หลักการทำงานของเลเซอร์

แสงคืออะไร

แสงคือ "คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า" ชนิดหนึ่ง "คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า" มีลักษณะตามมาตรฐานของ "ความยาวคลื่น" และเมื่อเริ่มจากที่มีความยาวคลื่นยาว จะแบ่งได้เป็น คลื่นวิทยุ รังสีอินฟราเรด แสงที่มองเห็นได้ รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์เรย์ และรังสีแกมมา

สีคืออะไร

เมื่อความยาวคลื่นแสงกระทบวัตถุ คลื่นแสงที่สะท้อนออกที่วัตถุไม่ได้ดูดซับไว้ จะมองเห็นได้ด้วยดวงตาของมนุษย์ (เรตินา) เมื่อปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้น เราจะรับรู้ความยาวคลื่นเหล่านี้ว่าเป็น "สี" ของวัตถุ ดัชนีหักเหจะแตกต่างกันตามความยาวคลื่น ดังนั้นแสงจึงแยกออก ด้วยเหตุนี้เราจึงสามารถรับรู้ "สี" ต่างๆ ได้ ตัวอย่างเช่น ผลแอปเปิ้ล (ได้รับแสงธรรมชาติ ก็คือลำแสงเฉพาะที่ทำให้มนุษย์สามารถมองเห็นสีแดง) สะท้อนความยาวคลื่นแสงสีแดง (600 ถึง 700 nm) และดูดซับความยาวคลื่นแสงอื่นๆ ทั้งหมด * วัตถุสีดำดูดซับแสงทั้งหมดจึงปรากฏเป็นสีดำ

แสงที่มองเห็นได้คืออะไร

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่นอยู่ในระยะที่มนุษย์สามารถมองเห็นเรียกว่า "รังสีที่มองเห็นได้" ด้านฝั่งที่มีความยาวคลื่นสั้น รังสีที่มองเห็นได้มีความยาว 360 ถึง 400 nm ส่วนฝั่งที่มีความยาวคลื่นยาววัดได้ 760 ถึง 830 nm ความยาวคลื่นที่สั้นหรือยาวกว่า "รังสีที่มองเห็นได้" ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตามนุษย์

แสงที่มองเห็นได้คืออะไร

ความแตกต่างระหว่างแสงธรรมดาและลำแสงเลเซอร์

นี่เป็นความแตกต่างระหว่างแสงทั่วไป (โคมไฟ และอื่นๆ) และแสงเลเซอร์ เลเซอร์จะปล่อยลำแสงที่มีความแน่นอนของทิศทางสูง หมายความว่าองค์ประกอบของคลื่นแสงจะเดินทางด้วยกันเป็นเส้นตรง โดยแทบไม่มีองค์ประกอบใดออกนอกทิศทาง แหล่งกำเนิดแสงทั่วไปจะปล่อยคลื่นแสงที่กระจายออกทุกทิศทาง คลื่นแสงในลำแสงเลเซอร์เป็นสีเดียวกันทั้งหมด (คุณสมบัติที่เรียกว่า แสงสีเดียว) แสงทั่วไป (เช่น แสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์) มักเป็นส่วนผสมระหว่างสีต่างๆ ที่รวมกันจนปรากฏเป็นสีขาว
เมื่อคลื่นแสงในลำแสงเลเซอร์เดินทาง จุดสูงสุดและร่องคลื่นจะสั่นไปพร้อมกัน ลักษณะนี้เรียกว่า ความพร้อมเพรียง (Coherence) เมื่อนำลำแสงเลเซอร์สองลำมาซ้อนทับกัน จุดสูงสุดและร่องคลื่นแสงในแต่ละลำแสงจะเสริมกันและกันเพื่อสร้างรูปแบบการรบกวน

  แสงธรรมดา แสงเลเซอร์
มีทิศทางแน่นอน
(เดินทางเป็นเส้นตรง)
หลอดไฟหลอดไฟ เลเซอร์เลเซอร์
แสงสีเดียว (มีสีเดียว) ความยาวคลื่นไม่สม่ำเสมอความยาวคลื่นไม่สม่ำเสมอ ความยาวคลื่นสม่ำเสมอความยาวคลื่นสม่ำเสมอ
ความเป็นความพร้อมเพรียง เฟสไม่สม่ำเสมอแสงธรรมชาติ ยอดคลื่นและท้องคลื่นอยู่ในแนวตรงกันยอดคลื่นและท้องคลื่นอยู่ในแนวตรงกัน

