วิชาการ.คอม-บทเรียนออนไลน์-สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า | บทเรียน วิชาการ.คอม
ฟิสิกส์
 

สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สร้างเมื่อ 02 ส.ค. 2554 16:34:19
  • ระดับม.6
  • 17,907 view

สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการทดลองของเฮิรตซ์ มีความยาวคลื่นประมาณ 2.8 เมตร หรือมีความถี่ประมาณ \displaystyle 10^8    เฮิรตซ์ จึงอาจสงสัยว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในธรรมชาติมีเฉพาะบางความถี่เท่านั้นหรือว่ามีหลายความถี่ ในปัจจุบันได้มีการศึกษาจนทราบว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความถี่ต่างๆ มากมายจนเป็นความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้าง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่างๆ เหล่านี้เรียกรวมกันว่า <b>สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า</b>  ดังรูป 18.8
 


รูป 18.8 สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า



เมื่อพิจารณาสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะเห็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีชื่อเรียกต่างๆกัน ทั้งนึ้ขึ้นกับแหล่งกำเนิดและวิธีตรวจวัดคลื่นนั้น คลื่นในความถี่บางช่วงมีชื่อเรียกไม่เหมือนกัน ทั้งๆ ที่มีความถี่เดียวกัน เนื่องจากมีแหล่งกำเนิดคลื่นต่างกัน เช่น รังสีบางความถี่อาจจะเรียกเป็นรังสีอัลตราไวโอเลตหรือรังสีเอกซ์ก็ได้ ขึ้นกับวิธีที่ใช้ผลิตรังสีนั้น
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในแต่ละช่วงความถี่จะมีเอกลักษณ์ที่แตกต่างกัน เช่น รังสีอินฟราเรด หรือคลื่นความร้อนที่เกิดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูง สามารถตรวจจับได้โดยกายสัมผัสแสงที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของอะตอม อาจตรวจพบได้ด้วยจักษุสัมผัส รังสีเอกซ์ที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของอิเล็กตรอนสามารถตรวจจับได้ง่ายด้วยฟิล์มเอกซเรย์ และคลื่นวิทยุที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของอิเล็กตรอนในไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง สามารถตรวจจับได้ด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น
      คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดต่างๆ ในสเปกตรัม แม้มีแหล่งกำเนิดและการตรวจจับที่แตกต่างกัน แต่ทุกคลื่นก็มีสมบัติที่สำคัญเหมือนกัน คือ เคลื่อนที่ไปในสุญญากาศด้วยความเร็วแสง คือ     \displaystyle 300 x 10^8   เมตรต่อวินาที และมีการส่งผ่านพลังงานไปพร้อมกับคลื่น
      คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในธรรมชาติและที่มนุษย์สร้างขึ้นเพื่ออำนวยประโยชน์ในการดำรงชีพนั้นมีความถี่ต่างๆกัน ซึ่งจะได้ศึกษาต่อไป

18.3.1 คลื่นวิทยุ
ถ้าพิจารณาจากสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะเห็นว่าคลื่นวิทยุมีความถี่อยู่ในช่วง   \displaystyle 10^6 - 10^9   เฮิรตซ์ คลื่นช่วงนี้ใช้ในการส่งข่าวสารและสาระบันเทิงไปยังผู้รับ สำหรับคลื่นวิทยุความถี่ตั้งแต่ 530 - 1600 กิโลเฮิรตซ์ ที่สถานีวิทยุส่งออกอากาศใน <b>ระบบเอเอ็ม</b>  เป็นการสื่อสารโดยการผสม (modulate) คลื่นเสียงเข้ากับคลื่นวิทยุ ซึ่งเรียกว่า<b>คลื่นพาหะ</b>   และสัญญาณเสียงจะบังคับให้แอมพลิจูดของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงไป ดังรูป 18.9
    เมื่อคลื่นวิทยุที่ผสมสัญญาณเสียงกระจายออกจากสายอากาศไปยังเครื่องรับวิทยุ เครื่องรับวิทยุจะทำหน้าที่แยกสัญญาณเสียงซึ่งอยู่ในรูปของสัญญาณไฟฟ้าออกจากสัญญาณคลื่นวิทยุ แล้วขยายให้มีแอมพลิจูดสูงขึ้น เพื่อส่งให้ลำโพงแปลงสัญญาณออกมาเป็นเสียงที่หูรับฟังได้
 


