ประโยชน์ของเลเซอร์

แมแมน (Maiman) เป็นผู้ที่พิสูจน์ทฤษฎีเลเซอร์ของ C.H. Townes ได้สำเร็จ โดยการประดิษฐ์เลเซอร์ตัวแรกของโลกขึ้น เป็นเลเซอร์ที่ทำทับทิม (Ruby L aser) ซึ่งเป็นของแข็งในปี ค.ศ. 1960

ในปีเดียวกันนั้นเอง จาแวน (Javan) ก็ได้ประดิษฐ์เลเซอร์ ที่ทำจากก๊าซฮีเลียม-นีออนได้เป็นผลสำเร็จ จากนั้นจึงมีการพัฒนาเลเซอร์ชนิดต่างๆ อีกมากมาย ทั้งที่ทำจากของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และสารกึ่งตัวนำ

คำว่า “เลเซอร์” เป็นคำทับศัพท์ จากภาษาอังกฤษ คือ ซึ่งเป็นคำย่อของ “LASER””Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” จึงหมายถึง การแผ่รังสีของการเปล่งแสงแบบถูกเร้า ด้วยการขยายสัญญาณแสง ดังนั้นกลไกพื้นฐานของเลเซอร์จึงได้แก่ การเปล่งแสงแบบถูกเร้า และการขยายสัญญาณแสง กลไกทั้งสองนี้ เป็นสาเหตุที่ทำให้เลเซอร์มีคุณสมบัติพิเศษต่างๆ เช่น เป็นลำแสงขนาน ที่มีความเข้มสูง และมีคลื่นแสงที่เป็นระเบียบด้วยค่าความยาวคลื่นที่ตายตัว องค์ประกอบของเลเซอร์

การเปล่งแสงแบบถูกเร้า (Stimulated Emission)

ระบบอะตอม หรือโมเลกุล ที่ใช้ทำเลเซอร์จะมีชั้นพลังงานต่างๆ อยู่ โดยที่ชั้นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเกิดแสงเลเซอร์อยู่ ๒ ชั้นพลังงาน โดยปกติอะตอม หรือโมเลกุลจะอยู่ที่ชั้นพลังงานต่ำ (E1) เสมอ เพราะมีเสถียรภาพกว่า เมื่อมีการป้อนพลังงานให้แก่ระบบอะตอม หรือโมเลกุล เช่น การฉายแสงที่มีพลังงาน ที่พอดีกับผลต่างระหว่างชั้นพลังงานทั้งสอง (E2 – E1) อะตอม และโมเลกุล จะถูกกระตุ้นให้ขึ้นไปอยู่ที่ชั้นพลังงานที่สูงกว่า (E2) ปรากฎการณ์เช่นนี้คือ การดูดกลืนแสง (Absorption)

การดูดกลืนแสง

เมื่ออะตอม หรือโมเลกุลมีพลังงานสูงขึ้น เนื่องจากการดูดกลืนแสงแล้ว จะคงสภาพเช่นนั้นได้ด้วยระยะเวลาหนึ่งเท่านั้น เพราะสถานะที่พลังงานสูง (E2) นี้ไม่เสถียร เมื่อเวลาผ่านไประยะหนึ่ง อะตอม และโมเลกุลเหล่านั้น ก็จะตกกลับมาอยู่ที่ชั้นพลังานต่ำ (E1) ตามเดิม โดยคายพลังงานออกมาเท่ากับผลต่างระหว่างชั้นพลังงานทั้งสอง (E2 – E1) หรือเปล่งแสงกลับออกมานั่นเอง การเปล่งแสงเช่นนี้เกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติของอะตอม และโมเลกุลนั้นๆ จึงเรียกปรากฏการณ์เช่นนี้ว่า การเปล่งแสงแบบเกิดขึ้นเอง (Spontaneous Emission)

