ความรู้ในสาขาวิชาวิทยาศาตร์

ลำดับตอนที่ #12 : โฟทอน

แสงปกติที่เราเห็น และ ใช้อยู่ในชีวิตประจำวันนั้น มีความแตกต่างจากแสงเลเซอร์อย่างไร

แสงจากหลอดไฟดวงกลม หลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ทั้งแบบยาว และ แบบรูปทรงตะเกียบ และ หลอดไฟขนาดเล็กที่ใช้ในเครื่องใช้ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์นั้นมีพื้นฐานเหมือนกัน คือ จะต้องมีการให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนที่โคจรอยู่รอบอะตอมของวัสดุที่เราสนใจก่อนให้เคลื่อนที่จากวงโคจรต่ำไปสู่วงโคจรที่สูงขึ้น เหมือนกับการที่เราจะโยนลูกบอลให้สูงขึ้นก็ต้องออกแรงให้มากขึ้น กระบวนการนี้จะเป็นกระบวนการที่อิเล็กตรอนดูดซับพลังงานเข้าไป (Absorption)

ที่นี้เนื่องจากลูกบอลไม่สามารถลอยอยู่บนอากาศได้ตลอดเวลาฉันใด อิเล็กตรอนก็ฉันนั้น  ที่พยายามลดระดับชั้นพลังงานที่ตัวเองอยู่ลงมาอยู่ในระดับที่ต่ำกว่า และ มีความมั่นคง หรือ มีเสถียรภาพที่ดีกว่า ในระหว่างที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากระดับพลังงานชั้นที่สูงกว่าลงมาระดับชั้นพลังงานที่ต่ำกว่า ก็จะปลดปล่อยพลังงานที่รับเข้าไปออกมาด้วยในรูปของความร้อน และ แสง หรือ โฟทอน กระบวนการนี้เป็นที่รู้จักในชื่อว่า Spontaneous emission ซึ่งโฟทอน หรือ อนุภาคของแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมาแต่ละครั้ง จะมีทิศทาง ความถี่ของแสง และความสัมพันธ์กับโฟทอนตัวอื่นที่คาดเดาได้ยาก (Random)

ในส่วนของหลอดไฟดวงกลมนั้น จะมีไส้หลอดอยู่ภายในขดเป็นวงคล้ายสปริง ไส้หลอดนี้โดยปกติทำขึ้นจากทังสเตน และเมื่อเราเอาหลอดไฟดวงกลมนี้ไปต่อเข้ากับขั้วหลอด จะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าไปยังไส้หลอด และทำให้ไส้หลอดนี้ร้อนถึงกว่าสองพันองศาเซลเซียสทีเดียว ความร้อนนี้เองที่ทำให้อิเล็กตรอนจากทังสเตนย้ายจากระดับพลังงานปกติไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น และ เมื่ออิเล็กตรอนกลับลงมาสู่ชั้นระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ก็จะปลดปล่อยพลังงานในรูปของแสงที่ตาเรามองเห็นออกมา

อย่างไรก็ตามเนื่องจากไส้หลอดเป็นโลหะ แสงที่ปลดปล่อยออกมาจึงมีแสงอินฟราเรดปนอยู่ด้วย ส่งผลให้หลอดไฟชนิดนี้ร้อนง่าย และ ความร้อนนี้ก็แพร่ออกมาสู่ภายนอกด้วยเช่นกัน ความร้อนที่สูงมากที่เกิดขึ้นในหลอดไฟนี้ ก็จะส่งผลให้อะตอมของทังสเตนหลุดออกมาได้ และทำให้อายุการใช้งานของไส้หลอดสั้นลง ซึ่งปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยบรรจุก๊าซเฉื่อย เช่น อาร์กอน ไว้ภายใน ทำให้อะตอมของทังสเตนที่หลุดออกมาสะท้อนกับอะตอมของอาร์กอนกลับไปรวมตัวกันอีกครั้งหนึ่ง

นอกจากนี้หลายๆ คนคงเคยได้เห็นโฆษณาหลอดไฟดวงกลมยี่ห้อหนึ่งที่บอกว่าให้ความสว่างมากกว่าปกติ วิธีการหนึ่งที่ใช้กันก็คือ ทางวิศวกรได้เคลือบฟิล์มบางๆ ติดอยู่ภายในหลอดไฟ เพื่อให้แสงอินฟราเรดที่ได้นั้นสะท้อนกลับ และถูกโฟกัสลงไปยังไส้หลอด ส่งผลให้ไส้หลอดร้อนเร็วขึ้น และ ให้แสงออกมามากขึ้น ในขณะที่กระแสไฟฟ้าที่ใช้ยังคงเท่าเดิม