รูป 18.9  การส่งคลื่นวิทยุระบบเอเอ็ม


ในการกระจายเสียงคลื่นวิทยุระบบเอเอ็มออกอากาศนั้น นอกจากจะใช้คลื่นที่มีความถี่ขนาด 530 - 1600 กิโลเฮิรตซ์ แล้ว ยังมีคลื่นที่มีช่วงความถี่ต่ำกว่านี้ซึ่งเรียกว่า <b>คลื่นยาว</b> และคลื่นที่มีความถี่สูงกว่านี้ซึ่งเรียกว่า <b>คลื่นสั้น</b> ด้วยในการส่งระบบเอเอ็มซึ่งเป็นการผสมคลื่นโดยให้แอมพลิจูดของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง ขณะคลื่นเคลื่อนที่ไปในบรรยากาศ ปรากฏการณ์ฟ้าแลบหรือฟ้าผ่า สามารถทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ซึ่งคลื่นใหม่ที่เกิดขึ้นนี้สามารถรวมกับคลื่นวิทยุที่ส่งมาแบบเอเอ็ม ทำให้เกิดการรบกวน
การส่งคลื่นวิทยุอีกระบบหนึ่งเรียกว่า <b>ระบบเอฟเอ็ม</b>  เป็นการผสมสัญญาณเสียงเข้ากับคลื่นพาหะ โดยให้ความถี่ของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณเสียง ดังรูป 18.10
 


รูป 18.10 การส่งคลื่นวิทยุระบบเอฟเอ็ม



     การส่งคลื่นในระบบเอฟเอ็มถูกกำหนดให้อยู่ในช่วงความถี่จาก 88-108 เมกะเฮิรตซ์ หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 2.8-3.4 เมตร ระบบการส่งคลื่นแบบเอเอ็มและเอฟเอ็มต่างกันที่วิธีการผสมคลื่น ดังนั้นเครื่องรับวิทยุระบบเอเอ็มกับเอฟเอ็มจึงไม่สามารถรับคลื่นวิทยุของอีกระบบหนึ่งได้
คลื่นวิทยุมีสมบัติที่น่าสนใจอีกประการหนึ่ง คือ คลื่นวิทยุบางช่วงสามารถสะท้อนได้ที่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ เพราะบรรยากาศในชั้นนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก ดังนั้นเมื่อคลื่นวิทยุเคลื่อนที่มากระทบจะสะท้อนกลับสู่ผิวโลกอีก สมบัติข้อนี้ทำให้สามารถใช้คลื่นวิทยุในการสื่อสารเป็นระยะทางไกลๆได้ แต่ถ้าเป็นคลื่นวิทยุที่มีความถี่สูงสมบัติการสะท้อนดังกล่าวจะเกิดได้น้อยลง
ในการส่งกระจายเสียงด้วยคลื่นวิทยุระบบเอเอ็ม คลื่นสามารถเดินทางถึงเครื่องรับวิทยุได้สองทาง คือ เคลื่อนที่ไปตรงๆในระดับสายตา ซึ่งเรียกว่า <b>คลื่นดิน</b>  ส่วนคลื่นที่สะท้อนกลับลงมาชั้นไอโอโนสเฟียร์ ซึ่งเรียกว่า <b>คลื่นฟ้า</b> 
ดังรูป 18.11 ส่วนคลื่นวิทยุระบบเอฟเอ็มซึ่งมีความถี่สูงจะมีการสะท้อนที่ชั้นไอโอโนสเฟียร์น้อย ดังนั้นถ้าต้องการส่งกระจายเสียงด้วยระบบเอฟเอ็มให้ครอบคลุมพื้นที่ไกลๆ จึงต้องมีสถานีถ่ายทอดเป็นระยะๆและผู้รับต้องตั้งสายอากาศให้สูง
 


