หลักการของเลเซอร์

แสงเลเซอร์เป็นแสงที่มีคุณสมบัติแตกต่างจากแสงทั่วๆไป มีลำแสงขนาดเล็ก มีความเข้มสูงกว่าแสงธรรมดา ทั้งยังมีความเบี่ยงเบนของแสงน้อยกว่า (low-divergence beam) มีความถี่ของแสงเพียงความถี่เดียว เลเซอร์(LASER) ตรงกับคำภาษาอังกฤษที่ว่า Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ซึ่งแปลความได้ว่า การขยายแสงโดยอาศัยหลักการแผ่รังสีแบบกระตุ้น การขยายแสงคือการเพิ่มจำนวนโฟตอนหรือเพิ่มความเข้มแสงให้มีมากขึ้นกว่าเดิม โดยปรกติอะตอมหรือโมเลกุลจะอยู่ในชั้นพลังงานต่ำเสมอ (E1) เพราะเป็นสภาวะที่มีความเสถียรภาพมากกว่า แต่เมื่ออะตอมหรือโมเลกุลถูกกระตุ้นก็จะเกิดการดูดกลืนแสงหรือพลังงานที่มา กระตุ้นทำให้อะตอมหรือโมเลกุลขึ้นไปอยู่ในชั้นพลังงานที่สูงกว่า(E2) แต่สถานะพลังงานในชั้นพลังงาน E2 นี้มีความไม่เสถียรจึงสามารถคงตัวได้เพียงชั่วระยะเวลาหนึ่งจึงคายพลังงาน ออกมาเพื่อทำให้ตัวเองอยู่ในสภาวะเสถียรอีกครั้งในชั้นระดับพลังงาน E1 ดังนั้นพลังงานที่อะตอมหรือโมเลกุลปล่อยออกมาจึงมีค่าเท่ากับผลต่างของ พลังงานระหว่าง E2-E1 การคายพลังงานออกมาหรือการเปล่งแสงในลักษณะนี้ เป็นไปตามธรรมชาติเราเรียกปรากฏการณ์เช่นนี้ว่า เปล่งแสงแบบเกิดขึ้นเอง (Spontaneous Emission) ภาพจำลองการเปล่งแสงแบบถูกเร้า ภาพจาก http://physics.schooltool.n แต่สำหรับการเปล่งแสงแบบถูกเร้า (Stimulated Emission) อันเป็นหลักการสำคัญของเลเซอร์นั้น จะแตกต่างกับการเปล่งแสงแบบเกิดขึ้นเองข้างต้น คือเมื่อ อะตอมหรือโมเลกุลขึ้นไปอยู่ที่ระดับพลังงานที่สูงกว่าใน E2 และมีการฉายแสงเข้าไปโดยแสงที่ฉายเข้าไปนั้นจะต้องมีค่าพลังเท่ากับผลต่าง ของชั้นพลังงานE2-E1ที่อะตอมหรือโมเลกุลได้ดูดกลืนเอาไว้ และแสงที่เข้าไปนี้เองที่จะทำให้อะตอมหรือโมเลกุลคายพลังงานที่ดูดกลืนเอา ไว้ก่อนเวลา ทำให้เกิดแสงที่มีขนาดเท่าๆกันทั้งแสงที่ถูกปล่อยออกมาและแสงที่ถูกฉายเข้า ไปเพื่อเร้า มีทั้งพลังงานที่เท่ากัน มีทิศทางการเคลื่อนที่เดียวกัน และเฟสของคลื่นที่เหมือนกัน ซึ่งหลักการอันนี้เองที่นำมาใช้กับเทคโนโลยีเลเซอร์ เมื่ออะตอมหรือโมเลกุลของเนื้อวัสดุที่นำมาใช้ทำเลเซอร์อยู่ในสภาวะ ถูกกระตุ้นดังกล่าวแสงเคลื่อนที่ผ่านเนื้อวัสดุของเลเซอร์ที่ถูกกระตุ้นก็ ยิ่งทำให้ เกิดการคายแสงมากขึ้นทำให้ความเข้มแสงเพิ่มขึ้นนั้นเอง หรือการได้ว่าจำนวนโฟตอนเพิ่มมากขึ้นนั้นเองหลักการนี้คือการขยายแสงพื่อให้ โฟตอนมีจำนวนมากพอ ซึ่งกระทำโดยการใช้กระจก 2 ชิ้นวางขนานกันที่ปลายทั้งสองของเนื้อวัสดุ กระจกทั้งสองนี้เรียกว่า Optical Cavity ที่จะทำหน้าที่สะท้อนส่องให้โฟตอนวิ่งไปวิ่งมาในเนื้อวัสดุอันเป็นตัวกลาง เลเซอร์จนได้ปริมาณมากพอและเมื่อมีความเข้นสูงจนเกิด Gain ที่มีค่ามากกว่าพลังงานของระบบลำแสงของเลเซอร์จึงพุ่งออกมาเลเซอร์จัด ว่าเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีคุณสมบัติที่เรียกว่า คุณสมบัติโคฮีเรนต์ (coherent) คือ มีแสงสีเดียว มีเฟสเดียวกัน มีทิศทางที่แน่นอน และ มีความเข้มของแสงสูง