แนวคิดที่แสงมีแรงได้เริ่มมีการเสนอโดย Johannes Kepler ในปี ค.ศ. 1619 ซึ่งเกิดจากการสันนิษฐานที่มาจากทิศการเบี่ยงเบนของดาวหางออกจากดวงอาทิตย์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1873 ทาง James Clerk Maxwell เองก็ได้แสดงให้เห็นแนวคิดดังกล่าวผ่านทางทฤษฎีความเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เขาได้คิดค้นขึ้น และได้รับการพิสูจน์ผ่านการทดลองของ Pyotr Lebedev, Ernest F. Nichols และ Gordon F. Hull ในปี ค.ศ. 1900
เมื่อมีการคิดและประดิษฐ์เลเซอร์ในปี ค.ศ. 1960 ขึ้นมา จุดเริ่มต้นของความคิดและความเป็นไปได้ที่จะศึกษาแรงจากแสงเลเซอร์ก็ได้ถือกำเนิดขึ้นเช่นกัน ซึ่งผู้บุกเบิกเรื่องนี้ก็คือ Arthur Ashkin และเขาสามารถสาธิตได้สำเร็จเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1970 โดยใช้ลำแสงเลเซอร์ยกเม็ดแก้วที่มีขนาดไมโครเมตรให้ลอยอยู่ในอากาศหรือในน้ำได้ เปรียบเสมือนกับใช้แสงทำหน้าที่เป็นคีมจับเม็ดแก้วนี้อยู่นั่นเอง
การที่อนุภาคหรือเม็ดแก้วถูกยกให้ลอยขึ้นได้นั้น เพราะว่าลักษณะหน้าตัดของลำแสงเลเซอร์มีรูปร่างคล้ายระฆังคว่ำ (Gaussian Beam) [ตรงกลางลำแสงจะมีความเข้มแสงสูงสุดและลดต่ำลงมาตามแนวรัศมีของลำแสงและการลดลงของลำแสงเป็นไปตามฟังก์ชัน Gauss] ซึ่งส่งผลให้อนุภาคถูกเร่งในทิศทางที่แสงเคลื่อนที่ พร้อมๆ ไปกับถูกแสงถึงเข้าสู่ศูนย์กลางของลำแสงด้วย
ภายหลังต่อมา Arthur Ashkin ได้สาธิตการจับอนุภาคในสามมิติ ด้วยการใช้ลำแสงสองลำเคลื่อนที่สวนทางกัน เพื่อให้การจับอนุภาคมีความมั่นคงขึ้นสามารถเอาชนะแรงดึงดูดของโลกและการเคลื่อนที่แบบ Brownian ของอนุภาคได้นั้น ในปี ค.ศ. 1986 เขาได้ออกแบบให้ลำแสงเลเซอร์เคลื่อนที่ผ่านเลนส์กำลังขยายสูงเพื่อให้ลำแสงเข้าสู่จุดโฟกัสได้ในระยะที่ใกล้ที่สุดและมีมุมกวาดที่กว้างที่สุด ซึ่งถือเป็นพื้นฐานสำคัญในการจับอนุภาคระดับนาโนเมตรจนถึงระดับสิบไมโครเมตรทีเดียว
ภายหลังต่อมาโครงสร้างพื้นฐานที่ได้วางไว้ในปี ค.ศ. 1986 ได้นำไปประยุกต์ใช้ในการจับอะตอม และ การทำให้อะตอมเย็นลง (เคลื่อนที่ช้าลง) โดยเฉพาะในปี ค.ศ. 1987 ที่ Arthur Ashkin ได้สาธิตใช้คีมจับเชิงแสงจับยึดแบคทีเรียไว้โดยไม่ก่อให้เกิดอันตรายใดๆ ต่อแบคทีเรียได้เป็นผลสำเร็จ และเป็นจุดเริ่มต้นของการขยายผลไปจับไวรัสและเซลล์สิ่งมีชีวิต รวมทั้งนำไปใช้ศึกษาเรื่อง DNA และ RNA อีกด้วย
อีกผลงานหนึ่งที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้ คือ วิธีการทำให้เลเซอร์พัลส์มีพลังงานสูงและมีความกว้างของพัลส์แคบลง (เกิดในช่วงเวลาสั้นๆ) ซึ่งเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์และนักวิจัยได้พยายามศึกษา และ พัฒนาวิธีการมาตลอดระยะเวลาตั้งแต่ที่เลเซอร์ตัวแรกของโลกได้ถูกสร้างขึ้นในปี ค.ศ. 1960
