ข่าวสาร

แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 20 | ค.ศ.1964 สำหรับงานพื้นฐานทางด้านควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งนำไปสู่หลักการทางด้าน Maser และ Laser

Facebook
Twitter
แสงกับรางวัลโนเบล
บทความ | ดร.ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร
นักวิจัยอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้ก็มีพื้นฐานของความรู้มาจากสิ่งที่ Albert Einstein ได้สร้างสรรค์ขึ้นมาอีกเช่นกัน โดยในปี ค.ศ. 1917 Albert Einstein ได้เสนอหลักการเกี่ยวกับ Stimulated Emission ที่ว่ากระบวนการดูดซับแสงต้องมีกระบวนการที่คู่กันเกิดขึ้นนอกเหนือจากกระบวนการเรืองแสง (Spontaneous Emission) ที่เข้าใจกันอยู่ก่อนแล้ว ซึ่งทำให้อะตอมปล่อยพลังงานที่เหมือนกับพลังงานตกกระทบออกมา

กระบวนการ Stimulated Emission จะก่อให้เกิดการขยายสัญญาณแสงที่เคลื่อนที่ตกกระทบวัตถุที่มีคุณลักษณะดังกล่าวได้ ทั้งนี้กระบวนการปล่อยพลังงานดังกล่าวออกมาจะต้องมีประสิทธิภาพมากกว่ากระบวนการดูดซับพลังงานเข้าไป หรือ ในอีกนัยหนึ่งคือ อิเล็กตรอนในระดับชั้นพลังงานที่สูงกว่ามีจำนวนมากกว่าอิเล็กตรอนในระดับชั้นพลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อว่า ประชากรผกผัน (Population Inversion)

แสงที่เกิดขึ้นจากกระบวนการ Stimulated Emission จะมีความถี่ของแสง เฟสของแสง และมีความเป็นโคฮีเรนจ์ (Coherence) เหมือนกัน และนี่เป็นสิ่งที่แตกต่างจากแสงที่เราคุ้นเคยกันในชีวิตประจำวัน

C.H. Townes, How the laser happened: adventure of a scientist
สมุดจดบันทึกของ Townes เกี่ยวกับ Laser (C.H. Townes, How the laser happened: adventure of a scientist, Oxford University Press, 2002)

หลักการ Stimulated Emission นี้เองที่ Charles Hard Townes และเพื่อนร่วมงานของเขาที่สหรัฐฯ รวมไปถึง Nicolay Gennadiyevich Basov และ Aleksandr Mikhailovich Prokhorov ที่รัสเซียได้นำไปใช้ในการสร้างคลื่นไมโครเวฟที่มีความเป็นโคฮีเรนจ์ (MASER – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) เมื่อปี ค.ศ. 1954

ต่อมาประมาณปี ค.ศ. 1958 Charles Townes และ Arthur L. Schawlow ได้นำเสนอวิธีการสร้าง LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) รวมไปถึง Aleksandr Prokhorov ที่รัสเซียเองก็ได้เสนอเรโซเนเตอร์เชิงแสง (Optical Resonator) ที่สร้างขึ้นจากกระจกเพียงสองชิ้น หรือ ที่เราคุ้นกันว่าเป็นโครงสร้างการแทรกสอดกันของแสงตามแบบของ Fabry และ Perot

laser
เรโซเนเตอร์ที่ประกอบด้วยกระจกสองชิ้นวางห่างกันอยู่และภายในบรรจุก๊าซไว้ซึ่งเปล่งแสงเลเซอร์ออกมาเมื่อได้รับพลังงาน (ที่มา https://galileo.phys.virginia.edu/classes/533.op6n/UVAPhysicsOpticsLabs.html )

