เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ แหล่งกำเนิดแสงแห่งอนาคต

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. สาคร ริมแจ่ม ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

มีคำถามอยู่สองคำถามที่ผู้เขียนมักถูกถามอยู่เสมอ คือ “เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ” คืออะไร และต่างจาก “เลเซอร์ปกติ” อย่างไร? การตอบคำถามทั้งสองนี้โดยให้เห็นภาพชัดเจนและให้เกิดความเข้าใจเป็นความท้าทายอย่างหนึ่ง ซึ่งในบทความนี้ผู้เขียนพยายามใช้คำอธิบายง่าย ๆ โดยหลีกเลี่ยงการแสดงที่มาของสมการบางสมการที่ยุ่งยากซับซ้อน สิ่งที่น่าสนใจในเชิงทฤษฎีทางฟิสิกส์ประการหนึ่ง นั่นคือเราสามารถใช้ฟิสิกส์คลาสสิคทางด้านทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า มาอธิบายกระบวนการผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระได้ ซึ่งแตกต่างจากเลเซอร์ที่ผลิตจากอิเล็กตรอนที่ถูกยึดเหนี่ยวอยู่ในอะตอม ที่จำเป็นต้องใช้กลศาสตร์ควอนตัมในการอธิบาย แต่ไม่ว่าจะเป็นเลเซอร์แบบปกติหรือเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ สิ่งที่เหมือนกันคือสมบัติเด่นของ การเป็นแสงเลเซอร์ นั่นคือ มีความเป็นอาพันธ์ (coherence) มีความสว่างสูง (high brightness) มีลำแสงขนาดเล็กที่มีความขนานโดยไม่มีการเบี่ยงเบนหรือบานออก และมีความเป็นแสงเอกรงค์ (mono-chromatic light) ที่ประกอบไปด้วยแสงความยาวคลื่นเดี่ยว ด้วยคุณลักษณะเฉพาะที่พิเศษกว่าแสงชนิดอื่นดังที่กล่าวมานี้ เลเซอร์จึงถูกนำไปประยุกต์ใช้งานอย่างหลากหลายในปัจจุบัน ทั้งทางด้านการแพทย์ การสื่อสารคมนาคม การสร้างภาพ 3 มิติ หรือภาพโฮโลกราฟี (holography) การวัดและวิเคราะห์โครงสร้างวัสดุหรือสสาร ตลอดจนการตรวจสอบและควบคุมการผลิตชิ้นงานทางด้านวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรม

การค้นคว้าวิจัยด้านเลเซอร์นั้นได้เริ่มขึ้นมานานกว่าห้าสิบปีแล้ว ซึ่งถือเป็นก้าวใหม่ด้านเทคโนโลยีแสงของมนุษย์ชาติในยุคนั้น โดยการผลิตแสงเลเซอร์แบบปกตินั้น ใช้หลักการการเพิ่มความเข้มของโฟตอนที่ปลดปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนที่ถูกยึดเหนี่ยวอยู่ในอะตอมที่มีการเปลี่ยนสถานะทางควอนตัมหรือเปลี่ยนระดับพลังงาน โดยมีการใช้โพรงแสง (optical cavity) เป็นอุปกรณ์ช่วยในการสะท้อนให้รังสีกลับเข้าไปกระตุ้น (stimulate) ให้อะตอมอยู่ในสถานะกระตุ้น (excited state) แล้วกลับคืนมาสู่สถานะพื้น (ground state) พร้อม ๆ กัน ซึ่งจะทำให้โฟตอนที่อิเล็กตรอนปลดปล่อยออกมาในขณะเปลี่ยนระดับพลังงานมีเฟสตรงกัน ทำให้ได้แสงอาพันธ์ที่มีความเข้มสูง ด้วยกระบวนการดังกล่าวนี้จึงเป็นที่มาของคำว่า เลเซอร์ หรือ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) ซึ่งการผลิตเลเซอร์โดยใช้หลักการที่กล่าวมาข้างต้นนี้ มีขีดจำกัดในการผลิตแสงที่มีพลังงานสูง เช่น รังสีเอ็กซ์หรือรังสีแกมมา และไม่สามารถผลิตแสงที่มีความเข้มมาก ๆ ได้ เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ จึงเข้ามามีบทบาทในการทดแทนขีดจำกัดเหล่านี้