แต่การเปล่งแสงแบบถูกเร้า (Stimulated Emission) ซึ่งเป็นกลกไลหลักของเลเซอร์นั้น เริ่มต้นจากการดูดกลืนแสง เพื่อให้อะตอม หรือโมเลกุล ขึ้นไปอยู่ที่ชั้นพลังงานสูงเช่นกัน แทนที่จะให้อะตอมหรือโมเลกุลตกลงมาเอง เมื่อเวลาผ่านไปจะมีการฉายแสงเข้าไปในระบบอะตอม หรือโมเลกุล ที่มีพลังงานเท่ากับผลต่างของชั้นพลังานทั้งสอง (E2 – E1) แต่แสงที่ฉายเข้าไปนี้ไม่ถูกดูดกลืนโดยระบบฯ แสงนี้เร่งเร้าให้อะตอมหรือโมเลกุลคายพลังงานก่อนเวลา แสงที่เปล่งออกมากับแสงที่เร้าจึงออกมาจากระบบพร้อมกันมีพลังงานเท่ากัน และมีความพร้อ มเพรียงกันทั้งทิศทางการเคลื่อนที่และเฟสของคลื่นแสง

การเปล่งแสงแบบถูกเร้า

การขยายสัญญาณแสง (Light Amplification)

เมื่อเกิดการเปล่งแสงแบบถูกเร้าในเนื้อวัสดุที่ใช้ทำเลเซอร์ โดยที่อะตอม หรือโมเลกุล ของเนื้อวัสดุนั้น อยู่ในสภาพถูกกระตุ้น (Excited States) แสงที่เคลื่อนที่ผ่านเนื้อวัสดุนั้น จะเร้าให้เกิดการคายแสงมากขึ้นตามลำดับ ความเข้มของแสงจึงเพิ่มขึ้น ในทางควันตัมฟิสิกส์ (Quantum Physics) ได้มีการนิยามว่า แสงคือ ก้อนพลังงานเรียกว่า โฟตอน (Photon) เมื่อโฟตอนเคลื่อนที่ผ่านเนื้อวัสดุ ที่อยู่ในสภาพถูกกระตุ้น จำนวนโฟตอนจะเพิ่มขึ้นตามลำดับ

การเพิ่มจำนวนโฟตอน

จำนวนโฟตอนที่เกิดขึ้นจากการเปล่งแสงแบบถูกเร้านี้ จะต้องมีมากพอ จึงจำเป็นต้องมีการขยายสัญญาณแสง โดยให้แสงวิ่งกลับไปกลับมา ผ่านเนื้อวัสดุเลเซอร์หลายๆ ครั้ง โดยใช้กระจก 2 ชิ้น ที่วางขนานกันที่ปลายทั้งสอง เพื่อสะท้อนแสงกลับไปมา กระจก ๒ ชิ้นที่ขนานกันนี้เรียกว่า แควิตี้แสง (Optical Cavity) ซึ่งทำหน้าที่ขยายสัญญาณแสง เพื่อให้มีความเข้มสูง จนเกิดเกน (Gain) เอาชนะความสูญเสีย (Loss) ของระบบ และได้ลำแสงเลเซอร์พุ่งออกทางด้านกระจก ที่มีการสะท้อนแสงไม่ถึง 100 %

องค์ประกอบของเลเซอร์

เลเซอร์โดยทั่วไปประกอบด้วยองค์ประกอบสำคัญ 3 ส่วน ได้แก่

1. เนื้อวัสดุที่ใช้เป็นตัวกลางเลเซอร์ (Laser Medium)

2. การปั๊มพลังงานให้แก่เนื้อวัสดุที่เป็นตัวกลางเลเซอร์ให้มีสภาพถูกกระตุ้น (Energy Pumping)

