การแบ่งประเภทของเลเซอร์

         ปัจจุบันเราสามารถสร้างเลเซอร์โดยใช้ธาตุต่างๆ ได้มากมาย

                นอกจากธาตุบริสุทธิ์แล้ว  เราสามารถสร้างเลเซอร์ได้จากการผสมธาตุหรือสารประกอบของธาตุเหล่านี้ได้อีกมาก   แต่ในที่นี้จะกล่าวเฉพาะเลเซอร์ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเท่านั้น

          ดังที่ได้กล่าวแล้วว่า   เราแบ่งประเภทของเลเซอร์ตามชนิดของตัวกลางเลเซอร์ที่ใช้ออกเป็น 4 แบบ  ด้วยกันคือ

เลเซอร์แก๊ส (gas laser)
เลเซอร์ของแข็ง (solid state laser)
เลเซอร์ของเหลว (liquid laser)
เลเซอร์สารกึ่งตัวนำ (semiconductor laser)

                 เลเซอร์แก๊ส   ที่รู้จักกันดี  เช่น ฮีเลียม - นีออนเลเซอร์ , คาร์บอนไดออกไซด์เลเซอร์, ไนโตรเจนเลเซอร์  และซีนอนเลเซอร์  เลเซอร์แก๊สจะใช้วิธีกระตุ้นทางไฟฟ้า

                          เลเซอร์แบบก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (Co₂ laser)
                คาร์บอนไดออกไซด์เป็นก๊าซที่โมเลกุลประกอบด้วยอะตอมในลักษณะ O-C-O  จึงทำให้เกิดระดับชั้นพลังงานของการสั่นของอะตอมและเขียนไดอาแกรมของชั้นพลังงานได้ง่ายๆ  ดังรูป

                        เมื่อก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้รับพลังงานจากภายนอก   เช่น  โดยพลังงานไฟฟ้าหรือแสง  หรือพลังงานจลน์ของอนุภาคอิเล็กตรอนกำลังสูง (electron beam) โมเลกุลของก๊าซจะมีระดับชั้นพลังงานของการสั่นที่สูงขึ้น ( ระดับ E₄ )   เมื่อมีการลดระดับพลังงานลงโดยการกระตุ้น   จะทำให้เกิดแสงเลเซอร์ที่มีช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรด คือ 10.6  กับ  9.6  ก่อนจะกลับลงสู่ระดับพื้น

                        ในเลเซอร์ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะมีก๊าซไนโตรเจนกับก๊าซฮีเลียมผสมอยู่ด้วย    โดยไนโตรเจนจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของการกระตุ้นพลังงานให้มีระดับชั้นพลังงานของการสั่นสูงขึ้น    ส่วนก๊าซฮีเลียมช่วยในการระบายความร้อน
                       เลเซอร์ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มีประสิทธิภาพทางทฤษฏีสูงสุดถึง 24%  สามารถออกแบบสร้างได้ง่าย   ให้กำลังสูงจะให้แสงแบบต่อเนื่องหรือแบบพลัส์ก็ได้
                       ตัวอย่างของวงจรไฟฟ้าเลเซอร์แบบ TEA (ย่อมาจาก Transverse excitation at atmospheric pressure)  ซึ่งใช้สนามไฟฟ้ากระตุ้นให้เกิดพลาสมาในก๊าซผสมในทิศทางขวางกับทิศทางของลำแสง  ที่ความดันบรรยากาศหรือมากกว่า   กำลังไฟฟ้าได้มาจากระบบคาพาซิเตอร์เก็บพลังงาน (energy storage capacitor bank)  ดังรูป

                  เลเซอร์แข็ง  ใช้แท่งวัตถุ  เช่น ผลึกทับทิม (ruby) แท่งแก้วนีโอดีเมียม (neodymium - glass)   และนีโอดีเมียม - แย๊ก (neodymium - YAG)  เลเซอร์แบบนี้จะใช้วิธีกระตุ้นโดยใช้แสงจากหลอดอาร์กอนหรือหลอดซีนอน    ซึ่งมีความยาวคลื่นที่เปลี่ยนแปลงได้ในช่วงอัลตราไวโอเลตถึงช่วงที่ตามองเห็น  เช่น.....