รูป 18.11 การเคลื่อนที่ของคลื่นวิทยุไปเครื่องรับ



ในขณะที่คลื่นวิทยุเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางที่มีขนาดใกล้เคียงความยาวคลื่นจะมีการเลี้ยวเบนเกิดขึ้น ทำให้คลื่นวิทยุอ้อมผ่านไปได้ แต่ถ้าสิ่งกีดขวางมีขนาดใหญ่มาก เช่น ภูเขาคลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่นสั้นจะไม่สามารถอ้อมผ่านภูเขาไปได้ ทำให้ด้านตรงข้ามของภูเขาเป็นจุดปลอดคลื่น
โลหะมีสมบัติสามารถสะท้อนและดูดกลืนแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดี ดังนั้นคลื่นวิทยุจะทะลุผ่านเข้าไปถึงภายในโลหะได้ยาก อาจจะสังเกตได้ง่ายเมื่อฟังวิทยุในรถยนต์ เมื่อรถยนต์ผ่านใต้สะพานที่มีโครงสร้างเป็นเหล็ก เสียงวิทยุจะเบาลง หรือเงียบหายไป
ในการส่งกระจายเสียง สถานีส่งคลื่นวิทยุหนึ่งๆจะใช้คลื่นวิทยุที่มีความถี่คลื่นโดยเฉพาะ เพราะถ้าใช้คลื่นที่มีความถี่เดียวกัน จะเข้าไปในเครื่องรับพร้อมกัน เสียงจะรบกวนกัน แต่ถ้าสถานีส่งวิทยุอยู่ห่างกันมากๆ จนคลื่นวิทยุของสถานีทั้งสองไม่สามารถรบกวนกันได้ สถานีทั้งสองอาจใช้ความถี่เดียวกันได้
คลื่นวิทยุที่มีความถี่นอกเหนือจากช่วงส่งออกอากาศตามปกติ อาจนำไปใช้ในการสื่อสารเฉพาะกรณี เช่น ใช้สื่อสารระหว่างเจ้าหน้าที่ตำรวจ ระหว่างหน่วยงานของราชการและในระบบวิทยุสมัครเล่น เป็นต้น อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันราชการไม่อนุญาตให้เอกชนมีเครื่องส่งวิทยุในครอบครอง ยกเว้นเพื่อกิจการวิทยุสมัครเล่นหรือเพื่อกิจกรรมสาธารณประโยชน์เท่านั้น

18.3.2 คลื่นโทรทัศน์
 คลื่นโทรทัศน์มีความถี่ประมาณ     เฮิรตซ์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงขนาดนี้จะไม่สะท้อนที่ชั้นไอโอโนสเฟียร์ แต่จะทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลก ดังนั้นในการส่งคลื่นโทรทัศน์ไปไกลๆ จะต้องใช้สถานีถ่ายทอดคลื่นเป็นระยะๆ เพื่อรับคลื่นโทรทัศน์จากสถานีส่งซึ่งมาในแนวเส้นตรง แล้วขยายให้สัญญาณแรงขึ้นก่อนที่จะส่งไปยังสถานีที่อยู่ถัดไป เพราะสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง ดังนั้นสัญญาณจะไปได้ไกลสุดเพียงประมาณ 80 กิโลเมตร บนผิวโลกเท่านั้น ทั้งนี้เพราะผิวโลกโค้ง หรืออาจใช้คลื่นไมโครเวฟนำสัญญาณจากสถานีส่งไปยังดาวเทียมซึ่งโคจรอยู่ในวงโคจรที่ตำแหน่งหยุดนิ่งเมื่อเทียบกับตำแหน่งหนึ่งๆ บนผิวโลก นั่นคือดาวเทียมมีความเร็วเชิงมุมเดียวกับความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของโลก จากนั้นดาวเดทียมจะส่งคลื่นต่อไปยังสถานีรับที่อยู่ไกลๆได้


 
ก.การใช้สถานีถ่ายทอดเป็นระยะ


ข.การถ่ายทอดผ่านดาวเทียม


รูป 17.34 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้ากับเวลา ความต่างศักย์กับเวลา


เพราะคลื่นโทรทัศน์ที่มีความยาวคลื่นสั้น ไม่สามารถเลี้ยวเบนอ้อมผ่านสิ่งกีดขวางขนาดใหญ่ได้ ดังนั้นเมื่อคลื่นโทรทัศน์กระทบรถยนต์หรือเครื่องบิน จะเกิดปรากฏการณ์แทรกสอดกับคลื่นที่ส่งมาจากสถานีแล้วเข้ากับเครื่องรับสัญญาณพร้อมกัน ทำให้เกิดภาพซ้อนในจอภาพ ฉะนั้นเพื่อให้ได้ภาพคมชัดเจน ปัจจุบันจึงนิยมใช้ระบบส่งสัญญาณโทรทัศน์ตามสาย