3. แควิตี้แสงเพื่อขยายสัญญาณแสง

องค์ประกอบของเลเซอร์

คุณสมบัติโคฮีเร้นท์ของแสงเลเซอร์

แสงเลเซอร์เกิดขึ้นจากการเปล่งแสงถูกเร้า โฟตอนจึงมีความเป็นระเบียบสูง คลื่นแสงมีลักษณะที่พร้อมเพรียงกัน และเมื่อมีการขยายสัญญาณแสง ด้วยแควิตี้แสง โฟตอนจึงมีจำนวนมาก หรือแสงมีความเข้มสูง และวิ่งในทิศทางที่แน่นอน คือ ตั้งฉากกับกระจกที่ใช้ทำเป็นแควิตี้เท่านั้น จึงมีลักษณะเป็นลำแสง หากเปรียบเทียบกับกองทหาร ก็เป็นหน่วยทหาร ที่มีระเบียบ เดินแถวเป็นหน้ากระดาน ด้วยจังหวะการเดินที่พร้อมเพรียงกัน และก้าวเท่าๆ กัน เดินไปในทิศทางเดียวกัน

การเปรียบเทียบความมีระเบียบของแสงเลเซอร์กับแถวทหารที่มีระเบียบวินัย

ดังนั้นแสงเลเซอร์จึงมีคุณสมบัติเด่นหลักๆ 4 ประการ คือ

1. เป็นแสงสีเดียว (มีค่าความยาวคลื่นเดียว)

2. มีเฟสเดียวกัน (มีหน้าคลื่น)

3. มีทิศทางแน่นอน (เป็นลำแสง)

4. มีความเข้มสูง (จำนวนโฟตอนต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่สูง)

คุณสมบัติทั้ง 4 นี้เรียกรวมๆ กันว่า คุณสมบัติโคฮีเร้นท์ (Coherent) เลเซอร์จึงเป็นแหล่งกำเนิดแสงแบบโคฮีเร้นท์ (Coherent Light Source) นั่นเอง จุดเด่นทั้ง 4 นี้ มีส่วนสำคัญที่ทำให้แสงเลเซอร์เกิดประโยชน์ในด้านประยุกต์ เช่น การที่แสงเลเซอร์มีค่าความยาวคลื่นที่แน่นอน จึงทำให้เลเซอร์ถูกใช้เป็นมาตรฐาน และใช้ในงานที่ต้องการความแม่นยำสูง ได้แก่ การวัดระยะทาง หน้าคลื่นที่เป็นระเบียบของแสงเลเซอร์ ถูกนำมาใช้ เพื่อบันทึกข้อมูลของภาพสามมิติ ลักษณะเป็นลำแสงมีประโย ชน์ต่อการนำร่อง การสื่อสาร และความเข้มสูงของแสงเลเซอร์ มีที่ใช้งานด้านเจาะตัด เชื่อมวัสดุได้ รวมทั้งการผ่าตัดด้วยแสงเลเซอร์ ในด้านการแพทย์อีกด้วย

ประโยชน์ของเลเซอร์ กับการใช้งานทางด้านการแพทย์

ในยุคปัจจุบันที่เทคโนโลยีต่างๆ มีความก้าวหน้าและทันสมัยมากขึ้นอย่างต่อเนื่องนั้น เลเซอร์ก็ได้กลายมาเป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีที่เข้ามามีบทบาทในหลากหลายด้านของสังคม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านวงการแพทย์ที่ได้นำแสงเลเซอร์มาใช้ประโยชน์ในการรักษาโดยตรงต่อมนุษย์

การผ่าตัดสำหรับวงการแพทย์นั้นถือได้ว่าเป็นงานที่ต้องใช้ความละเอียดสูง เลเซอร์จึงได้ถูกนำมาใช้ประโยชน์ในด้านนี้ เนื่องจากแสงเลเซอร์เป็นลำแสงขนาดเล็ก มีความเข้ม ความร้อนและพลังงานสูง ทำให้แพทย์สามารถใช้แสงเลเซอร์แทนมีดผ่าตัดในการทำงานที่ละเอียดได้ ซึ่งเป็นการรักษาที่ให้ความสะดวกและความปลอดภัยทั้งแก่แพทย์และคนไข้มากกว่าการผ่าตัดโดยวิธีธรรมดา มากกว่านั้นแสงเลเซอร์ยังถูกนำไปใช้ในการตรวจสภาพร่างกายภายในที่ไม่อาจตรวจได้โดยวิธีอื่นๆ อีกด้วยเช่นกัน

