♦ หลักการเบื้องต้นของไฟเบอร์เลเซอร์ / Fiber Laser

Laser เป็นชื่อย่อมาจากคำเต็มว่า Light  Amplification by Stimulated Emission of Radiation

ในวงการการแปรรูปโลหะและงานอุตสาหกรรมสมัยใหม่ “ไฟเบอร์เลเซอร์ (Fiber Laser)” ได้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักที่เข้ามาแทนที่เทคโนโลยีเดิมอย่าง CO2 เลเซอร์หรือพลาสม่าอย่างรวดเร็ว เนื่องจากความแม่นยำ ความเร็ว และความคุ้มค่าในการใช้งาน อย่างไรก็ตาม สำหรับผู้ประกอบการและวิศวกร การเข้าใจ หลักการเบื้องต้นของไฟเบอร์เลเซอร์ ถือเป็นสิ่งสำคัญที่จะช่วยให้สามารถเลือกใช้งานเครื่องจักรและปรับตั้งค่าการทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

หลักการทำงานของไฟเบอร์เลเซอร์ / Fiber Laser

หลักการเบื้องต้นของไฟเบอร์เลเซอร์ คือการสร้างและขยายสัญญาณแสงเลเซอร์ภายในสายใยแก้วนำแสง (Optical Fiber) โดยมีกระบวนการทำงานหลัก 4 ขั้นตอน:

1. การปั๊มพลังงานแสง (Optical Pumping): ไดโอดเลเซอร์ (Laser Diode) จะส่งแสงพลังงานสูงเข้าไปยังสายแก้วนำแสงแกนกลาง
2. การกระตุ้นสารโดป (Doping Element Activation): สายใยแก้วชนิดพิเศษจะถูกโดป (Dope) ด้วยธาตุหายาก เช่น อิตเทอร์เบียม (Yb – Ytterbium) หรือ เออร์เบียม (Er – Erbium) เมื่อได้รับพลังงานแสง อะตอมของสารโดปจะถูกกระตุ้นให้ปลดปล่อยโฟตอน (Photon) ออกมา
3. การขยายสัญญาณแสง (Amplification): โฟตอนที่เกิดขึ้นจะถูกสะท้อนกลับไปมาภายในแกนใยแก้วด้วย Fiber Bragg Grating (FBG) ซึ่งทำหน้าที่เหมือนกระจกสะท้อนแสงในระบบเลเซอร์แบบเดิม ทำให้ความเข้มแสงเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ
4. การปล่อยลำแสงเข้มข้น (Laser Beam Output): ลำแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นเดี่ยว (โดยทั่วไปคือ 1,064 nm) และมีความหนาแน่นพลังงานสูงจะถูกส่งผ่านสาย Fiber Optic ตรงไปยังหัวตัดหรือหัวเชื่อมโดยตรง โดยไม่มีการสูญเสียพลังงานระหว่างทาง

Spontaneous emission

เมื่ออะตอมได้รับพลังงานจากภายนอก อิเล็กตรอนที่อยู่ในชั้นปกติหรือเรียกว่า Ground state จะถูกกระตุ้นทำให้มีระดับพลังงานที่มากขึ้นจนอิเล็กตอนไปอยู่ในชั้นพลังงานกระตุ้นหรือเรียกว่า Excited state แต่อิเล็กตรอนในชั้นพลังงาน Excited state นั้นไม่เสถียร ดังนั้นอิเล็กตรอนจะกลับมาสู่ Ground state และปล่อยพลังงานเท่ากับผลต่างของระดับพลังงานระหว่าง Excited state กับ Ground state พลังงานที่ถูกปล่อยในกระบวนการนี้จะอยู่ในรูปโฟตอนหรือแสง เรียกกระบวนการนี้ว่า กระบวนการปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเอง (Spontaneous emission)

 

Stimulated emission

แสงที่ปล่อยออกมาจากกระบวนการปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเองไปชนกับอะตอมอื่นๆที่อยู่ในสถานะ excited state ซึ่งไม่เสถียร ทำให้อิเล็กตรอนปลดปล่อยพลังงานในรูปแสงออกมาและกลับมาที่ Ground state กระบวนการเช่นนี้เกิดขึ้นซ้ำอย่างต่อเนื่องกับอะตอมในสถานะ excited state จำนวนมาก โดยแสงที่ถูกปล่อยออกมาจะเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกัน เรียกว่า การปล่อยแสงแบบถูกเร่งเร้า (stimulated emission)

 

Population inversion

สิ่งสำคัญในระบบคือต้องการให้มีอิเล็กตรอนที่อยู่ในชั้นพลังงานexcited state จำนวนมาก เพราะจะทำให้เกิดการเปล่อยแสงแบบถูกเร่งเร้าในหลักการข้างต้น ซึ่งจะให้พลังงานที่มีความเข้มสูง ซึ่งทำได้โดยใช้ laser diodeในการกระตุ้นอิเล็กตรอนให้อยู่ในระดับชั้นพลังงานexcited stateให้มากกว่าอิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับชั้นพลังงานGround state ให้มากที่สุดเรียกว่า ประชากรผกผัน (population inversion)

 