ส่วนของหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์  ในหลอดไฟชนิดนี้ก็จะมีขั้วไฟฟ้าอยู่เช่นกัน เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าที่สูงพอสมควรตกคร่อมขั้วไฟฟ้านี้ ก็จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา ทีนี้เนื่องจากภายในหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์บรรจุไอปรอทอยู่ ก็จะทำให้อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาชนกับอะตอมของไอปรอทที่อยู่ภายใน ซึ่งในการชนกันนี้สามารถทำให้อิเล็กตรอนของปรอทย้ายระดับพลังงานไปอยู่ในที่ที่สูงกว่าได้ และเมื่ออิเล็กตรอนกลับสู่สภาวะเดิมก็จะปลดปล่อยพลังงานในรูปของแสงอัลตราไวโอเลตออกมา หลอดฆ่าเชื้อที่ปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตออกมา

เพื่อให้แสงที่ได้เป็นสีขาว ก็มีการเคลือบผงฟอสฟอรัสไว้ภายในหลอด ดังนั้นเมื่อแสงอัลตราไวโอเลตตกกระทบลงบนผงฟอสฟอรัส ก็จะทำให้อิเล็กตรอนภายในอะตอมของฟอสฟอรัสเปลี่ยนระดับพลังงานไปมา และปลดปล่อยแสงสีขาวออกมาในที่สุด

คำว่า เลเซอร์ มาจากคำว่า Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) และก็บอกความหมายในตัวอยู่แล้วว่าเลเซอร์คืออะไร ถ้ามองง่ายๆ ก็คือเป็นการเพิ่มปริมาณของแสงด้วยการปลดปล่อยโฟทอน หรือ การปลดปล่อยพลังงานในรูปของแสงที่ใช้กระบวนการ Stimulated emission

แสง หรือ โฟทอนที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในกระบวนการนี้ จะมีความสัมพันธ์กันที่เราบอกได้แน่นอน คือ มีทิศทางการสั่นของสนามไฟฟ้าเหมือนกัน มีเฟสเหมือนกัน (โฟทอนแต่ละตัวเปลี่ยนแปลงไปพร้อมๆ กัน เหมือนเราเดินพาเหรดที่เดินเป็นหน้ากระดาน หรือ เป็นแถวในจังหวะเดียวกัน) และมีความถี่เหมือนกัน ไม่เหมือนกับกรณีของ Spontaneous emission ที่ใช้ในหลอดไฟดวงกลม และ หลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ ส่งผลให้แสงจากเลเซอร์มีสีเดียว

เพื่อให้แสงที่ปลดปล่อยออกมามีความแรง หรือ มีปริมาณมากกว่าแสงปกติ และมีเสถียรภาพที่ดี ก็จะต้องทำให้จำนวนอิเล็กตรอนในระดับชั้นพลังงานที่สูงขึ้นไป มีมากกว่าในระดับพลังงานที่อยู่ต่ำกว่า ซึ่งเป็นที่รู้จักในกระบวนการ Population inversion โดยทำให้แสงสะท้อนกลับไปกลับมาผ่านตัวกลางที่ปลดปล่อยแสงนั้นออกมา วิธีการง่ายๆ ก็คือเอาตัวกลางนี้ไปวางระหว่างกระจกที่สะท้อนแสงได้ดีสองชิ้น ซึ่งเราเรียกว่า คาวิตี้ (Cavity)

ดังนั้นจะเห็นได้ว่าสิ่งสำคัญที่แสงเลเซอร์จะเกิดได้นั้น จะต้องมีกระบวนการ Absorption, Stimulated emission และ Population inversion ในขณะที่แสงปกตินั้นต้องการเพียง Absorption และ Spontaneous emission โดยจะต้องมีการให้พลังงานแก่ตัวกลาง เพื่อให้ปลดปล่อยแสงออกมา การนำแสงจากแหล่งกำเนิดแสงเหล่านี้มาใช้งานก็แตกต่างกันออกไป โดยจะต้องคำนึงถึงวัตถุประสงค์ที่ใช้ ประสิทธิภาพที่ต้องการ และราคาที่เราสามารถจ่ายได้