ประวัติของคำว่าเลเซอร์

คำว่าเลเซอร์ (Laser) มีจุดกำเนิดมาจากคำย่อ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”

หลักการทำงานของเลเซอร์

อะตอม (โมเลกุล) ดูดซับพลังงานจากภายนอก จะเลื่อนจากระดับต่ำ (สถานะพลังงานต่ำ) ไปสู่ระดับสูง (สถานะพลังงานสูง) สถานะนี้อธิบายได้ว่าเป็นสถานะถูกกระตุ้น
สถานะถูกกระตุ้นนี้เป็นสถานะที่ไม่เสถียร เพราะอะตอมอาจกลับไปสู่สถานะพลังงานต่ำได้ทันที ซึ่งเรียกว่า การเปลี่ยนสถานะ
เมื่อเกิดขึ้น แสงที่มีค่าเท่ากับความต่างของพลังงานจะถูกปล่อยออกมา ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การปล่อยพลังงานออกมาตามธรรมชาติ แสงที่ปล่อยออกมาเมื่อชนเข้ากับอะตอมอื่นๆ ที่อยู่ในสถานะถูกกระตุ้นเหมือนกัน จะทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะในแบบเดียวกัน แสงที่ปล่อยออกมานี้เรียกว่าแสงที่เกิดจากการกระตุ้นให้ปล่อยแสง

หลักการทำงานของเลเซอร์

ชนิดเลเซอร์

เลเซอร์แบ่งออกได้เป็นชนิดกว้างๆ 3 ชนิด คือ Solid-state ก๊าซ และของเหลว

ประเภทของเลเซอร์ที่เหมาะสมจะต่างกันไปขึ้นกับการประยุกต์ใช้งานที่ต้องการ

Solid-State

Nd: YAG
YAG (Yttrium Aluminium Garnet)

ความยาวคลื่นมาตรฐาน (1064 nm)

  • การมาร์กทั่วไป

Second harmonic (532 nm) (เลเซอร์สีเขียว)

  • การมาร์กบางบนซิลิกอนเวเฟอร์ ฯลฯ
    ใช้สำหรับการมาร์กละเอียดและการตัด

Third harmonic (355 nm) (เลเซอร์ UV)

  • ใช้สำหรับกระบวนการที่มีความละเอียดสูงพิเศษ เช่นการมาร์ก LCD การตัดเพื่อซ่อมแซม และการเจาะรู VIA Hole
    กระบวนการซ่อมแซมผลึกเหลว: การตัดผิวเคลือบขณะซ่อมแซม
    การเจาะรู VIA Hole: การเจาะรูในแผ่น PCB
เลเซอร์ YAG (Nd: YAG)
เลเซอร์ YAG จะใช้ในการมาร์กทั่วไปและการตัด เช่น การมาร์กและการตัดขอบทั้งในวัสดุพลาสติกและวัสดุประเภทอื่น เลเซอร์ชนิดนี้มีความยาวคลื่นใกล้เคียงอินฟราเรดที่ 1064 nm และไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า
YAG เป็นโครงสร้างผลึกของอีทเทรียม (Y) อะลูมิเนียม (A) และโกเมน (G) ด้วยการเจือธาตุที่เปล่งแสงได้ ซึ่งในกรณีนี้คือไอออนนีโอไดเมียม (Nd) ผลึก YAG จะเข้าสู่สถานะการกระตุ้นผ่านการดูดซับแสงจากเลเซอร์ไดโอด
Nd: YVO4 (1064 nm)
YVO 4 (Yttrium Vanadate)
  • การมาร์กตัวอักษรขนาดเล็ก
    มีกำลังสูงสุดที่สูงในความถี่ Q-switch สูง
    มีประสิทธิภาพการแปลงค่าพลังงานที่ดี
เลเซอร์ YVO4 (Nd: YVO4)
มักใช้เลเซอร์ YVO4 สำหรับการประยุกต์ใช้งานการมาร์กที่ละเอียด เช่น การมาร์กตัวอักษรขนาดเล็กและการตัดชนิดอื่นๆ เลเซอร์ YVO4 มีความยาวคลื่นคล้ายกับเลเซอร์ YAG (1064 nm) จึงมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า
เลเซอร์ YVO4 เป็นเลเซอร์ชนิดของแข็งที่มีโครงสร้างผลึกของอีทเทรียม (Y) วานาเดียม (V) และออกไซด์ (O4) เมื่อเจือโครงสร้างนี้ด้วยไอออนนีโอไดเมียม (Nd) ซึ่งเป็นธาตุเปล่งแสง จะเกิดสภาวะถูกกระตุ้นเมื่อปลายโครงสร้างได้รับแสงจาก LD
Yb: ไฟเบอร์ (1090 nm)
Yb (Ytterbium)
  • การมาร์กด้วยกำลังสูง
    กำลังขยายสูงพิเศษบนพื้นที่ขนาดกลาง ให้เอาต์พุตสูง
    สามารถย่อขนาดได้เนื่องจากประสิทธิภาพในการทำความเย็นและกลไกทำความเย็นที่เรียบง่าย
LD: (650 ถึง 905 nm)
  • เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ (GaAs, GaAlAs, GaInAs)