18.3.3 คลื่นไมโครเวฟ
คลื่นไมโครเวฟเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวคลื่นตั้งแต่ \displaystyle 10^{ - 3}เมตร  ถึง 0.3 เมตร โดยประมาณ หรืออยู่ในช่วงความถี่ตั้งแต่  \displaystyle 10^9เฮิรตซ์ ถึง\displaystyle 3x10^{11}เฮิรตซ์ สามารถนำคลื่นไมโครเวฟไปใช้ในการสื่อสาร
 


ก.โทรศัพท์เคลื่อนที่


ข. การสื่อสารดาวเทียม


ค. การตรวจหาตำแหน่งของวัตถุด้วยเรดาร์
รูป 18.13 การใช้ประโยชน์จากคลื่นไมโครเวฟ



    ในปัจจุบัน มนุษย์ใช้คลื่นไมโครเวฟที่มีความถี่ 2400 เมกะเฮิรตซ์ ในการทำอาหารเปิดปิดประตูโรงรถ ถ่ายภาพพื้นผิวดาวเคราะห์ ศึกษากำเนิดของจักรวาล เนื่องจากคลื่นไมโครเวฟสะท้อนจากผิวโลหะได้ดี ดังนั้นจึงมีการนำสมบัตินี้ไปใช้ประโยชน์ ในการตรวจหาตำแหน่งของอากาศยาน ตรวจจับอัตราเร็วของรถยนต์ ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า <b>เรดาร์</b> 
              ในการตรวจหาตำแหน่งของวัตถุด้วยเรดาร์ อาศัยการส่งคลื่นไมโครเวฟออกจากแหล่งกำเนิดเป็นห้วงๆ และรับคลื่นที่สะท้อนกลับจากวัตถุนั้น เพื่อหาว่าวัตถุนั้นอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดคลื่นเป็นระยะทางเท่าใดและทิศไหน ตามปกติคลื่นไมโครเวฟที่ส่งออกจากแหล่งกำเนิดจะถูกส่งออกเป็นลำคลื่นขนาน โดยให้แหล่งกำเนิดคลื่นอยู่ที่โฟกัสของจานพาราโบลา เพื่อให้คลื่นกระจายออกเป็นลำขนาน คล้ายกับลำแสงจากหลอดไฟฉายที่สะท้อนจากพาราโบลา เมื่อคลื่นไมโครเวฟไปตกกระทบวัตถุ  หรือโลหะจะสะท้อนกลับมาสู่จานพาราโบลา แล้วสะท้อนไปรวมกันที่โฟกัสของจานอีก ซึ่งที่นั่นมีเครื่องรับไมโครเวฟติดตั้งอยู่ เมื่อทราบความเร็วคลื่นและเวลาที่ส่งคลื่นออกไปและรับคลื่นกลับ จะสามารถหาระยะที่วัตถุนั้นอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดคลื่นได้

18.3.4 รังสีอินฟราเรด
     คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ในช่วง    \displaystyle 10^{11} - 10^{14}เฮิรตซ์ หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 1-1000 ไมโครเมตร เรียกว่ารังสีอินฟราเรด ที่สามารถแบ่งเป็น 3 ช่วง คือ อินฟราเรดใกล้ (0.7-1.5 ไมโครเมตร) อินฟราเรดปานกลาง (1.5-4.0 ไมโครเมตร) และอินฟราเรดไกล (4.0 - 1000 ไมโครเมตร) จะเห็นว่ารังสีอินฟราเรดมีย่านความถี่คาบเกี่ยวกับคลื่นไมโครเวฟ วัตถุร้อนจะแผ่รังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า 100 ไมโครเมตร ทำให้ประสาทสัมผัสทางผิวหนังของมนุษย์รับรังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นบางช่วงได้ ฟิล์มถ่ายรูปบางชนิดก็สามารถตรวจจับรังสีอินฟราเรดได้ ตามปกติสิ่งมีชีวิตทุกชนิดจะแผ่รังสีอินฟราเรดตลอดเวลาและรังสีอินฟราเรดสามารถทะลุผ่านเมฆหมอกที่หนาทึบเกินกว่าที่แสงธรรมดาจะผ่านได้ นักเทคโนโลยีจึงอาศัยสมบัตินี้ในการถ่ายภาพพื้นโลกจากดาวเทียม เพื่อศึกษาการแปรสภาพของป่าไม้หรือการอพยพเคลื่อนย้ายของฝูงสัตว์ เป็นต้น


