งมีค่าแถบพลังงานต่างๆ กัน จึงเป็นตัวกำหนดค่าความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์

เลเซอร์ไดโอดแต่ละชนิดจึงมีการใช้งานที่แตกต่างกันตามลักษณะ และคุณสมบัติของค่าความยาวคลื่นนั้นๆ เช่น เลเซอร์ไดโอดที่ให้สีแดง จะใช้ในเครื่องคอมแพคดิสก์ เป็นต้น

โครงสร้างของเลเซอร์ไดโอด ได้แก่ หัวต่อพีเอ็นแบบเฮตเตอโรจังชั่น (Heterojunction) เช่น GaAlAs/GaAs ทำให้ประสิทธิภาพของเลเซอร์ไดโอดมีค่าสูงขึ้น เพราะใช้กระแสที่เลเซอร์ไดโอดเริ่มทำงานน้อยลง การฉีดกระแสไฟฟ้าผ่านหัวต่อพีเอ็นของเลเซอร์ไดโอด เป็นวิธีการปั๊มพลังงาน เพื่อให้เกิดการรวมตัวของพาหะนำไฟฟ้า ในสารกึ่งตัวนำ และนำมาสู่การเปล่งแสง แสงที่เปล่งออกมาจะถูกขยายสัญญาณให้มีความเข้มสูงขึ้น ด้วยแควิตี้แสงที่เกิดจากผิวมัน สะท้อนแสงของผิวผลึกที่ทำให้แตกโดยธรรมชาติ (Cleavaged Surface)

โครงสร้างของเลเซอร์ไดโอด

เลเซอร์ไดโอดเป็นเลเซอร์ที่มีขนาดเล็กจิ๋ว กินไฟน้อย สามารถผลิตได้จำนวนมากๆ ด้วย เทคโนโลยีด้านสารกึ่งตัวนำเลเซอร์ไดโอด ถูกใช้งานอย่างกว้างขวาง ตั้งแต่การใช้เป็นเลเซอร์ พอยนท์เตอร์ (Laser Pointer) ใช้ในการสื่อสารผ่านเส้นใยแก้วนำแสง ใช้เป็นหัวอ่านของเครื่องคอมแพคดิสก์ เครื่องวิดีโอเลเซอร์ดิสก์ และเครื่องถ่ายเอกสารประเภทเลเซอร์ พริ้นเตอร์ (Laser Printer) คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ได้ศึกษาวิจัยการสร้างเลเซอร์ไดโอด ด้วยเทคโนโลยีด้านการปลูกผลึกจากของเหลว (Liquid Phase Epitaxy : LPE) และเทคโนโลยีการปลูกผลึกด้วยลำโมเลกุล (Molecular Beam Epitaxy : MBE)

เลเซอร์ไดโอดมีกำลังแสงต่ำตั้งแต่ระดับ ไมโครวัตต์ จนสูงถึงวัตต์ (W) และเป็นเลเซอร์ที่มีจุดเด่นคือ สามารถโมดูเลตสัญญาณได้โดยตรง โดยผ่านเข้าไปทางด้านกระแสไฟฟ้า ที่ฉีดผ่านตัวสิ่งประดิษฐ์ จึงสะดวกต่อการใช้งาน โดยเฉพาะการสื่อสารทางด้านแสง