ก๊าซ

CO2 (10.6 μm)
  • เครื่องจักรสำหรับตัด การประยุกต์ใช้งานการมาร์ก การลอกผิวด้วยเลเซอร์
เลเซอร์ CO2
เลเซอร์ CO2 มักถูกใช้สำหรับเครื่องจักรสำหรับตัดและการประยุกต์ใช้งานการมาร์ก
เลเซอร์ชนิดนี้มีความยาวคลื่นอินฟราเรด 10.6 μm จึงไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เลเซอร์ CO2 ไม่เพียงแต่มีก๊าซ CO2 ในท่อออสซิลเลชันที่ปิดผนึกอย่างสมบูรณ์เท่านั้น แต่ยังมีก๊าซ N2 (ไนโตรเจน) และ He (ฮีเลียม) ในปริมาณที่กำหนดอีกด้วย
คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เลเซอร์ CO2 มีชื่อเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าเลเซอร์ “ชนิดปิดผนึก” ไนโตรเจน (N2) จะเพิ่มพลังงานให้กับ CO2 ส่วนฮีเลียม (He) จะลดระดับพลังงานให้มีความเสถียรมากขึ้นอย่างช้าๆ
He-Ne มาตรฐาน (630 nm)
  • ระบบการวัด (การวัดโปรไฟล์ ฯลฯ)
    เลเซอร์ชนิดนี้เป็นที่นิยมมากที่สุด
    มีการใช้งานอย่างแพร่หลายสำหรับการวัดโปรไฟล์ ฯลฯ เนื่องจากมีเอาต์พุตต่ำ
Excimer (193 nm)
  • อุปกรณ์ฉายแสงเซมิคอนดักเตอร์ การรักษาดวงตา
    เลเซอร์ Excimer จะสร้างแสงที่มีโครงสร้างเรียบง่ายโดยผสมก๊าซเฉื่อยกับก๊าซฮาโลเจน
    เลเซอร์อุลตร้าไวโอเลตความเข้มสูง (DUV) มีอัตราการดูดซับที่สูงมาก
    (เลเซอร์ชนิดดังกล่าวใช้ในการรักษาดวงตาด้วยการระเหยผลึกเลนส์และปรับโฟกัสเรตินา
อาร์กอน (488 ถึง 514 nm)

  • การประยุกต์ใช้งานทางวิทยาศาสตร์
    เลเซอร์อาร์กอนมีให้ใช้งานหลายสี มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการ เช่น ห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีชีวภาพ

ของเหลว

สีย้อม (330 ถึง 1300 nm)
  • การประยุกต์ใช้งานทางวิทยาศาสตร์
    การใช้แสงเลเซอร์เพื่อกระตุ้นสีย้อมจะทำให้สีย้อมเรืองแสง