ก. ภาพถ่ายโดยใช้แสงขาว


 
ข.ภาพถ่ายโดยใช้รังสีอินฟราเรด
รูป 18.14 ภาพถ่ายโดยใช้แสงขาวและรังสีอินฟราเรด



รังสีอินฟราเรดมีใช้ในระบบควบคุมที่เรียกว่า รีโมทคอนโทรล (remote control) หรือการควบคุมระยะไกล ซึ่งเป็นระบบควบคุมการทำงานของเครื่องรับโทรทัศน์จากระยะไกล เช่น ทำการปิด-เปิดเครื่อง การเปลี่ยนช่อง ฯลฯ ในกรณีนี้รังสีอินฟราเรดจะเป็นตัวนำคำสั่งจากอุปกรณ์ควบคุมไปยังเครื่องรับ นอกจากนี้ในทางการทหารก็มีการนำรังสีอินฟราเรดมาใช้ควบคุมอาวุธนำวิถีให้เคลื่อนไปยังเป้าหมายได้อย่างแม่นยำ
เทคโนโลยีปัจจุบันใช้การส่งสัญญาณด้วยเส้นใยนำแสง (optical fiber) และคลื่นที่เป็นพาหะนำสัญญาณคือ รังสีอินฟราเรด เพราะการใช้แสงธรรมดานำสัญญาณอาจถูกรบกวนโดยแสงภายนอกได้ง่าย

18.3.5 แสง
แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่โดยประมาณตั้งแต่\displaystyle 4x10^{14} เฮิรตซ์ถึง  \displaystyle 8x10^{14} เฮิรตซ์ หรือมีความยาวคลื่นในช่วง 400 ถึง 700 นาโนเมตร ประสาทตาของมนุษย์ไวต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงนี้มาก วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมากๆ เช่น ไส้หลอดไฟฟ้าที่มีอุณหภูมิสูงประมาณ 2500 องศาเซลเซียส หรือผิวดวงอาทิตย์ที่มีอุณหภูมิสูงประมาณ 6000 องศาเซลเซียส จะเปล่งแสงได้ สำหรับแสงที่มีความยาวคลื่นประมาณ 700 นาโนเมตร ประสาทตาจะรับรู้เป็นแสงสีแดง ส่วนแสงที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า ประสาทตาจะรับรู้เป็นแสงสีส้ม เหลือง เขียว น้ำเงิน ตามลำดับ จนถึงแสงสีม่วง ซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณ 400 นาโนเมตร แสงสีต่างๆที่กล่าวมานี้ เมื่อรวมตัวกันด้วยปริมาณที่เหมาะสม จะเป็นแสงสีขาว
 


