ชนิดของเลเซอร์

ชนิดของเลเซอร์

          เมื่อนำปัจจัยที่กล่าวมาทั้งหมดในหัวข้อที่แล้วมาพิจารณา จะพบว่าในทางปฏิบัติ โครงสร้างของเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์จะต้องมีองค์ประกอบสำคัญ 3 ส่วน คือ
1. ตัวกลางเลเซอร์ (laser medium) เป็นวัสดุที่ถูกกระตุ้นแล้วให้แสงเลเซอร์ออกมา ซึ่งอาจเป็นแก๊ส ของแข็ง ของเหลว หรือสารกึ่งตัวนำ
2. ออปติคัลเรโซเนเตอร์ (optical resonator) เป็นส่วนประกอบของเครื่องกำเนิดเลเซอร์ที่ทำให้เกิดการปล่อยแสงแบบถูกกระตุ้นซ้ำแล้วซ้ำอีกจนถึงจุดเลสซิง ประกอบด้วยกระจก 2 แผ่น วางหันหน้าเข้าหากัน โดยระหว่างกลางมีตัวกลางเลเซอร์อยู่
3. แหล่งกำเนิดพลังงาน (energy source) เป็นตัวกระตุ้นให้อะตอมอยู่ในสภาวะที่เป็นประชากรผกผัน

รูปแสดงโครงสร้างพื้นฐานของเครื่องกำเนิดเลเซอร์

          กระจกที่ทำหน้าที่เป็นออปติคัลเรโซเนเตอร์สองบานนั้น มีความสามารถในการสะท้อนแสงได้ต่างกันเล็กน้อย กล่าวคือ กระจกแผ่นหลังตัวกลางเลเซอร์สามารถสะท้อนแสงได้หมด ในขณะที่กระจกแผ่นหน้าสะท้อนแสงได้เกือบหมด โดยมีปริมาณแสงบางส่วนทะลุผ่านไปได้ แสงที่ทะลุผ่านออกไปก็คือแสงเลเซอร์นั่นเอง

          เราสามารถแบ่งชนิดของเลเซอร์ตามลักษณะของตัวกลางเลเซอร์ได้ดังนี้

Gas Laser: สารตัวกลางเลเซอร์มีลักษณะเป็นก๊าซ เช่น CO2 Laser, Argon Laser, Xenon Laser, He-Ne Laser

Solid State Laser: ใช้สารตัวกลางเลเซอร์ที่เป็นแท่งผลึกแข็ง เช่น Nd:YAG Laser, Ruby Laser

Dye Laser: สารตัวกลางมีลักษณะเป็นของเหลว เช่น Rhodamin 6G Laser

Semiconductor Laser: เป็นเลเซอร์ที่ใช้สารตัวกลางเลเซอร์เป็นสารกึ่งตัวนำ เช่น Diode Laser ชนิดต่าง ๆ

เลเซอร์ที่นิยมใช้ในงานอุตสาหกรรมในปัจจับัน ได้แก่ He-Ne Laser, Argon-Ion Laser, Carbon dioxide Laser, Ruby Laser, Nd:YAG Laser, Semiconductor Laser และ Eximer Laser แต่ละชนิดมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

He-Ne Laser ฮีเลียม-นีออน เลเซอร์
เป็นเลเซอร์ก๊าซชนิดแรก ประกอบด้วยก๊าซฮีเลียม (He) และนีออน (Ne) ในอัตรา ส่วนประมาณ 10:1 แหล่งกำเนิดพลังงานที่กระตุ้นให้เกิดประชากรผกผัน (มักเรียกอีกชื่อว่า pumping source) ที่ใช้จะเป็น electrical discharge คือทำให้มีอิเล็กตรอนวิ่งผ่านและชนกับก๊าซที่บรรจุอยู่ในหลอดเลเซอร์

แสงเลเซอร์ที่ได้จะเป็นสีแดง ที่มีความยาวคลื่น 632.8 นาโนเมตร (หรือ 632.8 x 10-9 เมตร) และมีกำลังประมาณ 0.5 – 50 มิลลิวัตต์ ผู้สร้างสามารถเลือกการเปลี่ยนชั้นพลังงานของอะตอมให้เกิดเป็นเลเซอร์สีเขียว และอินฟราเรด ได้ แต่ไม่นิยม เพราะแสงดังกล่าวเกิดยากกว่าและต้องใช้ต้นทุนสูง

