เลเซอร์และระบบประมวลผล

1. หลักการสร้างเลเซอร์

โครงสร้างของอะตอมเปรียบเสมือนระบบสุริยะขนาดเล็ก โดยมีนิวเคลียสของอะตอมอยู่ตรงกลาง อิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมอยู่ตลอดเวลา และนิวเคลียสของอะตอมก็หมุนอยู่ตลอดเวลาเช่นกัน

นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน โปรตอนมีประจุบวกและนิวตรอนไม่มีประจุ จำนวนประจุบวกทั้งหมดของนิวเคลียสเท่ากับจำนวนประจุลบทั้งหมดของอิเล็กตรอน ดังนั้นโดยทั่วไปแล้วอะตอมจึงเป็นกลางต่อโลกภายนอก

ในแง่ของมวลของอะตอม นิวเคลียสมีมวลมากที่สุด ส่วนมวลของอิเล็กตรอนทั้งหมดนั้นน้อยมาก ในโครงสร้างอะตอม นิวเคลียสใช้พื้นที่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น อิเล็กตรอนโคจรอยู่รอบนิวเคลียส และอิเล็กตรอนมีพื้นที่ในการเคลื่อนที่มากกว่ามาก

อะตอมมี “พลังงานภายใน” ซึ่งประกอบด้วยสองส่วน คือ ส่วนแรกคือความเร็วในการโคจรและพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน และส่วนที่สองคือระยะห่างระหว่างอิเล็กตรอนที่มีประจุลบกับนิวเคลียสที่มีประจุบวก ซึ่งมีพลังงานศักย์อยู่จำนวนหนึ่ง ผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของอิเล็กตรอนทั้งหมดคือพลังงานของอะตอมทั้งหมด ซึ่งเรียกว่าพลังงานภายในของอะตอม

อิเล็กตรอนทั้งหมดโคจรรอบนิวเคลียส บางครั้งอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสจะมีพลังงานน้อยกว่า บางครั้งอิเล็กตรอนที่อยู่ไกลจากนิวเคลียสจะมีพลังงานมากกว่า ตามความน่าจะเป็นของการเกิดขึ้น เราจึงแบ่งชั้นของอิเล็กตรอนออกเป็น "ระดับพลังงาน" ต่างๆ บน "ระดับพลังงาน" หนึ่งๆ อาจมีอิเล็กตรอนหลายตัวโคจรอยู่รอบๆ และอิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่ได้มีวงโคจรที่แน่นอน แต่ทั้งหมดมีระดับพลังงานเดียวกัน "ระดับพลังงาน" เหล่านั้นแยกออกจากกัน ใช่แล้ว พวกมันแยกออกจากกันตามระดับพลังงาน แนวคิดของ "ระดับพลังงาน" ไม่เพียงแต่แบ่งอิเล็กตรอนออกเป็นระดับตามพลังงานเท่านั้น แต่ยังแบ่งพื้นที่การโคจรของอิเล็กตรอนออกเป็นหลายระดับด้วย กล่าวโดยสรุป อะตอมอาจมีระดับพลังงานหลายระดับ และระดับพลังงานที่แตกต่างกันจะสอดคล้องกับพลังงานที่แตกต่างกัน อิเล็กตรอนบางตัวโคจรอยู่ที่ "ระดับพลังงานต่ำ" และอิเล็กตรอนบางตัวโคจรอยู่ที่ "ระดับพลังงานสูง"

ปัจจุบัน หนังสือเรียนฟิสิกส์ระดับมัธยมต้นได้ระบุลักษณะโครงสร้างของอะตอมบางชนิด กฎการกระจายตัวของอิเล็กตรอนในแต่ละชั้นอิเล็กตรอน และจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆ ไว้อย่างชัดเจนแล้ว

ในระบบอะตอม อิเล็กตรอนโดยพื้นฐานแล้วจะเคลื่อนที่เป็นชั้นๆ โดยมีอะตอมบางส่วนอยู่ที่ระดับพลังงานสูงและบางส่วนอยู่ที่ระดับพลังงานต่ำ เนื่องจากอะตอมได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมภายนอกอยู่เสมอ (อุณหภูมิ ไฟฟ้า แม่เหล็ก) อิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานสูงจึงไม่เสถียรและจะเปลี่ยนระดับพลังงานไปยังระดับพลังงานต่ำโดยธรรมชาติ ผลกระทบของมันอาจถูกดูดซับ หรืออาจก่อให้เกิดผลกระตุ้นพิเศษและทำให้เกิด “การปล่อยรังสีโดยธรรมชาติ” ดังนั้น ในระบบอะตอม เมื่ออิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานสูงเปลี่ยนระดับพลังงานไปยังระดับพลังงานต่ำ จะมีปรากฏการณ์สองอย่างเกิดขึ้น คือ “การปล่อยรังสีโดยธรรมชาติ” และ “การปล่อยรังสีโดยการกระตุ้น”