รูป 18.15 พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกจากวัตถุร้อน



    แสงส่วนใหญ่เกิดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมาก และมีพร้อมกันหลายความถี่ เมื่ออุณหภูมิยิ่งสูง พลังงานของแสงที่มีความถี่สูงจะยิ่งมาก เพราะเปลวไฟจากเตาถ่านมีอุณหภูมิต่ำกว่าเปลวไฟจากเตาแก๊ส เราจึงเห็นแสงไฟจากเตาถ่านสีแดงมากกว่า ดาวฤกษ์สีน้ำเงินจะมีอุณหภูมิสูงกว่าดาวฤกษ์สีแดง อย่างไรก็ตาม แสงอาจเกิดโดยไม่ต้องอาศัยความร้อนโดยตรงก็ได้ เช่น แสงจากจอโทรทัศน์ จากหลอดฟลูออเรสเซนซ์ จากหิ่งห้อย หรือจากเห็ดเรืองแสง เป็นต้น
    แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับคลื่นวิทยุ ดังนั้นอาจใช้แสงเป็นคลื่นพาหะนำข่าวสารในการสื่อสารได้เช่นเดียวกับการใช้คลื่นวิทยุและคลื่นโทรทัศน์เป็นพาหะนำเสียงและภาพดังกล่าวแล้ว เหตุที่ไม่สามารถใช้แสงที่เกิดจากวัตถุร้อนเป็นคลื่นพาหะเพราะว่าแสงเหล่านี้มีหลายความถี่และเฟสที่ไม่แน่นอน ปัจจุบันเรามีเครื่องกำเนิดเลเซอร์ ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงอาพันธ์ที่ให้แสงได้ ได้มีผู้ทดลองผสมสัญญาณเสียงและภาพกับเลเซอร์ได้สำเร็จ นอกจากใช้สื่อสารแล้ว เลเซอร์ยังใช้ในวงการต่างๆ ได้อย่างกว้างขวาง เช่น วงการแพทย์ ใช้ในการผ่าตัดนัยน์ตาเป็นต้น
    เลเซอร์เขียนภาษาอังกฤษว่า LASER ซึ่งย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ที่แปลเป็นภาษาไทยได้ว่า “การขยายสัญญาณแสงโดยการปล่อยรังสีแบบเร่งเร้า” เพราะแสงเลเซอร์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้จากกระบวนการปล่อยรังสีแบบเร่งเร้าและสัญญาณแสงถูกขยายหลอดแก้ว และมีไส้หลอดที่ทำด้วยลวดโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น ทังสเตน ภายในหลอดแก้วเกือบเป็นสุญญากาศ กระแสไฟฟ้าที่ผ่านไส้หลอดจะทำให้ไส้หลอดจะร้อนและเปล่งแสงสว่างออกมา

หลักการกำเนิดแสงเลเซอร์
     หลักการพื้นฐานที่สำคัญในการทำให้เกิดแสงเลเซอร์
1. การทำให้เกิดปรากฏการณ์ประชากรผกผัน (population inversion)
2. การทำให้เกิดการแกว่งกวัดของเลเซอร์ (laser oscillation) กระบวนการนี้ใช้กระจกเลเซอร์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นห้องกำทอนแสง (optical resonator) หรือห้องแสง (optical cavity)

โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์
เครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์มีองค์ประกอบที่สำคัญ 3 ส่วน ดังนี้คือ
1. ตัวกลางเลเซอร์ (laser medium) ได้แก่วัสดุที่ต้องการกระตุ้นให้ปล่อยเลเซอร์ อาจเป็น แก๊ส ของแข็ง ของเหลว หรือสารกึ่งตัวตัว
2. ห้องกำทอนแสง (optical resonator)
3. แหล่งกำเนิดพลังงาน (energy source)

 