มีการใช้งาน ฮีเลียม-นีออน เลเซอร์ มากในงานศึกษาวิจัย โดยมากใช้ในการสอบเทียบ การวัด การสร้างภาพโฮโลแกรม ในงานอุตสาหกรรมใช้เป็นมาตรฐานในการสอบเทียบการวัดเชิงมิติ

รูปแสดงระบบ He-Ne Laser (กล่องสีขาว) ที่ใช้ในการสร้างภาพโฮโลแกรม

รูปแสดง He-Ne Laser ก๊าซบรรจุอยู่ในหลอดแก้ว จะเห็นกระจกที่ปลายทั้งสองข้าง

Argon-ion Laser อาร์กอน-อิออน เลเซอร์
ตัวกลางที่เป็นต้นกำเนิดของแสงเลเซอร์ชนิดนี้คือ อิออนของอาร์กอน ซึ่งเกิดจากการกระตุ้นอะตอมของอาร์กอน จนอิเล็กตรอนบางอนุภาคหลุดออกไป

Pumping source ที่ใช้เป็นแบบ electrical discharge ทำให้อิออนของอาร์กอนถูกกระตุ้นไปอยู่ที่ชั้นพลังงานที่สูงกว่า ที่เรียกว่า metastable state โดยที่บริเวณที่เป็น metastable states จะมีหลายชั้นย่อย ทำให้สามารถเกิดการเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานได้หลายแบบ แต่ที่เด่นชัดคือ แสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 514 นาโนเมตร (สีเขียว) และ 488 นาโนเมตร (สีน้ำเงิน) กำลังของแสงเลเซอร์ที่ได้จะอยู่ในช่วง 1 – 20 วัตต์

ข้อเสียของเลเซอร์ชนิดนี้คือต้องใช้กระแสไฟฟ้าในการ pump สูงมาก เพราะต้องทำหน้าที่ทั้งทำให้อะตอมเป็นอิออน และกระตุ้นอิออนให้เกิดประชากรผกผัน ทำให้เกิดความร้อนสูง จึงต้องมีระบบหล่อเย็น

อาร์กอน-อิออน เลเซอร์ ถูกนำไปประยุกต์ใช้ทางด้านการแพทย์ (ผ่าตัด) สร้างภาพโฮโลแกรม (holography) และงานด้าน specto photometry

รูปแสดงลำแสงสีเขียวของอาร์กอน-อิออน เลเซอร์
(แหล่งภาพ http://stigma.bu.edu/facilities.asp)

Carbon dioxide Laser คาร์บอนไดออกไซด์ เลเซอร์
เป็นเลเซอร์ชนิดก๊าซ ประกอบด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซไนโตรเจน และก๊าซฮีเลียม ในอัตราส่วนประมาณ 1:1:10 เพื่อช่วยในการเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์