โครงสร้างการแทรกสอดกันของแสงตามลักษณะดังกล่าวเป็นโครงสร้างที่ทำให้เกิดกระบวนการประชากรผกผันได้ และในช่วงระยะเวลานั้นนักวิทยาศาสตร์ในโลกหลายคนได้พยายามที่จะสร้างเลเซอร์ให้สำเร็จ ซึ่งสุดท้ายแล้ววิศวกรที่เชี่ยวชาญคนหนึ่งชื่อ Theodore Maiman เป็นคนแรกที่สร้างเลเซอร์จากทับทิมสังเคราะห์สำเร็จเป็นคนแรกในปี ค.ศ. 1960 และ ต่อมาอีกเพียง 2 ปี เลเซอร์ที่สร้างขึ้นจากสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ก็ได้มีการประดิษฐ์ขึ้นจากฝีมือของ Robert Hall

เลเซอร์ตัวแรกของโลก
(ซ้าย) Maiman (กลาง) สมุดบันทึกของ Maiman ระหว่างทดลองเรื่องเลเซอร์ และ (ขวา) เลเซอร์ตัวแรกของโลก (https://spie.org/x39920.xml )

นักวิทยาศาสตร์ชื่อ Nicolay Basov ที่นอกเหนือจากจะศึกษา MASER และ LASER แล้ว ยังได้ศึกษาตัวกลางที่เป็นสารกึ่งตัวนำในการนำมาสร้างเลเซอร์ด้วย รวมทั้งยังได้นำเสนอวงจรเชิงแสงสำหรับใช้ทำโลจิกดิจิทัลความเร็วสูง และ ในปี ค.ศ. 1970 ยังได้เสนอการสร้างโปรเจคเตอร์จากลำแสงเลเซอร์ด้วย

ประวัติย่อ : Charles Hard Townes
แสงกับรางวัลโนเบล
Charles Hard Townes นักฟิสิกส์ชาวอเมริกา

Charles Hard Townes เป็นชาวอเมริกันเกิดเมื่อวันที่ 28 กรกฎาคม ค.ศ. 1915 มลรัฐ South Carolina ในครอบครัวที่มีพ่อเป็นทนายความ เขาได้รับปริญญาตรีทางฟิสิกส์และภาษาศาสตร์จาก Furman University ในปี ค.ศ. 1935 โดยในช่วงที่เรียนอยู่ชั้นปีที่ 2 ก็เกิดความสนใจในวิชาฟิสิกส์มากขึ้นนอกเหนือจากความสนใจเดิมที่มีอยู่ในเรื่องของธรรมชาติ ขณะที่ศึกษาอยู่ในมหาวิทยาลัยเขายังเข้าทำงานเป็นผู้ดูแลพิพิธภัณฑ์ ร่วมเป็นนักสะสมของแคมป์ชีววิทยาของมหาวิทยาลัย ร่วมทีมว่ายน้ำของมหาวิทยาลัย และทำหนังสือพิมพ์ของมหาวิทยาลัย ในปี ค.ศ. 1936 ได้รับปริญญาโทสาขาฟิสิกส์จาก Duke University และได้รับปริญญาเอกจาก California Institute of Technology ในปี ค.ศ. 1939 อาชีพการงานของ Townes เริ่มต้นเป็น Technical Staff ของ Bell Laboratories และได้มีส่วนในการออกแบบระบบทิ้งระเบิดด้วยเรดาร์ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง พร้อมทั้งได้รับสิทธิบัตรในสิ่งประดิษฐ์ดังกล่าว ในปี ค.ศ. 1948 ได้เป็นอาจารย์ที่ Columbia University โดยดำรงตำแหน่งรองศาสตราจารย์ และต่อมาในปึ ค.ศ. 1950 ได้เป็นศาสตราจารย์ ในช่วงปี ค.ศ. 1959-1961 ได้เป็นรองอธิการบดีและผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยของ Institute of Defense Analyses ในปี ค.ศ. 1961 ได้ดำรงตำแหน่งผู้บริหารและศาสตราจารย์ทางด้านฟิสิกส์ที่ Massachusetts Institute of Technology ต่อมาในปี ค.ศ. 1966 และ 1967 ได้เป็นศาสตราจารย์ระดับสูงสุดของ MIT และ University of California ตามลำดับ