การผลิต เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ (free-electron lasers: FELs) ได้รับการเสนอขึ้นครั้งแรกโดย John M.J. Madey ในปี ค.ศ. 1970 และเครื่องกำเนิดเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเครื่องแรกได้รับการพัฒนาขึ้น ณ มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford University) ประเทศสหรัฐ อเมริกา ในปี ค.ศ. 1976 โดยใช้เครื่องเร่งอิเล็กตรอนพลังงาน 24 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1978 ได้มีการผลิตเลเซอร์ความยาวคลื่น 3.5 ไมโครเมตร โดยใช้เครื่องเร่งอิเล็กตรอนพลังงาน 43 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ และระบบโพรงแสงสำหรับสะสมพลังงานของรังสี ซึ่งนับว่าเป็นการผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระความถี่อินฟราเรดย่านใกล้ (near-infrared) เป็นครั้งแรกในโลก อีกทั้งเป็นการเปิดศักราชใหม่ของแหล่งกำเนิดแสง ที่เปลี่ยนจากการใช้เครื่องเร่งอนุภาคเชิงวง ไปสู่การใช้เครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้น ในการผลิตรังสีตั้งแต่ย่านอินฟราเรดไปจนถึงย่านรังสีเอ็กซ์

ปัจจุบันในประเทศไทยได้มีการพัฒนาการผลิตรังสีอินฟราเรดเพื่อใช้ในการวิจัยทางด้าน infrared spectroscopy และ imaging โดยใช้รังสีจากเครื่องซินโครตรอน แต่ยังไม่สามารถผลิตรังสีความถี่ตํ่าในย่าน FIR หรือเทราเฮิรตซ์ (THz) ได้ จึงเป็นแรงจูงใจที่คณะวิจัยของห้องปฏิบัติการวิจัยเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้น ของ ศูนย์วิจัยฟิสิกส์ของพลาสมาและลำอนุภาค ณ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ซึ่งผู้เขียนเป็นสมาชิกอยู่ มีความสนใจที่จะศึกษาการพัฒนาเครื่องเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านอินฟราเรดขึ้น โดยเน้นการผลิตเลเซอร์ในช่วงความยาวคลื่นที่ไม่สามารถผลิตได้จากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน และมุ่งเน้นการปรับปรุงจากอุปกรณ์ของเครื่องเร่งอิเล็กตรอนที่มีอยู่เดิม รวมทั้งสร้างหรือพัฒนาอุปกรณ์บางส่วนที่จำเป็นขึ้นมาใหม่

การพัฒนาเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่คนในวงการเครื่องเร่งอนุภาคเรียกกันว่า “แหล่งกำเนิดแสงแห่งอนาคต หรือ next generation light source” ขึ้นในประเทศ จะเป็นการสร้างเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่มีคุณประโยชน์ในหลากหลายสาขา อีกทั้งยังจะเป็นการสร้างและพัฒนาองค์ความรู้ด้านเครื่องเร่งอนุภาคและการผลิตรังสี ซึ่งเป็นศาสตร์และเทคโนโลยีที่มีการบูรณาการนำความรู้ทั้งทางด้านฟิสิกส์ ทัศนศาสตร์ คณิตศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์ มาประยุกต์ใช้ในการสร้างสรรค์นวัตกรรมด้านการออกแบบ การพัฒนาเครื่องมือ การประกอบสร้างและการประยุกต์ใช้เครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งเป็นอุปกรณ์และเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ขั้นสูง อีกทั้งเป็นลดการนำเข้าอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ราคาแพงจากต่างประเทศ โดยเครื่องกำเนิดเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่ทางทีมวิจัยกำลังพัฒนาขึ้นมานี้ จะเป็นเครื่องแรกในประเทศไทยและประเทศในแถบสมาคมอาเซียน

ผู้ที่สนใจสามารถอ่านบทความเต็มและดาวน์โหลดได้ที่ เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ แหล่งกำเนิดแสงแห่งอนาคต