ที่แตกต่างเลเซอร์ก๊าซประเภทอื่นมาก เพราะแสงเลเซอร์ไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอะตอม แต่เกิดจากการหมุนและการสั่นของโมเลกุลของก๊าซ โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ ปกติจะมีลักษณะเป็นเส้นตรง โดยมีออกซิเจนอยู่สองข้างและคาร์บอนอยู่ตรงกลาง การสั่นของโมเลกุลเป็นการสั่นขึ้นลงหรือเข้าออกของออกซิเจน เมื่อเทียบกับคาร์บอน พลังงานจากการเปลี่ยนระดับพลังงานในการสั่นของโมเลกุลจะมีค่าประมาณ 0.1 อิเล็กตรอนโวลต์ ได้ความยาวคลื่นแสงเลเซอร์ประมาณ 10.6 ไมครอน (10.6 x 10-6 เมตร) ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าย่านอินฟราเรด การที่พลังงานจากการเปลี่ยนระดับพลังงานมีค่าต่ำ ทำให้ pump โดยใช้ electrical discharge ได้ง่าย และมีประสิทธิภาพสูงถึง 20% ซึ่งถือว่ามากเมื่อเทียบกับเลเซอร์โดยทั่วไป ที่มีประสิทธิภาพประมาณ 1% คาร์บอนไดออกไซด์เลเซอร์ โดยทั่วไปจะมีกำลังเฉลี่ยประมาณ 10 – 2,000 วัตต์ ถ้าประยุกต์ใช้ในงานการตัดกระดาษหรือผ้า หรือในงานแกะสลักพลาสติกและไม้ จะใช้กำลังอยู่ที่ประมาณ 10 – 5- วัตต์ แต่ถ้าใช้ในการตัดหรือเจาะโลหะหรือวัสดุที่มีความแข็งสูงมาก ต้องใช้กำลังอยู่ที่ประมาณ 100 วัตต์ ขึ้นไป ทำให้เลเซอร์ชนิดนี้ไม่เหมาะในการนำมาประยุกต์ใช้ในงานการแกะสลักหรือเจาะวัสดุที่มีความแข็งสูง โดยส่วนใหญ่แล้วมักใช้กับวัสดุจำพวกอโลหะ เนื่องจากระบบคาร์บอนไดออกไซด์แบบชนิดที่มีกำลังสูงจะมีขนาดใหญ่ และมีอุปกรณ์เสริมต่อพ่วง เช่น ถังก๊าซ ปั๊มสุญญากาศ และอุปกรณ์ควบคุมความดัน รวมถึงแหล่งจ่ายกำลังแรงดันสูงประมาณ 10 – 25 กิโลโวลต์

Ruby Laser เลเซอร์ทับทิม
เป็นเลเซอร์ชนิดของแข็ง มีลักษณะที่สำคัญคือ ตัวกลางเลเซอร์ที่ใช้จะเป็นแท่งผลึกของฉนวน ซึ่งทำหน้าที่เป็น host และมีการฉาบ (dope) โครเมียม (เป็น impurity) เข้าไป ทำให้บางครั้งนิยมเรียกว่า doped insulator laser และมีตัวอย่างเลเซอร์หลัก ๆ 2 ชนิดที่ใช้เทคนิคนี้ คือ เลเซอร์ทับทิม และ Nd:YAG เลเซอร์

รูปแสดงเลเซอร์ทับทิม เครื่องแรก

เลเซอร์ทับทิม เป็นเลเซอร์ชนิดแรกที่ถูกสร้างขึ้น โดย Theodore Maiman ในปี ค.ศ. 1960 สารตัวกลางเลเซอร์คือ Cr3+:Al2O3 เป็นการ dope Cr 3+ ลงไปใน Al2O3 ซึ่งคือทับทิมสังเคราะห์นั่นเอง

pumping source ที่ใช้เป็นแบบ optical โดยที่นิยมใช้กันคือ หลอดไฟแฟลช (xenon flash lamp ที่เห็นเป็นหลอดแก้วเกลียวในรูปข้างบน ซึ่งโอบรอบแท่งผลึกทับทิมที่อยู่ตรงกลาง) การทำให้เกิดประชากรผกผันในเลเซอร์ทับทิมนั้นทำได้ยาก และจะได้เลเซอร์เฉพาะแบบที่เป็นพัลส์เท่านั้น ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์ที่ได้คือ 694.3 นาโนเมตร และมีพลังงานในระดับ มิลลิจูจต่อพัลส์ ถึง กิโลจูลต่อพัลส์

Nd:YAG Laser นิโอดิเมียมแย็กเลเซอร์
เป็นเลเซอร์ชนิดของแข็ง โดยมี host เป็น ผลึกของ Yttrium-aluminium garnet (Y3Al5O12) หรือเรียกย่อ ๆ ว่า YAG ส่วน impurity คือ Nd3+ ซึ่งจะถูก dope เข้าไปประมาณ 1% โดยน้ำหนัก โดยทั่วไปนีโอดิเมียมแย็กเลเซอร์ มีกำลังเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 3 – 1,000 วัตต์ สามารถให้แสงได้ทั้งแบบพัลส์ (pulse) และแบบต่อเนื่อง (continuous) ขึ้นอยู่กับว่า pumping source ที่ใช้เป็นแบบหลอดไฟแฟลช หรือหลอดไฟอาร์ค