ประวัติย่อ : Nicolay G. Basov
แสงกับรางวัลโนเบล
Nicolay G. Basov นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย

Nicolay G. Basov เกิดเมื่อวันที่ 14 ธันวาคม ค.ศ. 1922 ที่เมือง Usman ที่รัสเซีย บิดาของเขาเป็นศาสตราจารย์ทำงานเกี่ยวข้องกับผลกระทบของป่าไม้ต่อน้ำใต้ดินและการระบายน้ำบนพื้นผิว หลังจากที่ Nicolay Basov จบระดับมัธยมศึกษาในปี ค.ศ. 1941 ก็เข้าเกณฑ์ทหาร และในปี ค.ศ. 1945 ก็กลับเข้าเรียนที่ Moscow Institute of Physical Engineers โดยศึกษาทางด้านฟิสิกส์ทฤษฎีและการทดลองทางด้านฟิสิกส์ ในปี ค.ศ. 1950 ได้เข้าทำงานที่ P. N. Lebedev Institute of Physics โดยเป็นหัวหน้าห้องปฏิบัติการ Quantum Radio Physics ซึ่งแยกออกมาจากห้องปฏิบัติการ Oscillations ที่มี Aleksandr Prokhorov เป็นหัวหน้าอยู่ Nicolay Basov ยังได้ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ของภาควิชาโซลิคสเตทฟิสิกส์ที่ Moscow Institute of Physical Engineers ระหว่างทำงานก็ศึกษาต่อระดับปริญญาเอกโดยทำงานวิจัยร่วมกับ ศาสตราจารย์ Mikhail Leontovich และศาสตราจารย์ Aleksandr Prokhorov จนจบการศึกษาในปี ค.ศ. 1956

แสงกับรางวัลโนเบล
Aleksandr M. Prokhorov นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย

Aleksandr M. Prokhorov เกิดในครอบครัวชาวรัสเซียที่ประเทศออสเตรเลียในวันที่ 11 กรกฎาคม ค.ศ. 1916 หลังจากเกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในรัสเซียก็ย้ายตามครอบครัวกลับภูมิลำเนาเดิมในปี ค.ศ. 1923 Aleksandr Prokhorov เข้าเรียนระดับปริญญาตรีที่ Leningrad State University ในปี ค.ศ. 1934 และจบการศึกษาในอีก 5 ปีถัดมา จากนั้นได้เข้าเรียนต่อที่ P. N. Lebedev Institute of Physics ในห้องปฏิบัติการ Oscillations โดยศึกษาปัญหาการเคลื่อนที่ของคลื่นวิทยุ เขายังได้ร่วมในสงครามโลกครั้งที่สอง และได้รับบาดเจ็บถึง 2 หน ซึ่งหนหลังนี้เองที่ทำให้เขาต้องกลับไปทำงานที่ห้องปฏิบัติการต่อโดยศึกษาทางด้าน Nonlinear Oscillations จุดสำคัญของการศึกษาทางด้านเลเซอร์มาจากการจุดประกายของ Vladimir Veksler ซึ่งได้แนะนำให้เขาศึกษาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสภาพวะโคฮีเรนจ์ในแสงซิงโครตรอน ในปี ค.ศ. 1950 ได้ให้ความสนใจเกี่ยวกับ Radio Spectroscopy และควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์ ในปี ค.ศ. 1954 ได้รับแต่งตั้งให้เป็นหัวหน้าห้องปฏิบัติการ Oscillations

แหล่งข้อมูล
  • Nobel Lectures in Physics 1942-1962, World Scientific Publishing, November 1998.
  • https://nobelprize.org , accessed Feb 2019.
  • https://en.wikipedia.org , accessed Feb 2019.
  • ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร, โฟโทนิกส์ มหัศจรรย์แห่งแสง, นานมีบุ๊คพับลิเคชัน, กรุงเทพฯ, กุมภาพันธ์ 2549.

บทความที่เกี่ยวข้อง