สาวๆ ชวนกันไปทำสวยด้วยเลเซอร์แต่จะมีสักกี่คนทราบว่า เบื้องหลังของแสงมหัศจรรย์ที่เสกความงามบนใบหน้านั้น มีพื้นฐานมาจากการต่อยอดความคิดของนักวิทยาศาสตร์ระดับโลกมาเป็นเวลา 50 ปีแล้ว และถูกจัดให้เป็น 1 ใน 5 นวัตกรรมชิ้นเอกที่มีผลกระทบสูงสุดในศตวรรษที่ 20 (นวัตกรรมที่เหลือคือ ทรานซิสเตอร์ โทรทัศน์ วงจรรวม และเส้นใยแก้วนำแสง)
“เลเซอร์” แสงลำเส้นตรง
แสงเลเซอร์ คือ แสงที่ตามองเห็น ซึ่งเกิดขึ้นจากกลไกการปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ด้วยกระบวนการปลดปล่อยพลังงานแบบถูกกระตุ้น และเป็นแสงที่แตกต่างจากแสงของกระบอกไฟฉาย ตรงที่ลำแสงเลเซอร์มีความเข้ม ความต่อเนื่องและมีความถ่างต่ำกว่า หากลองฉายแสงเลเซอร์ไปที่กระดานดำ เราจะเห็นลำแสงเป็นเส้นตรงราวกับ “ไม้เรียวของครู” ส่วนปลายแสงของกระบอกไฟฉาย จะเป็นลำกว้างและเป็นแสงที่ไม่เข้ม
ชื่อของเลเซอร์นั้น มาจากตัวย่อของกลไกในการกำเนิดแสง Light amplification by stimulated emission of radiation และเขียนย่อได้เป็น LASER
การผลิตแสงเลเซอร์จำเป็นต้องมี “ตัวกลาง” (gain medium) ที่เป็นได้ทั้งก๊าซ ของเหลว ของแข็งหรือพลาสมา เพื่อใช้ในการควบคุมความบริสุทธิ์ ขนาด ความเข้มข้นและรูปร่างของลำแสงเลเซอร์ ซึ่งลำแสงจะถูกเพิ่มขึ้นจากกระบวนการเปล่งแสงแบบถูกกระตุ้น โดยตัวกลางจะดูดซับพลังงานที่ใส่เข้าไป ซึ่งพลังงานนั้นจะไปกระตุ้นอิเล็กตรอนบางตัวให้กระโดดไปในชั้นพลังงานที่สูงกว่าหรือสถานะกระตุ้น (excited state)
เมื่อจำนวนอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะกระตุ้น ซึ่งอยู่ในชั้นพลังงานที่สูงกว่า มีจำนวนมากกว่าอิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นพลังงานที่ต่ำกว่า อิเล็กตรอนจากชั้นพลังงานที่สูงกว่า จะย้ายลงมาชั้นพลังงานที่ต่ำกว่าเพื่อความเสถียร ซึ่งระหว่างนั้นจะมีพลังงานจำนวนหนึ่ง ถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของแสงเลเซอร์ ปรากฎการณ์เช่นนี้ยังเกิดได้เองตามธรรมชาติด้วย
“ไอน์สไตน์” จุดประกายเลเซอร์
ในขณะที่หลายๆ คนจดจำภาพของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) คู่กับระเบิดปรมาณู โดยที่เขาเองไม่ได้มีส่วนเกี่ยวข้องกับการพัฒนาเครื่องมือทำลายล้างชีวิตในยุคสงครามโลกนี้เลย แต่กลับมีคนจำนวนน้อย ที่ทราบว่านักฟิสิกส์หัวฟูผู้นี้ เป็นผู้ริเริ่มทฤษฎีพื้นฐาน ที่นำมาสู่การพัฒนาแสงเลเซอร์ ซึ่งใช้งานกันอย่างแพร่หลาย ทั้งแวดวงอุตสาหกรรม การแพทย์ ความงาม การสื่อสารและโบราณคดี
ไอน์สไตน์ได้เสนอทฤษฎีพื้นฐานควอนตัมของการแผ่รังสีเมื่อปี ค.ศ. 1917 โดยได้ต่อยอดความรู้กฎการแผ่รังสีของ มักซ์ พลังก์ (Max Plank) จนสามารถอธิบายการเปล่งแสงแบบถูกกระตุ้น และแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระบวนการดูดกลืนพลังงาน กับกระบวนการปลดปล่อยพลังงานแบบถูกกระตุ้น (Stimulated Emission) และการปลดปล่อยพลังงานแบบเกิดขึ้นเอง (Spontaneous Emission) ได้ จากนั้นได้มีนักวิทยาศาสตร์พยายามศึกษาเพื่อทำความเข้าใจกระบวนการปลดปล่อยพลังงานแบบถูกกระตุ้นเรื่อยมา