การแผ่รังสีแบบเกิดขึ้นเอง เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนในสถานะพลังงานสูงไม่เสถียร และได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมภายนอก (อุณหภูมิ ไฟฟ้า แม่เหล็ก) ทำให้เคลื่อนที่ไปยังสถานะพลังงานต่ำโดยอัตโนมัติ และพลังงานส่วนเกินจะถูกแผ่รังสีออกมาในรูปของโฟตอน ลักษณะเฉพาะของการแผ่รังสีชนิดนี้คือ การเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนแต่ละตัวเกิดขึ้นอย่างอิสระและสุ่ม โฟตอนของสถานะการแผ่รังสีแบบเกิดขึ้นเองของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันจึงแตกต่างกัน การแผ่รังสีแบบเกิดขึ้นเองอยู่ในสถานะ "ไม่สอดคล้องกัน" และมีทิศทางการกระจัดกระจาย อย่างไรก็ตาม การแผ่รังสีแบบเกิดขึ้นเองมีลักษณะเฉพาะของอะตอมเอง และสเปกตรัมของการแผ่รังสีแบบเกิดขึ้นเองของอะตอมที่แตกต่างกันจึงแตกต่างกัน เมื่อพูดถึงเรื่องนี้ มันทำให้นึกถึงความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์ที่ว่า “วัตถุทุกชนิดมีความสามารถในการแผ่ความร้อน และวัตถุนั้นก็มีความสามารถในการดูดซับและปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมาจากความร้อนจะมีลักษณะการกระจายสเปกตรัมที่แน่นอน การกระจายสเปกตรัมนี้เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของวัตถุเองและอุณหภูมิของมัน” ดังนั้น สาเหตุของการเกิดการแผ่รังสีความร้อนจึงเกิดจากการปล่อยพลังงานของอะตอมโดยธรรมชาติ

ในการแผ่รังสีแบบกระตุ้น อิเล็กตรอนระดับพลังงานสูงจะเปลี่ยนระดับพลังงานไปสู่ระดับพลังงานต่ำภายใต้ "การกระตุ้น" หรือ "การเหนี่ยวนำ" ของ "โฟตอนที่เหมาะสมกับเงื่อนไข" และแผ่รังสีโฟตอนที่มีความถี่เดียวกันกับโฟตอนที่ตกกระทบ คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของการแผ่รังสีแบบกระตุ้นคือ โฟตอนที่เกิดจากการแผ่รังสีแบบกระตุ้นมีสถานะเหมือนกับโฟตอนที่ตกกระทบทุกประการ พวกมันอยู่ในสถานะ "สอดคล้องกัน" มีความถี่และทิศทางเดียวกัน และเป็นไปไม่ได้เลยที่จะแยกแยะความแตกต่างระหว่างทั้งสอง ในลักษณะนี้ โฟตอนหนึ่งตัวจะกลายเป็นโฟตอนที่เหมือนกันสองตัวผ่านการแผ่รังสีแบบกระตุ้นเพียงครั้งเดียว ซึ่งหมายความว่าแสงจะถูกเพิ่มความเข้มหรือ "ขยาย"

ทีนี้มาวิเคราะห์กันอีกครั้งว่า ต้องมีเงื่อนไขอะไรบ้างจึงจะได้รับรังสีที่กระตุ้นบ่อยขึ้นเรื่อยๆ?

ภายใต้สถานการณ์ปกติ จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานสูงจะมีน้อยกว่าจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่ำเสมอ หากต้องการให้อะตอมปล่อยรังสีแบบกระตุ้น จำเป็นต้องเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานสูง ดังนั้นจึงต้องใช้ "แหล่งกำเนิดกระตุ้น" ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อกระตุ้นให้มีอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่ำกระโดดขึ้นไปยังระดับพลังงานสูงมากขึ้น ทำให้จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานสูงมีมากกว่าจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่ำ และจะเกิด "การกลับทิศทางของจำนวนอนุภาค" ขึ้น อิเล็กตรอนในระดับพลังงานสูงจำนวนมากเกินไปจะคงอยู่ได้เพียงช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น พวกมันจะกระโดดไปยังระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ทำให้ความเป็นไปได้ของการปล่อยรังสีแบบกระตุ้นเพิ่มขึ้น

แน่นอนว่า “แหล่งกำเนิดพลังงาน” ถูกตั้งค่าไว้สำหรับอะตอมที่แตกต่างกัน มันทำให้อิเล็กตรอน “สั่นพ้อง” และช่วยให้อิเล็กตรอนระดับพลังงานต่ำกระโดดไปยังระดับพลังงานสูงได้มากขึ้น ผู้อ่านสามารถเข้าใจได้คร่าวๆ ว่าเลเซอร์คืออะไร? เลเซอร์เกิดขึ้นได้อย่างไร? เลเซอร์คือ “รังสีแสง” ที่ “ถูกกระตุ้น” โดยอะตอมของวัตถุภายใต้การกระทำของ “แหล่งกำเนิดพลังงาน” ที่เฉพาะเจาะจง นี่คือเลเซอร์