ความก้าวหน้าทางด้านฟิสิกส์ของแสงเลเซอร์กับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2018 (Groundbreaking inventions in the field of laser physics, The nobel prize in physics 2018)

หัวข้องานวิจัยที่ได้รับรางวัลโนเบล (Nobel prize) สาขาฟิสิกส์ประจำปี 2018 คือความก้าวหน้าทางด้านฟิสิกส์ของแสงเลเซอร์ (Laser) โดยรางวัลนั้นถูกแบ่งออกเป็นสองหัวข้อย่อยคือการพัฒนาแสงเลเซอร์สำหรับการหยิบจับอนุภาคขนาดเล็ก หรือ Optical tweezers และการพัฒนาแสงเลเซอร์เพื่อให้มีความเข้มข้นสูงภายในระยะเวลาที่สั่น (Very short pulse and high intensity laser) ถึงตรงนี้หลายคนคงเกิดคำถามว่าเราจะสามารถใช้แสงมาหยิบจับวัตถุได้อย่างไร ทำไมต้องเป็นแสงเลเซอร์ แล้วแสงเลเซอร์ที่มีคุณสมบัติที่กล่าวไปนั้นมีความสำคัญอย่างไร บทความนี้จะช่วยตอบข้อสงสัยดังกล่าว

LASER 101 วิชาเลเซอร์พื้นฐาน

คำว่าเลเซอร์ (Laser) ย่อมาจาก Light amplification by stimulated emission radiation หากทำการแปลโดยตรง แสงเลเซอร์คือกระบวนการขยายความเข้มของแสงด้วยกระบวนการกระตุ้นให้เกิดการแผ่รังสี เราสามารถอธิบายแสงได้ในหลายรูปแบบไม่ว่าจะเป็น รังสี คลื่น หรือจะเป็นอนุภาคของพลังงานที่เรียกว่า photon เมื่อแสงตกกระทบลงบนวัตถุ อนุภาคของแสงจะถ่ายเทพลังงานให้กับอนุภาคของวัตถุ เกิดการกระตุ้นอนุภาคไปยังระดับพลังงานที่สูงขึ้น กระบวนการดังกล่าวเรียกว่าการดูดซับพลังงานของแสง หรือ Light absorption อนุภาคของวัตถุเมื่อถูกกระตุ้นแล้วจะหาทางถ่ายเทพลังงานดังกล่าวออกไปในรูปแบบต่างๆ ซึ่งสามารถอยู่ในรูปแบบของการแผ่รังสีแบ่งออกเป็น Spontaneous emission และ Stimulated emission ในการแผ่รังสีรูปแบบแรก พลังงานที่ปล่อยออกมาในรูปแบบของแสงจะมีความแตกต่างจากแสงตั้งต้น อาจเนื่องมาจากการสูญเสียพลังงานในวัตถุ ในทางตรงกันข้ามรูปแบบการแผ่รังสีแบบหลังนั้นจะมีคุณสมบัติของแสงเหมือนแสงตั้งต้น ทำให้แสงที่ได้มีความเข้มที่มากขึ้น (รูปที่ 1)

รูปที่ 1 กระบวนการ Light absorption, Spontaneous emission, และ Stimulated emission (https://www.fiberlabs-inc.com/glossary/stimulated-emission/)

เพื่อให้เกิดแสงที่มีความเข้มข้นยิ่งๆขึ้นไป นักวิทยาศาสตร์จึงกักเก็บแสงไว้ใน Light cavity (รูปที่ 2) ซึ่งประกอบไปด้วยกระจกสองบานและวัตถุที่สามารถทำให้เกิด Stimulated emission อยู่ภายใน วัตถุที่มีความสามารถพิเศษนี้เรียกว่า Gain medium แสงจะสะท้อนกลับไปมาระหว่างกระจกสองบานผ่าน Gain medium เพื่อเพิ่มความเข้มของแสง ในส่วนของแสงตั้งต้นนักวิทยาศาสตร์เรียกมันว่า Pump light เพื่อให้แสงที่ถูกขยายสัญญาณแล้วออกมาจาก Light cavity ได้ กระจกบานหนึ่งจะต้องมีค่าความสะท้อน หรือ reflectivity น้อยกว่าอีกบานหนึ่ง กระจกบานที่มีค่าความสะท้อนสูงกว่าจึงถูกเรียกว่า hight reflective (HR) mirror และกระจกบานที่มีค่าความสะท้อนน้อยกว่านั้นเรียกว่า Oscilatting (OSC) mirror

รูปที่ 2 แผนภาพ Light cavity ซึ่งประกอบด้วย 1. Gain medium 2. Pump light 3. High reflective mirror 4. Oscillating mirror 5. Laser beam (https://en.wikipedia.org/wiki/Laser)