กว่า “เลเซอร์” จะเปล่งแสง
ก่อนที่จะมีเลเซอร์ นักวิทยาศาสตร์ผลิตลำแสงที่เรียกว่า “เมเซอร์” (MASER) ซึ่งเป็นคำย่อของ Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ได้เป็นครั้งแรกในปี 1953 โดยทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย (Columbia University) สหรัฐฯ คือ ชาร์ลส ทาวเนอร์ส (Charles H. Townes) เจ กอร์ดอน (J. P. Gordon) และ เอช ซีเกอร์ (H. J. Zeiger) โดยใช้การปลดปล่อยพลังงานแบบถูกกระตุ้นจากไอของโมเลกุลแอมโมเนีย เพื่อขยายคลื่นไมโครเวฟที่ความถี่ 24 กิกะเฮิตรซ์
ในช่วงเวลาใกล้เคียงกันนั้น มีงานวิจัยจากรัสเซีย โดยนิโคเลย์ บาซอฟ (Nikolay Basov) และ อเล็กซานเดอร์ โปรคอรอฟ (Alexander Prokhorov) จากสถาบันฟิสิกส์ลาเบเดฟ (Lebedev Institute of Physics) ที่ได้อธิบายหลักการทำงานของ "เมเซอร์"
เนื่องจากเมเซอร์มีลำแสงที่กว้างกว่า จึงมีการพัฒนาลำแสงให้แคบลง กลายเป็นแสงเลเซอร์ ซึ่งถูกสร้างขึ้นครั้งแรกเมื่อวันที่ 16 พ.ค.1960 โดย ธีออดอร์ ไมแมน (Theodore Maiman) จากห้องปฏิบัติการวิจัยฮิวจ์ (Hughes Research Laboratories) โดยใช้แสงกระตุ้นให้ทับทิมสังเคราะห์ เปล่งแสงที่ความยาวคลื่น 694 นาโนเมตร
ต่อมาอีก 2 ปี โรเบิร์ต ฮอลล์ (Robert N.Hall) จากศูนย์วิจัยเจเนอรัลอิเล็กทริก (General Electric) ได้สาธิตเลเซอร์ไดโอดจากแกลเลียม-อาร์เซไนด์ (GaAs) เป็นครั้งแรก ซึ่งปล่อยแสงเลเซอร์ในย่านอินฟราเรดใกล้ หรือความยาวคลื่นประมาณ 850 นาโนเมตร และในปีเดียวกันนั้นเองมีการพัฒนาเลเซอร์จากสารกึ่งตัวนำขึ้นเป็นครั้งแรก โดย นิค โอโลนยัค (Nick Holonyak) จากเจเนอรัลอิเล็กทริกเช่นกัน ซึ่งได้เลเซอร์ที่ให้แสงในย่านมองเห็น และเป็นเลเซอร์แบบก๊าซยุคต้นๆ
“เลเซอร์” เทคโนโลยีจากมันสมองระดับโนเบล
ถ้ามีใครสักคนบอกว่า สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ค้นคว้ากันนั้นมักเป็นเรื่องไกลตัวคนทั่วไป “เลเซอร์” คือข้อโต้แย้ง เพราะเราเห็นผลกระทบของเลเซอร์ได้อย่างชัดเจน แต่กว่าเทคโนโลยีเลเซอร์จะลงมาอยู่ในกล่องให้เราเลือกซื้อกันได้ตามสะดวกนั้น ต้องผ่านการค้นคว้าอย่างหนัก จากนักวิทยาศาสตร์ที่ได้รับการันตีจากเวทีโนเบล
ล่าสุด ชาร์ลส์ เกา (Charles K. Kao) นักวิจัยเชื้อชาติจีน วัย 76 ปี จากห้องปฏิบัติการมาตรฐานการสื่อสาร (Standard Telecommunication Laboratories) เมืองฮาร์โลว์ สหราชอาณาจักร เป็น 1 ใน 3 ของผู้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2009 จากผลงานการบุกเบิกเรื่องการสื่อสารด้วยแสงผ่านเส้นใยแก้วนำแสง ซึ่งเกี่ยวข้องกับเลเซอร์โดยตรง
เส้นแสงคมราวมีดโกน แม้พลังงานต่ำก็ทำ “ตาบอด” ได้
