♦ หลักการเบื้องต้นของไฟเบอร์เลเซอร์ / Fiber Laser

Laser เป็นชื่อย่อมาจากคำเต็มว่า Light  Amplification by Stimulated Emission of Radiation

หลักการทำงานของไฟเบอร์เลเซอร์ / Fiber Laser

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

 

Ref : https://www.laserlabsource.com/Solid-State-Lasers/fiber-laser-basics-and-design-principles