คุณสมบัติของความยาวคลื่น

เลเซอร์มาร์กเกอร์แบบ CO2
ความยาวคลื่น 10600 nm :
มักจะใช้สำหรับการมาร์กกระดาษ พลาสติก แก้ว และเซรามิค
วัสดุที่โปร่งใสจะดูดซับความยาวคลื่นนี้ จึงสามารถมาร์กบนฟิล์มและวัตถุอื่นๆ ได้
เอาต์พุตที่สูงของความยาวคลื่นนี้ทำให้เหมาะสำหรับการตัดขอบผลิตภัณฑ์หล่อขึ้นรูปและการตัดแผ่น PET ฯลฯ
  • เลเซอร์มาร์กเกอร์แบบ YVO4
  • เลเซอร์มาร์กเกอร์แบบ YAG
  • เลเซอร์มาร์กเกอร์แบบไฟเบอร์
ความยาวคลื่น 1064 nm (ไฟเบอร์: 1090 nm):
(ความยาวคลื่นมาตรฐาน)
มักจะใช้สำหรับการมาร์กโลหะ พลาสติก และเซรามิค
ความยาวคลื่นนี้ให้สีพลาสติกได้ดีและทำการมาร์กได้อย่างชัดเจน
เลเซอร์ YVO4, YAG และไฟเบอร์เลเซอร์มีคุณสมบัติของแสงที่ต่างกันแม้จะมีความยาวคลื่นคล้ายคลึงกัน ซึ่งเป็นผลมาจากตัวกลางและวิธีออสซิลเลชันที่ต่างกัน แต่ละชนิดมีการประยุกต์ใช้งานที่ต่างกันตามชิ้นงานและวัตถุประสงค์ เลเซอร์ YVO4 มีกำลังสูงสุดที่สูงและความกว้างพัลส์สั้น ซึ่งเหมาะสำหรับการมาร์กที่มีความละเอียดสูงและการตัด ไฟเบอร์เลเซอร์จะใช้ความร้อนจากความกว้างพัลส์ที่ยาว จึงเหมาะสำหรับการมาร์กสีดำด้วยความร้อนและการมาร์กแบบลึกบนโลหะ เลเซอร์ YAG มีประสิทธิภาพในการตัดที่ต่ำ แต่เหมาะสำหรับงานเชื่อมและการประยุกต์ใช้งานประเภทอื่นๆ ที่ต้องการความร้อนสูง
เลเซอร์มาร์กเกอร์แสงสีเขียว
ความยาวคลื่น 532 nm:
(ความยาวคลื่น SHG)
โดยทั่วไป ยิ่งความยาวคลื่นของเลเซอร์สั้นลง พลังงานจะยิ่งสูงขึ้น และอัตราการดูดซับของวัตถุจะยิ่งมากขึ้น
แม้เลเซอร์ YAG และ YVO4 จะถูกดูดซับได้ไม่ง่ายนัก แต่ก็เหมาะสำหรับใช้งานกับวัสดุที่มาร์กได้ยาก
เลเซอร์มาร์กเกอร์ UV
ความยาวคลื่น 355 nm:
(ความยาวคลื่น THG)
เลเซอร์นี้มีความยาวคลื่นสั้นกว่า SHG และอยู่ในช่วงแสง UV
เลเซอร์ UV มีอัตราการดูดซับที่สูงโดยไม่ขึ้นอยู่กับประเภทวัสดุและสร้างความเครียดที่เกิดจากความร้อนที่ต่ำ ความเสียหายต่อผลิตภัณฑ์จึงมีน้อยและทำให้การมาร์กมีความเปรียบต่างสูง

หลักการของเลเซอร์ออสซิลเลเตอร์

ส่วนนี้จะอธิบายถึงหลักการทำงานที่นำไปสู่การออสซิลเลเตอร์ของแสงเลเซอร์

1. การเร่งประจุ

เมื่อได้รับแสงจากแหล่งภายนอก อิเล็กตรอนจะดูดซับแสงและเปลี่ยนแปลงสถานะทางพลังงานจากสถานะไม่ถูกกระตุ้น (พลังงานต่ำสุด) เป็นสถานะถูกกระตุ้น (พลังงานสูงขึ้น) เมื่อพลังงานเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากวงโคจรปกติไปสู่วงโคจรที่มีระยะห่างขึ้น การเพิ่มพลังงานเช่นนี้เรียกว่า “การกระตุ้น”

สถานะของอะตอม
อะตอมที่อยู่ในสถานะกราวด์
อะตอมที่อยู่ในสถานะพื้น
อะตอมที่อยู่ในสถานะถูกกระตุ้น
อะตอมที่อยู่ในสถานะถูกกระตุ้น
สถานะอิเล็กตรอน
สถานะอิเล็กตรอน

2. การปล่อยพลังงานออกมาตามธรรมชาติ

อิเล็กตรอนในสภาวะถูกกระตุ้นจะเปลี่ยนไปตามระดับพลังงานที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นไปตามปริมาณของพลังงานที่ดูดซับได้ อิเล็กตรอนที่มีพลังงานเพิ่มขึ้นจะมีความเสถียรเมื่ออยู่ในสถานะคลายตัวเป็นระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งเป็นการคายพลังงานที่เพิ่มขึ้นเพื่อลดระดับกลับไปสู่สถานะพลังงานต่ำ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น จะมีการเปล่งแสงที่มีพลังงานเทียบเท่ากับพลังงานที่ปล่อยออกมา สิ่งนี้เรียกว่า การปล่อยพลังงานออกมาตามธรรมชาติ