เลเซอร์ชนิดนี้มีความยาวคลื่น 1064 นาโนเมตร อยู่ในย่านอินฟราเรด แต่นิยมใช้ควบคู่กับ second harmonic crystal เช่น KTP ทำให้ได้ความยาวคลื่น 532 นาโนเมตร เป็นแสงสีเขียวออกมาได้ เนื่องจากเลเซอร์ชนิดนี้สามารถทำให้เกิดค่ากำลังสูดสุดถึง 2,000 วัตต์ ได้ในระบบเลเซอร์ที่มีค่ากำลังเฉลี่ย 3 วัตต์ เท่านั้น จึงทำให้ระบบเลเซอร์นี้ ซึ่งมีขนาดเล็ก สามารถนำไปทำการเจาะ ตัด หรือแกะสลักวัสดุที่มีความแข็งสูง วัสดุจำพวกโลหะ หรือวัสดุเช่นแก้ว เซรามิก หรืออัญญมณี ได้เป็นอย่างดี

รูปแสดงแสงสีเขียวของ นีโอดิเมียมแย็กเลเซอร์
ในห้องวิจัยของ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี

          ปัจจุบันระบบนิโอดีเมียมแย็กเลเซอร์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมเป็นแบบใช้หลอดไฟแฟลช หรือหลอดไฟอาร์ค เป็น pumping source ซึ่งระบบนี้มีการสิ้นเปลืองพลังงานมาก เนื่องจากพลังงานทั้งหมดที่ใส่ให้แก่หลอดอาร์คจะมีเพียง 4 – 7% เท่านั้นที่ถูกนำไปใช้ในการกระตุ้น ส่วนที่เหลือคือความร้อนซึ่งจะต้องถูกระบายทิ้งออกไป ในปัจจุบันมีการพัฒนาเลเซอร์ไดโอดให้มีประสิทธิภาพสูงและมีราคาที่ถูกลงมาก จึงได้นำเอาเลเซอร์ไดโอดมาใช้เป็นแหล่งกระตุ้นแทนที่หลอดไฟอาร์คชนิดเดิม ทำให้ระบบมีประสิทธิภาพสูงขึ้นถึง 50 – 70% ของประสิทธิภาพรวม โดยที่ระบบเดิมมีค่าเพียง 2 – 3% เท่านั้น ระบบจึงมีขนาดเล็กลงมาก และมีอุปกรณ์ระบายความร้อนที่มีขนาดเล็กด้วย ทำให้ค่าใช้จ่ายในการทำงานลดลงมาก

          Semiconductor Laserเลเซอร์สารกึ่งตัวนำ
เป็นเลเซอร์ที่ใช้สารกึ่งตัวนำเป็นตัวกลาง และเป็นเลเซอร์ที่มีจำนวนมากที่สุด มีลักษณะคล้ายกับ LED (light emitting diode) แต่มีลักษณะพิเศษบางประการ ทำให้แสงที่ออกมาเป็นเลเซอร์ โดย LED จะให้แสงจาก spontaneous emission แต่เลเซอร์สารกึ่งตัวนำให้แสงจาก stimulated emission

แสงในเลเซอร์ชนิดนี้เกิดจากการรวมตัว (recombination) ของอิเล็กตรอน กับ "หลุม" (hole) ที่บริเวณรอยต่อ P-N ของสารกึ่งตัวนำ เช่น GaAs, GaP และ GaAlAs

รูปแสดง laser pointer ซึ่งเป็นเลเซอร์สารกึ่งตัวนำ

สมัยนี้หาซื้อได้ง่าย ราคาถูก แต่น้อยคนที่จะรู้ว่าแสงที่ให้นั้นเป็นอันตรายต่อนัยน์ตาได้

ความยาวคลื่นของแสงขึ้นกับชนิดของสารกึ่งตัวนำที่ใช้เป็นตัวกลาง โดยความยาวคลื่นหลัก ๆ คือ 650, 770, 809, 1100 และ 1500 นาโนเมตร สามาตรประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์หลายชนิด เช่น ปรินเตอร์ เลเซอร์พอยน์เตอร์