รูป 18.16 โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์


ชนิดของเครื่องกำเนิดเลเซอร์

เครื่องกำเนิดเลเซอร์แบ่งเป็น 4 ชนิด ดังนี้คือ
1. เลเซอร์แก๊ส ใช้แก๊สเป็นตัวกลางเลเซอร์ เช่น แก๊สผสมของฮีเลียมกับนีออน (He-Ne) แก๊สอาร์กอน (Ar) เป็นต้น ซึ่งจะให้แสงเลเซอร์สีต่างๆ ตามชนิดของแก๊ส
2. เลเซอร์ของแข็ง ใช้ของแข็งเป็นตัวกลางเลเซอร์ เช่น ทับทิม หรือแก้ว เป็นต้น ตัวกลางเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นวัสดุเจ้าบ้าน (host material) ส่วนสิ่งที่ทำให้เกิดการปล่อยแสงเลเซอร์คือ สารเจือปนที่เติมในเนื้อสาร สำหรับเลเซอร์ทับทิมใช้ธาตุโครเมียมเป็นสารเจือซึ่งให้แสงเลเซอร์สีแดงที่มีความยาวคลื่น 694.3 นาโนเมตร แก้วใช้ธาตุนีโอดีเมียม (Nd) เป็นสารเจือ ซึ่งให้แสงอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่น 1064 นาโนเมตร
3. เลเซอร์ของเหลว ใช้ของเหลวเป็นตัวกลางเลเซอร์โดยทั่วไปใช้สีย้อมผ้าผสมแอลกอฮอล์
4. เลเซอร์ไดโอดทำจากสารกึ่งตัวนำที่เป็นสารประกอบ เช่น แกลเลียมอาร์เซไนต์ (GaAs) จะให้แสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 800 นาโนเมตร (อินฟราเรด) และเลเซอร์ไดโอดเป็นเลเซอร์ขนาดจิ๋วที่ใช้พลังงานไฟฟ้าน้อย
    ปัจจุบันได้พบเลเซอร์ชนิดอื่นๆอีกมากมาย ซึ่งให้แสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่รังสีเอกซ์ รังสีอัลตราไวโอเลต แสงที่มองเห็น จนถึงรังสีอินฟราเรด เลเซอร์หลายชนิดปล่อยคลื่นได้ทั้งแบบต่อเนื่องและแบบห้วง (pulse) ดังนั้นเลเซอร์จึงถูกนไปประยุกต์ใช้ในงานต่างๆ อย่างกว้างขวาง ดังนี้
    1. การเก็บข้อมูลโดยใช้แสง (optical storage) อุปกรณ์ที่ใช้เก็บข้อมูลโดยใช้แสง ได้แก่ แผ่นซีดี (compact disc) และแผ่นดีวีดี (digital video disc)
    2. การอ่านแถบรหัสสินค้า ได้แก่ การใช้เลเซอร์อ่านแถบรหัสเพื่อบอกข้อมูลของสินค้า
    3. ฮอโลกราฟี (holography) หรือวิธีถ่ายภาพสามมิติ
    4. กระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรม เช่น ใช้เลเซอร์ในการเชื่อม ตัด เจาะ สกัด
    5. การแพทย์และศัลยกรรม เช่น การผ่าตัดเนื้องอกและมะเร็ง ศัลยกรรมตกแต่ง
    6. การวิจัยและพัฒนา เช่นใช้ศึกษาอะตอม ปฏิกิริยาทางเคมี การแยกไอโซโทป
    7. การทหาร เช่น ใช้เลเซอร์ในการนำวิถี การตรวจหาและทำลายเป้าหมาย
    8. การสื่อสารด้วยแสงผ่านเส้นใยนำแสง
    9. การวัดและควบคุม เช่น ในการวัด นับ ทดสอบ ตรวจสอบแลควบคุมในการผลิต
    10.การพิมพ์และกราฟฟิก
    11.การบันเทิง เช่น การสร้างภาพเคลื่อนไหวตามจังหวะดนตรีในสถานบันเทิง

18.3.6 รังสีอัตราไวโอเลต

      คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงกว่าแสงคือมีความถี่อยู่ในช่วง\displaystyle 10^{15}ถึง\displaystyle 10^{18}เฮิรตซ์เรียกว่า รังสีอัลตราไวโอเลต หรือรังสีเหนือม่วง รังสีอัตราไวโอเลตที่มีในธรรมชาติ ส่วนใหญ่มาจากดวงอาทิตย์ และรังสีนี้ทำให้บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์มีประจุอิสระและไอออนเพราะรังสีอัลตราไวโอเลตมีพลังงานสูงพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากโมเลกุลของอากาศ พบว่าในไอโอโนสเฟียร์มีโมเลกุลหลายชนิด เช่น โอโซนซึ่งสามารถกั้นรังสีอัลตราไวโอเลตได้ดีตามปกติรังสีอัตราไวโอเลตไม่สามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางที่หนาได้ แต่สามารถฆ่าเชื้อโรคบางชนิดได้ ในวงการแพทย์จึงใช้รังสีอัลตราไวโอเลตในปริมาณพอเหมาะรักษาโรคผิวหนังบางชนิด แต่ถ้ารังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ส่งลงมาถึงพื้นโลกในประเทศใดมากเกินไป ประชากรจำนวนมากในประเทศนั้นอาจเป็นมะเร็งผิวหนังได้ เพราะได้รับรังสีในปริมาณมากเกินควร
เราสามารถสร้างรังสีอัลตราไวโอเลตได้โดยการผ่านกระแสไฟฟ้าไปในหลอดที่บรรจุไอปรอท อะตอมปรอทจะรับพลังงานจากอิเล็กตรอนในกระแสไฟฟ้า แล้วปลดปล่อยรังสีอัตราไวโอเลตออกมาพร้อมกับให้แสงสีม่วงจางด้วย รังสีอัลตราไวโอเลตสามารถทะลุผ่านแก้วได้บ้างเล็กน้อย แต่ผ่านควอตซ์ได้ดี ดังนั้นหลอดผลิตรังสีอัลตราไวโอเลตจึงทำด้วยควอตซ์ในหลอดฟลูออเรสเซนซ์ที่มีไอปรอทบรรจุอยู่ภายใน เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านจะมีรังสีอัลตราไวโอเลตเกิดขึ้น แต่เมื่อแสงต้องการคือแสงขาว ดังนั้นจึงฉาบสารวาวแสงไว้ที่ผิวในของหลอด เมื่อรังสีอัลตราไวโอเลตกระทบสารวาวแสงก็จะถ่ายโอนพลังงานให้ และสารวาวแสงจะแผ่แสงสว่างออกมาอีกทอดหนึ่ง ส่วนรังสีอัลตราไวโอเลตจะถูกแก้วสกัดกั้นไม่ให้แผ่ออกมานอกหลอด นอกจากนี้การเชื่อมโลหะด้วยไฟฟ้าก็สามารถทำให้เกิดรังสีอัลตราไวโอเลตที่มีความเข้มสูงในปริมาณในเป็นอันตรายต่อนัยน์ตาได้ จึงจำเป็นต้องสวมแว่นสำหรับป้องกันโดยเฉพาะ
   