จากกระบวนการข้างต้นแสงเลเซอร์จึงมีพลังงานและความเข้มข้นที่สูง รวมไปถึงคุณสมบัติจำเพาะอื่นๆที่แตกต่างจากแหล่งกำเนิดแสงทั่วไป โดยการควบคุมองค์ประกอบของ Light cavity ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมคุณสมบัติต่างๆของแสงเลเซอร์เพื่อให้เหมาะสมแก่การนำไปใช้ในการศึกษาค้นคว้าด้านต่างๆ ดังจะเห็นได้จากหัวข้องานวิจัยที่ได้รับรางวัลโนเบลในปี 2018 นี้

Optical tweezers โดย Arthur Ashkin

โดยในหัวข้อแรกคือการใช้แสงเลเซอร์เพื่อการหยิบจับอนุภาคที่มีขนาดเล็ก หรือ optical tweezers เพื่อหยิบจับวัตถุต่างๆ ด้วยแสง แรงที่แสงกระทำบนอนุภาคขนาดเล็กมาจากขั่วของสนามไฟฟ้า (Electric dipole moment) ซึ่งมีขนาดน้อยกว่า 0.00000000001 นิวตัน (10 นิวตัน มีค่าประมาณ 1 กิโลกรัม) ตามที่กล่าวไปข้างต้น เพราะแสงสามารถอธิบายได้ในรูปแบบของคลื่น ซึ่งคลื่นที่ว่านี้คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นที่มาของ Electric dipole moment กระทำบนอนุภาคขนาดเล็ก คลื่นของแสงโดยทั่วไปจะมีระนาบของคลื่นกระจัดกระจายไม่เสมอกัน แต่ด้วยกระบวนการเกิดของแสงเลเซอร์ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมระนาบคลื่นนี้ไว้ได้ การรวมระนาบคลื่นไว้ที่จุดเดียวจากการโฟกัสแสงเลเซอร์เป็นการบีบอัดของแรงขนาดเล็กเข้าไว้ที่จุดเดียว เราคงไม่สามารถสัมพัทธ์กับแรงที่มีขนาดเล็กนี้ได้แต่กับอนุภาคขนาดเดียวกันแล้ว แรงขนาดดังกล่าวสามารถควบคุมอนุภาคไว้ได้ภายใต้จุดโฟกัสของแสงเลเซอร์

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงการหยิบจับอนุภาคขนาดเล็กที่จุดโฟกัสของแสงเลเซอร์ (https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=10774)

Very short pulse and high intensity laser โดย Gérard Mourou และ Donna Strickland

เพื่อทำให้แสงเลเซอร์มีความความเข้มข้นสูงในช่วงเวลาสั้นมากกว่าแสงเลเซอร์ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการและอุปกรณ์ดังที่กล่าวไปข้างต้น นักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มมองหาวิธีและเทคนิคใหม่ๆเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ดังกล่าว ด้วยหลักการ Chirped pulse amplification (CPI) และการทดลองของ Gérard Mourou และ Donna Strickland ทำให้เราสามารถผลิตแสงเลเซอร์ที่มีพลังงานสูงภายในช่วงระยะเวลา 1 ใน 1,000,000,000,000 วินาที หรือน้อยกว่านั้น CPI คือการบีบอัดและขยายความเข้มของเลเซอร์ pulse ที่ได้จากกระบวนการปกติ โดยเริ่มแรกความถึ่ของเลเซอร์ pulse จะถูกยืดออกแล้วขยายความเข้มด้วย Gain medium ก่อนที่จะถูกบีบอัดความถี่เข้าไว้ด้วยกันอีกครั้ง ผลลัพธ์ที่ได้คือแสงที่มีความเข้มสูงภายในระยะเวลาที่สั้น (รูปที่ 4) ด้วยความไวระดับนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษากระบวนการทางฟิสิกส์และเคมีของอนุภาคต่างๆได้ด้วยความระเอียดของระยะเวลาที่สั้นมากๆ

รูปที่ 4 แผนภาพแสดงกระบวนการ Chirped pulse amplification เพื่อบีบขยายความเข้มของแสงเลเซอร์ (http://www.lle.rochester.edu/pub/viewgraph/PDF/PR/PRMCCROROSA06.pdf)

จากแนวคิดและการทดลองเพื่อหยิบจับอนุภาคขนาดเล็ก เช่น โมเลกุลของ DNA องค์ประกอบของเซลล์ ไวรัส แบคทีเรีย และอนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ ด้วยแสง และการทำให้แสงมีความเข้มสูงในระยะเวลาอันสั้นนี้เปิดโอกาสให้มีการศึกษาและวิจัยสิ่งที่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะจำกัดทางด้านขนาดและระยะเวลา ส่งผลให้เกิดการสร้างองค์ความรู้ใหม่ๆไม่ว่าจะทางด้าน เคมี ชีวะ หรือ การแพทย์

อ่านเพิ่มเติม:

https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/popular-physicsprize2018.pdf

อ้างอิง:

Saleh, B. E. A., & Teich, M. C. (2003). Fundamentals of photonics.