กำลังของเลเซอร์ที่ได้มีตั้งแต่ระดับ มิลลิวัตต์ ถึง วัตต์ แต่สามารถนำเลเซอร์สารกึ่งตัวนำหลาย ๆ อัน มารวมกันในรูปแบบของ array หรือ bar ให้มีกำลังสูงเป็นระดับ กิโลวัตต์ ได้

          Eximer Laser เอ็กไซเมอร์เลเซอร์
เป็นเลเซอร์ชนิดก๊าซ โดยก๊าซที่บรรจุอยู่าภายในระบบนั้นจะมีความดันอยู่ในช่วงไม่เกิน 5 atm ซึ่งก๊าซที่ใช้เป็นการผสมกันของ rare gas เช่น Ar , Kr, Xe ปริมาณ 0.1 – 0.3% กับก๊าซฮาโลเจน เช่น F, Cl, Br, I ปริมาณ 2 – 10% โดยก๊าซทั้งสองชนิดจะมีอยู่ในระบบเพียงน้อยนิดเมื่อเทียบกับปริมาตรของก๊าซทั้งหมดภายในระบบ ส่วนที่เหลือคือ buffer gas เช่น He แต่ buffer gas จะไม่ใช้เป็นตัวกลางของการเกิดแสงเลเซอร์

เอ็กไซเมอร์เลเซอร์เกิดขึ้นจากการปลดปล่อยพลังงานของโมเลกุล เมื่อมีการเปลี่ยนระดับพลังงานระหว่างสถานะกระตุ้นและสถานะพื้น คำว่า Eximer มาจากคำว่า Excited Dimer (อ่านว่า ไดเมอร์) ซึ่งเอ็กไซเมอร์เลเซอร์ที่ใช้ส่วนใหญ่จะใช้ก๊าซผสมระหว่าง rare gas ที่มีมวลโมเลกุลสูง กับก๊าซฮาโลเจน เช่น
ArCl ให้แสงความยาวคลื่น 175 นาโนเมตร
XeF ให้ความยาวคลื่น 175 นาโนเมตร
ArF ให้ความยาวคลื่น 193 นาโนเมตร
KrF ให้ความยาวคลื่น 249 นาโนเมตร
XeCl ให้ความยาวคลื่น 308 นาโนเมตร

pumping source ที่ใช้ได้มาจากพลังงานจากปฏิกิริยาเคมี ระหว่าง rare gas กับก๊าซฮาโลเจน เรียกวิธี pump แบบนี้ว่า chemical pumping เมื่อต้องการให้เกิดแสงเลเซอร์ ก๊าซสองชนิดจะถูกนำมาผสมกัน นั่นคือก๊าซทั้งสองแยกกันอยู่ในตอนแรก

รูปแสดงระบบเอ็กไซเมอร์เลเซอร์ ที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมการเจาะชิ้นงานโพลิเมอร์
(แหล่งภาพ http://www.spectralytics.com/capabilities/excimerlaser.htm)

          เอ็กไซเมอร์เลเซอร์ให้แสงที่เป็นแบบพัลส์ออกมา สามารถให้พลังงานตั้งแต่ระดับ มิลลิจูล ไปจนถึงระดับ 100 จูลต่อพัลส์ ในความถี่สูงถึงระดับ 1 – 2 กิโลเฮิรตซ์ และสามารถให้กำลังงานเฉลี่ยได้สูงถึง 500 วัตต์ เอ็กไซเมอร์เลเซอร์เป็นอุปกรณ์กำเนิดแสงเหนือม่วงแบบอาพันธ์ (coherent uv) และ deep uv ให้ลำแสงที่มีขนาดเล็กมาก สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานในด้านต่าง ๆ อย่างกว้างขวางทั้งทางการแพทย์ (เลซิค) และทางอุตสาหกรรม โดยส่วนใหญ่จะนำไปใช้กับวัสดุที่มีความแข็งแรงของโครงสร้างโมเลกุลสูง เช่น เพชร หรือสารจำพวกโพลีเมอร์


ที่มา : http://www.sc.mahidol.ac.th/scpy/Optics/basic_laser5.htm