สถานะของอะตอม
สถานะของอะตอม
สถานะอิเล็กตรอน
สถานะอิเล็กตรอน

3. การปล่อยพลังงานที่ถูกกระตุ้น

ตามที่ได้แสดงในภาพตัวอย่างด้านล่าง เมื่อแสงถูกส่งผ่านอิเล็กตรอนที่มีพลังงานในระดับเดียวกัน จะมีการสร้างโฟตอนของแสงที่มีพลังงาน เฟส และทิศทางที่เทียบเท่า ขึ้นเพิ่มเติม ในการปล่อยพลังงานที่ถูกกระตุ้น โฟตอนของแสงที่ถูกส่งผ่านจะปล่อยโฟตอนสองตัวเสมอ สิ่งนี้เรียกว่า การปล่อยพลังงานที่ถูกกระตุ้น
แสงที่ถูกกระตุ้นจะมีพลังงาน เฟส และทิศทางในการเคลื่อนที่เช่นเดียวกับแสงตกกระทบ การกระตุ้นและปล่อยพลังงานแสงในปริมาณมากจะทำให้แสงมีความเข้มสูงที่มีปัจจัยหลักทั้งสามนี้ แสงเลเซอร์จะถูกสร้างโดยกระตุ้นการเปล่งแสงเพื่อเพิ่มความเข้มแสงตกกระทบ ดังนั้น แสงเลเซอร์จึงมีสีเดียว (เนื่องจากพลังงานของแสงต้องเท่ากัน) มีความคงที่ (มีเฟสในแนวเดียวกัน) และมีทิศทางแน่นอน (เนื่องจากทิศทางในการเคลื่อนที่เป็นแนวเดียวกัน)

สถานะของอะตอม
สถานะของอะตอม
สถานะอิเล็กตรอน
สถานะอิเล็กตรอน

4. ปริมาณผกผัน

อิเล็กตรอนที่มีพลังงานหนาแน่นจะต้องมีปริมาณสูงกว่าอิเล็กตรอนพลังงานต่ำอย่างมากเพื่อออสซิลเลตลำแสงเลเซอร์ สิ่งนี้เรียกว่า ปริมาณผกผัน ปริมาณของโฟตอนแสงที่ยิงออกมาจะต้องมีจำนวนมากกว่าโฟตอนแสงที่ถูกดูดซับเพื่อให้การสร้างแสงเลเซอร์มีประสิทธิภาพ

ปริมาณผกผันของอิเล็กตรอน
ประชากรผกผันของอิเล็กตรอน
  • = อิเล็กตรอนพลังงานสูงจำนวนมาก
  • = อิเล็กตรอนพลังงานสูงจำนวนน้อย

5. เลเซอร์ออสซิลเลชัน

เมื่ออิเล็กตรอนหนึ่งเปล่งแสงด้วยการปล่อยพลังงานออกมาตามธรรมชาติเนื่องจากปริมาณผกผัน แสงนั้นจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนอื่นเปล่งแสง และปริมาณของโฟตอนแสงจะเพิ่มขึ้นตามอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นใกล้เคียง ซึ่งทำให้เกิดแสงที่เข้มข้น สิ่งนี้เรียกว่า เลเซอร์ออสซิลเลชัน

ปริมาณผกผันของอิเล็กตรอน
ประชากรผกผันของอิเล็กตรอน
A: การปล่อยพลังงานออกมาตามธรรมชาติ B: การกระตุ้นให้ปล่อยแสง

โครงสร้างของท่อเลเซอร์ออสซิลเลชัน

องค์ประกอบของเลเซอร์ทั้งสาม

ท่อเลเซอร์ออสซิลเลชันมี 3 องค์ประกอบดังนี้

  1. ตัวกลางเลเซอร์
  2. แหล่งกำเนิดการกระตุ้น
  3. แอมพลิฟายเออร์
องค์ประกอบของเลเซอร์ทั้งสาม
  1. ตัวกลางเลเซอร์
  2. แหล่งกำเนิดการกระตุ้น
  3. แอมพลิฟายเออร์
องค์ประกอบของเลเซอร์ทั้งสาม

หน้าหลัก