                        เลเซอร์แบบผลึกทับทิม (Ruby laser)   
                           ตัวกลางเป็นผลึกทับทิม (Al₂O₃)  ที่มีไอออน Cr³⁺⁺  เจือปนอยู่   ไอออน  Cr³⁺⁺    ทำให้ทับทิมมีสีชมพูแดง  จะสร้างผลึกเป็นแท่งรูปทรงกระบอก  การกระตุ้นพลังงานใช้โฟตอนจากปากหลอดไฟแฟลชรูปเกลียว  บรรจุด้วยก๊าซซีนอนที่ความดันต่ำ

                 เมื่อปล่อยพลังงานไฟฟ้าผ่านหลอดไฟแฟลชภายในเวลาอันสั้น    จะเกิดดิสชาร์จไฟฟ้าทำให้หลอดแฟลชปล่อยแสงแวบสีขาว (white light)  กระตุ้นผลึกทับทิมให้มีพลังงานสูงขึ้นที่แถบชั้นพลังงาน E₂ , E₃  แล้วเกิดการลดระดับพลังงานลงมามาอยู่ที่  E₂  เมื่ออะตอมได้รับพลังงานกระตุ้นอีก   การเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานจาก  E₂  → E₁  จะได้แสงเลเซอร์ความยาวคลื่น 6943  ํ A

                      เพื่อให้โฟตอนที่ได้ออกมาอยู่ในทิศทางเดียวกัน    จะใช้กระจกคู่วางอยู่คนละด้านของผลึกทับทิมให้ขนานกัน   กระจกหลังฉาบด้วยเงินจะสะท้อนแสงกลับหมด   ส่วนกระจกหน้าจะฉาบเงินบางๆ เพื่อให้แสงผ่านได้บางส่วน  เลเซอร์จะเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนตัวแรกที่เกิดจากการเปลี่ยนพลังงาน   E₂  → E₁   จะถูกสะท้อนกลับโดยกระจกผ่านเข้าไปในผลึกอีกครั้งหนึ่ง    เพื่อกระตุ้นให้เกิดโฟตอนตัวต่อไป  และตัวต่อไปก็จะเกิดการกระตุ้นต่อเนื่องอย่างเป็นระเบียบ   ทำให้ได้แสงเลเซอร์มีความเข้มสูงผ่านออกมาทางกระจกหน้า

                      เลเซอร์แบบผลึกทับทิมจะให้แสงเป็นพัลส์ที่มีช่วงเวลาสั้นมาก (<) แต่อาจออกแบบให้ได้ความถี่ของพัลส์สูง   การใช้พลังงานกระตุ้นแบบต่อเนื่องจะทำให้ผลึกร้อนจัดและแตกสลายได้

                  เลเซอร์ของเหลว  เช่น ดายเลเซอร์ (dye laser)  ใช้สารละลายอินทรีย์  เช่น  rhodamine 6 G , chelate , oxazine และ ranthene  เป็นต้น

                  เลเซอร์สารกึ่งตัวนำ  ก็คือไดโอดซึ่งทำด้วยรอยต่อ พี-เอ็น  ที่มีขนาดเล็กมาก  เลเซอร์แบบนี้จะให้รังสีในช่วงความยาวคลื่นใกล้อินฟราเรค  คือ ประมาณ 800 - 900 nm  ตัวอย่างของเลเซอร์แบบนี้  ได้แก่  แกลเลียมอาร์เซไนด์

                  นอกจากเลเซอร์ 4 แบบ  ดังกล่าวนี้แล้ว   ยังมีเลเซอร์อีกหลายชนิดที่ได้รับการพัฒนาและค้นพบในภายหลัง  เช่น

                เอกไซเมอร์เลเซอร์ (excimer laser)  ซึ่งตัวกลางเลเซอร์ประกอบด้วยอะตอมของแก๊สหายาก (rare gas)  เช่น  Xe, Ar , Kr  และอะตอมของ halogen  หรือ halide  เช่น Cl, F, Br  ตัวอย่างของเลเซอร์แบบนี้ ได้แก่  XeF, XeCl, ArF, KrF   ซึ่งให้แสงในช่วงอัลตราไวโอเลต   เนื่องจากว่าตัวกลางเลเซอร์อยู่ในสภาวะของแก๊สหรือไอ   ดังนั้นจึงอาจจะจัดอยู่ในประเภทเลเซอร์แก๊สได้

                นอกจากนั้นยังมีเลเซอร์อื่น ๆ อีกที่ไม่สามารถจัดอยู่ในแบบใดแบบหนึ่งดังกล่าวได้  เช่น  เลเซอร์รังสีเอกซ์  และเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ  เป็นต้น  สำหรับเลเซอร์ที่ใช้ใในเชิงพาณิชย์และงานประยุกต์ได้แสดงในตารางข้างล่าง

<<ย้อนกลับ   ถัดไป>>