18.3.7 รังสีเอกซ์
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่อยู่ในช่วง \displaystyle 10^{17} - 10^{21}เฮิรตซ์ หรือความยาวคลื่นอยู่ระหว่าง    \displaystyle 10^{ - 13} - 10^{ - 9}เมตร มักเรียกรวมกันว่า รังสีเอกซ์ วิธีหนึ่งใช้ในการผลิตรังสีเอกซ์ คือการเปลี่ยนความเร็วของอิเล็กตรอน
เพราะรังสีเอกซ์สามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางหนาๆ ได้ ดังนั้นวงการอุตสาหกรรมจึงใช้รังสีเอกซ์ตรวจหารอยร้าวภายในชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่ เจ้าหน้าที่ด่านตรวจก็ใช้รังสีเอกซ์ตรวจหาอาวุธปืนหรือวัตถุระเบิดในกระเป๋าเดินทางโดยไม่ต้องเปิดกระเป๋า โดยอาศัยหลักการว่า รังสีเอกซ์จะถูกขวางกั้นโดยอะตอมของธาตุหนักได้ดีกว่าธาตุเบา แพทย์จึงใช้วิธีฉายรังสีเอกซ์ผ่านร่างกายคน ไปตกบนฟิล์มเพื่อตรวจดูลักษณะผิดปกติของอวัยวะภายในและกระดูก
เมื่อฉายรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นประมาณ 10 นาโนเมตร ซึ่งเป็นความยาวคลื่นที่ใกล้เคียงกับขนาดของอะตอม และระยะห่างระหว่างอะตอมของผลึกผ่านผลึกของโลหะที่จัดเรียงตัวกันอย่างมีระเบียบ จะเกิดปรากฏการณ์เลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ เช่นเดียวกับเมื่อแสงผ่านเกรตติง ทำให้สามารถคำนวณหาระยะห่างระหว่างอะตอมและลักษณะการจัดเรียงตัวของอะตอม จึงทำให้ทราบโครงสร้างของผลึกแต่ละชนิดได้

18.3.8 รังสีแกมมา

รังสีแกมมาเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์ แต่เดิมรังสีแกมมาเป็นชื่อเรียกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงที่เกิดจากการสลายของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี แต่ในปัจจุบันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใดๆ ที่มีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์ โดยทั่วไปจะเรียก รังสีแกมมาทั้งนั้น ปฏิกิริยานิวเคลียร์บางปฏิกิริยาปลดปล่อยรังสีแกมมา การระเบิดของลูกระเบิดนิวเคลียร์ก็ให้รังสีแกมมามาปริมาณมาก การมีความถี่สูงทำให้รังสีนี้เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิด นอกจากนี้ยังมีรังสีแกมมาที่ไม่ได้เกิดจากการสลายของธาตุกัมมันตรังสี เช่น รังสีแกมมาที่มาจากอวกาศและรังสีคอสมิกนอกโลก อนุภาคประจุไฟฟ้าที่ถูกเร่งในเครื่องเร่งอนุภาค ก็สามารถให้กำเนิดรังสีแกมมาได้เช่นกัน