ประโยชน์ในด้านการรักษาโรคเกี่ยวกับดวงตา และอาการที่ผิดปกติของดวงตามากที่สุด ยกตัวอย่างโรคที่เกี่ยวกับดวงตาเช่น โรคมะเร็งผิวหนังด้านในเปลือกตา ที่ในปัจจุบันสามารถรักษาโรคนี้ได้โดยการใช้แสงเลเซอร์ยิงเข้าไปสลายมะเร็งด้านในเปลือกตา สำหรับอาการผิดปกติของดวงตา ยกตัวอย่างเช่น การฉีกขาดของเรตินา เป็นอาการที่เส้นเลือดฝอยบริเวณจอรับภาพของดวงตาแตก สามารถรักษาโดยใช้แสงเลเซอร์เล็กๆ ยิงผ่านเลนส์ตาเข้าไปยังเรตินา เพื่อไปเชื่อมรักษาเส้นเลือดฝอยบริเวณจอรับภาพทำให้ดวงตากลับมาใช้การได้อย่างปกติ

ศัลยกรรมตกแต่ง

การผ่าตัดโดยใช้แสงเลเซอร์ที่มีความปลอดภัยสูง มีแนวโน้มที่จะสามารถใช้ประโยชน์ในการผ่าตัดส่วนอื่นๆ ของร่างกายเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการผ่าตัดที่ทำได้ยาก หรือการผ่าตัดที่อาจเกิดข้อผิดพลาดขึ้นได้ง่ายต่อคนไข้หากใช้วิธีการผ่าตัดแบบปกติ ตัวอย่างเช่น การผ่าตัดสมอง หรือการผ่าตัดหัวใจ ที่ต้องอาศัยความละเอียดอย่างมากในการผ่าตัด

สำหรับเรื่องการผ่าตัดโดยใช้แสงเลเซอร์กับหัวใจ สามารถใช้ได้ทั้งในการผ่าตัดรักษาโรคลิ้นหัวใจ รวมไปถึงการรักษาโรคที่เกี่ยวข้องกับหลอดเลือดหัวใจได้อีกด้วย ตัวอย่างเช่น โรคหลอดเลือดหัวใจอุดตัน เป็นโรคที่รักษาได้โดยการฉายแสงเลเซอร์เข้าไปทำลายลิ่มเลือดที่อุดตันหลอดเลือด ช่วยให้เลือดสามารถไหลเวียนเข้าสู่หัวใจได้เป็นปกติ ส่วนในการผ่าตัดสมองนั้น เป็นการผ่าตัดที่มีอัตราความเสี่ยงค่อนข้างสูง ทั้งการใช้ระยะเวลาในการผ่าที่นานซึ่งอาจส่งผลให้คนไข้เสียเลือดมากและเกิดอาการช็อกได้ รวมไปถึงมีความเสี่ยงที่อาจเป็นอันตรายต่อเส้นประสาทจำนวนมากในสมอง อีกทั้งความสะอาดของเครื่องมือและอุปกรณ์ผ่าตัดก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่อาจทำให้คนไข้ติดเชื้อได้ ในกรณีที่มะเร็งอยู่ในสมองส่วนที่ลึกมากๆ นั้น ยิ่งทำให้การผ่าตัดโดยใช้วิธีธรรมดาทำได้ยากและเพิ่มความเสี่ยงแก่คนไข้มากขึ้นอีกด้วย แสงเลเซอร์จึงถูกนำมาใช้ประโยชน์ในการผ่าตัดสมองและหัวใจเพื่อใช้แทนมีดผ่าตัด เนื่องจากแสงเลเซอร์มีขนาดเล็ก สามารถควบคุมได้ และปรับพลังงานความร้อนได้ตามความต้องการของแพทย์

โดยทั่วไป การใช้แสง