นับแต่แรกเริ่มที่เลเซอร์ถูกสร้างขึ้นมา ก็เป็นที่รู้กันว่าเป็นลำแสงที่มีอันตรายอย่างมาก ซึ่งไมแมน ผู้สร้างเลเซอร์คนแรก บรรยายคุณสมบัติของแสงเลเซอร์ลำแรกว่า คมราวกับใบมีดโกนที่สามารถเผาทำลายใบมีดโกนใบหนึ่งได้ จวบกระทั่งทุกวันนี้ก็ยังยอมรับกันว่า แม้แต่เลเซอร์พลังงานต่ำเพียงไม่กี่มิลลิวัตต์นั้น ก็มีกำลังมากพอที่จะทำลายสายตาได้ หากถูกลำแสงเลเซอร์กระทบดวงตาโดยตรง หรือได้รับแสงสะท้อนจากพื้นผิวที่สว่างจ้า
อีกทั้งกระจกตาและเลนส์ตายังรับความยาวคลื่นของเลเซอร์ได้ ซึ่งการเป็นลำแสงที่ต่อเนื่องและมีความเข้มสูงทำให้ดวงตาของเราสามารถโฟกัสลำแสงเลเซอร์ไปตกที่เรตินาหรือจอประสาทตาได้พอดี ผลคือจอประสาทตาจะถูกเผาไหม้และถูกทำลายอย่างถาวรภายในเวลาไม่กี่วินาทีหรือน้อยกว่านั้น ดังนั้น จึงเป็นเรื่องน่าห่วงมากสำหรับเลเซอร์ที่วางจำหน่ายตามตลาดนัดหรือข้างทาง ซึ่งผู้ขายเรียกความสนใจด้วยการฉายลำแสงที่ดวงตาลูกค้าโดยตรง
อย่างไรก็ดี ความรุนแรงของเลเซอร์แบ่งออกเป็นระดับความปลอดภัยต่างๆ ดังนี้
- Class I/1 – ระดับปลอดภัย เนื่องจากแสงเลเซอร์ถูกกักไว้ในอุปกรณ์ที่มิดชิด เช่น เครื่องเล่นซีดี เป็นต้น
- Class II/2 – ปลออดภัยหากใช้ตามปกติ และการกระพริบตาจะช่วยป้องกันอันตรายได้ โดยทั่วไปกำลังเลเซอร์สูงสุด 1 มิ]ลิวัตต์ ตัวอย่างเช่น เลเซอร์พอยเตอร์
- Class IIIa/3R – เลเซอร์กำลังสูงสุด 5 มิลลิวัตต์ ซึ่งมีความเสี่ยงเล็กน้อยที่จะทำลายดวงตา ในช่วงเวลาที่กะพริบตา และการจ้องเลเซอร์ระดับนี้โดยตรงจะเป็นสาเหตุให้ดวงตาถูกทำลายในระดับเล็ก
- Class IIIb/3B – เลเซอร์ระดับนี้อาจทำลายดวงตาให้เสียในระดับกลางได้โดยขึ้นอยู่กับปริมาณลำแสงที่กระทบตา โดยปกติเลเซอร์ระดับนี้มีกำลังสูงสุด 500 มิลลิวัตต์ ซึ่งพบได้ในเครื่องเขียนแผ่นซีดีและดีวีดี
- Class IV/4 – เป็นเลเซอร์มีที่ความรุนแรงมาก สามารถเผาไหม้ผิวหนังได้ และในบางกรณีเพียงแค่แสงสะท้อนของเลเซอร์ระดับนี้ก็ทำอันตรายผิวหนังและดวงตาได้ สำหรับเลเซอร์ระดับนี้พบในงานอุตสาหกรรมและงานด้านวิทยาศาสตร์
แสงเลเซอร์จุดไฟ “นิวเคลียร์ฟิวชัน”
แสงเลเซอร์ยังเป็นความหวังให้แก่วงการพลังงาน โดยล่าสุดสหรัฐฯ ได้ออกมาส่งสัญญาณว่า มีฤกษ์ยิงลำแสงซูเปอร์เลเซอร์ที่มีความเข้มสูง 192 ในห้องปฏิบัติการของหน่วยงานการเผาไหม้เครื่องยนต์แห่งสหรัฐฯ หรือเอ็นไอเอฟ (The US National Ignition Facility : NIF) ซึ่งมีขนาด 3 เท่าของสนามฟุตบอล เพื่อจุดระเบิดให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน หรือให้เกิดการรวมตัวของนิวเคลียสแบบต่อเนื่องเป็นลูกโซ่ ซึ่งจะได้พลังงานสะอาดเช่นเดียวกับพลังงานจากดวงอาทิตย์ในปริมาณมหาศาล โดยไม่ทิ้งกากกัมมันตรังสีแบบนิวเคลียร์ฟิชชันที่ใช้กันอยู่ทั่วโลกขณะนี้
ในโอกาสที่เลเซอร์ฝีมือมนุษย์ได้เปล่งแสงขึ้นมาบนโลกครบ 5 ทศวรรษในปี 2010 นี้ จึงมีการฉลองครบรอบ 50 ปีของเทคโนโลยีเลเซอร์ โดยมี 3 หน่วยงานหลัก คือ สมาคมทัศนศาสตร์แห่งอเมริกา (Optical Society of America) สมาคมวิศวกรรมเครื่องมือทัศนศาสตร์เชิงแสง (American Physical Society) และสมาคมฟิสิกส์อเมริกัน (American Physical Society) เป็นผู้ริเริ่มการฉลอง