Laser Amplification

การขยายพลังงานของเลเซอร์ เมื่อเกิด population inversion อิเล็กตรอนในชั้นพลังงานExcited stateจำนวนมากที่พร้อมจะปลดปล่อยพลังงาน จะทำให้เกิด stimulated emission ของทุกอิเล็กตรอน โดยแสงที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน ความถี่เท่ากัน มีเฟสตรงกัน สามารถทำให้เกิดการรวมคลื่นกันเรียกว่า การขยายสัญญานเลเซอร์(laser amplification) ทำให้ได้พลังงานที่เข้มข้นสูง

 

การทำงานของไฟเบอร์เลเซอร์ / Fiber Laser

ไฟเบอร์เลเซอร์ /Fiber laser ใช้แกนไฟเบอร์ที่เจือด้วยธาตุหายากเป็นสื่อขยายพลังงานของเลเซอร์ จากนั้นใช้Laser Diodes ปล่อยพลังงานกระตุ้นอิเล็กตรอนใน doped fiber จาก ground state ไปอยู่ในระดับ excited state ในระบบ โดยมี Laser Combinersในการรวมพลังงานของ Laser Diodes มี fiber Bragg grating ทำหน้าที่คล้ายกระจกที่สามารถสะท้อนพลังงานทั้งหมดหรือสะท้อนพลังงานบางส่วน โดยพลังงานที่สะท้อนกลับไปมาเพื่อให้อิเล็กตรอนใน doped fiber อยู่ในระดับ excited state มากที่สุด

 

Doped fiber

เป็นไฟเบอร์ที่โด๊ปด้วยธาตุหายาก ธาตุ Yterrbium (Yb) เป็นธาตุที่ถูกนำมาใช้ทำเลเซอร์มากที่สุด สามารถดูดซับพลังงาน ที่ความยาวคลื่น 900-1000nm และปล่อยพลังงานที่ความยาวคลื่น 1000-1100 nm ซึ่งเป็นความยาวคลื่นที่โลหะทั่วๆไปสามารถดูดซับได้ดี

 

Double-Clad Fiber

ในระบบไฟเบอร์เลเซอร์ /fiber laser ส่วนมาก จะมีการใช้ fiber แบบหุ้ม 2ชั้น ช่วยให้พลังงาน output ออกมามากที่สุด

 

Pump Laser Diodes

แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสง laser ใช้กระตุ้นธาตุอิเล็กตรอนของ Yb ให้อยู่ในระดับ excited state มากที่สุด ใช้ไดโอดหลายตัวในการเพิ่มพลังงาน ใช้ pump diodesที่ปล่อยพลังงานความยาวคลื่น 900-1000nm เพราะมีราคาที่คุ้มค่าและ Yb สามารถรับความยาวคลื่นช่วงนี้ได้ดี

 

Pump Laser Combiners

ใช้ในการรวมพลังงานทั้งหมดจาก Pump Laser Diodes หลายตัว

 

Fiber Bragg gratings

เป็นสิ่งที่ใช้ในการบล็อกหรือสะท้อนความยาวคลื่นบางช่วง ทำหน้าที่คล้ายๆกระจก สามารถสะท้อนพลังงานทั้งหมดหรือสะท้อนพลังงานบางส่วนและปล่อยพลังงานที่ให้ผ่านไปได้ ในระบบ fiber laser จะมีBragg gratings 2 จุด คือจุดต้นทาง เป็นจุดที่จะให้สะท้อนกลับหมด จุดปลายทางเป็นจุดที่จะให้สะท้อน90% ผ่านออกไปยังoutput 10% การสะท้อนกลับไปมาเพื่อให้มีการเร่งให้อะตอมอยู่ในขั้น excited state ให้มากที่สุด

ข้อดีเมื่อเทียบกับระบบ CO2 Laser

• ความยาวคลื่นสั้นกว่า (1.06 µm vs 10.6 µm): โลหะสะท้อนแสง เช่น อลูมิเนียม ทองเหลือง และทองแดง สามารถดูดซับพลังงานของไฟเบอร์เลเซอร์ได้ดีกว่า ส่งผลให้ตัดได้เร็วกว่า
• ไม่ใช้ระบบกระจกสะท้อน (No Mirror Alignment): ลำแสงวิ่งผ่านสายไฟเบอร์ทั้งหมด จึงไม่ต้องคอยตั้งศูนย์กระจก ลดปัญหาเครื่องหยุดทำงาน (Downtime)

ในอุตสาหกรรมแปรรูปโลหะ แหล่งกำเนิดไฟเบอร์เลเซอร์ถูกนำมาประยุกต์ใช้กับเครื่องจักรหลักๆ ดังนี้

• เครื่องตัดไฟเบอร์เลเซอร์ (Fiber Laser Cutting Machine)
• เครื่องตัดท่อไฟเบอร์เลเซอร์ (Fiber Laser Pipe Cutting Machine)
• เครื่องเชื่อมไฟเบอร์เลเซอร์ (Fiber Laser Welding Machine)
• เครื่องล้างผิวโลหะไฟเบอร์เลเซอร์ (Fiber Laser Cleaning Machine)
• เครื่องมาร์คไฟเบอร์เลเซอร์ (Fiber Laser Marking Machine)

แหล่งข้อมูลอ้างอิง: Laser Lab Source – Fiber Laser Basics and Design Principles