สิ่งที่พัฒนามาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1960 มาถึงจุดจำกัดจุดหนึ่งในช่วงกลางทศวรรษ 1980 ที่ไม่สามารถหาวิธีเพิ่มพลังของแสงและทำให้แสงเกิดในช่วงเวลาสั้นๆ โดยไม่ทำให้ชิ้นส่วนหรืออุปกรณ์ภายในระบบของเลเซอร์เองเกิดความเสียหายได้ การใช้วิธีที่เรียกว่า Mode locked laser สามารถบรรลุวัตถุประสงค์ในเรื่องการทำให้เลเซอร์พัลส์มีความกว้างของพัลส์แคบลงหรือเกิดในช่วงเวลาสั้นๆ ระดับหนึ่งในพันล้านวินาทีหรือหนึ่งในพันล้านล้านวินาทีได้ แต่พลังงานจากเลเซอร์ไม่สามารถเพิ่มสูงได้มากเท่าที่ต้องการ
วิธีการก้าวพ้นขีดจำกัดดังกล่าวได้ถูกนำเสนอและสาธิตขึ้นในปี ค.ศ. 1985 โดย Gérard Mourou และ Donna Strickland ด้วยการนำความรู้พื้นฐานที่ได้ใช้ในระบบเรดาร์อยู่แล้วมาประยุกต์ ทั้งสองได้เสนอให้ทำการยืดเลเซอร์พัลส์ในแกนเวลาให้กว้างออกก่อน ซึ่งขั้นตอนนี้จะช่วยลดพลังงานแสงลงไปในตัว หลังจากนั้นให้ลำแสงเลเซอร์ที่มีความกว้างในแกนเวลาที่มากขึ้นเคลื่อนที่เข้าสู่ตัวขยายสัญญาณแสง แล้วบีบลำแสงเลเซอร์กลับให้มีความแคบในแกนเวลาที่ลดลง วิธีการดังกล่าวเรียกว่า Chriped Pulse Amplification (CPA)
การยืดและหดลำแสงเลเซอร์ในแกนเวลาทำได้โดยใช้ตัวกลางหรือชิ้นส่วนที่ทำให้แสงแต่ละความยาวคลื่นที่ประกอบเป็นคลื่นพัลส์นั้นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ไม่เท่ากันนั่นเอง ซึ่งในช่วงเวลานั้น Gérard Mourou และ Donna Strickland ได้เลือกใช้เส้นใยแก้วนำแสงที่มีความยาว 1.4 กิโลเมตร ทำหน้าที่ยืดเลเซอร์พัลส์ในแกนเวลาออก แล้วใช้เกรตติ้งวางคู่กันเพื่อบีบลำแสงเลเซอร์กลับให้มีความแคบในแกนเวลาที่สั้นลง ส่วนชิ้นส่วนที่ช่วยเพิ่มพลังงานแสงก็ใช้เป็นแท่งคริสตัลจาก Neodymium (Nd)
ปัจจุบันระบบเลเซอร์ที่ให้ลำแสงเลเซอร์ที่มีกำลังของแสงระดับพันล้านล้านวัตต์ (Peta Watt) มีลำแสงเลเซอร์เกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่งในพันล้านล้านวินาที และให้ลำแสงออกมาทุกๆ 0.1 วินาที สามารถสร้างขึ้นได้แล้ว
เมื่อสามารถสร้างเลเซอร์ที่ให้แสงเลเซอร์ออกมาในช่วงเวลาสั้นมากๆ ได้และมีพลังงานสูงด้วยแล้ว จะช่วยให้สามารถใช้แสงเลเซอร์เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุบางชนิดจากความเป็นฉนวนให้สามารถนำไฟฟ้าได้ และสามารถใช้ในการเจาะหรือตัดวัสดุด้วยความแม่นยำสูงและมีความประณีตมากขึ้น รวมไปถึงใช้ในโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการศึกษาและสร้างพลังงานทางเลือกใหม่อย่างพลังงานฟิวชั่น
แสงเลเซอร์ที่มีพลังงานสูงยังก่อให้เกิดสนามของพลังงานแรงสูงระดับที่ทำให้อิเล็กตรอนภายในอะตอมรวมตัวกันได้ ซึ่งเป็นเรื่องที่น่าศึกษาและอยู่ในสาขาที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์อนุภาค
และจากการที่ได้มีการเสนอแนวคิดไว้ในปี ค.ศ. 1979 เกี่ยวกับการใช้แสงเป็นตัวเร่งอิเล็กตรอน (Electron accelerator) ในระดับ 1 GeV ในระยะทางเพียง 1 เซนติเมตร แทนการสร้างเครื่องเร่งอิเล็กตรอนอย่างปัจจุบันที่ต้องอยู่ในห้องขนาดใหญ่ นั้นก็มีความเป็นไปได้ที่จะสำเร็จ ซึ่งในปี ค.ศ. 2014 ทางนักวิจัยที่ Lawrence Berkely National Laboratory ของสหรัฐฯ ได้สาธิตการใช้ลำแสงเลเซอร์ขนาดพันล้านล้านวัตต์เร่งอิเล็กตรอนไปที่ 4.2 GeV ในระยะทางเพียง 9 เซนติเมตร
ทางมูลนิธิ Gordon and Betty Moore ก็ได้สนับสนุนทุนวิจัยเรื่อง Accelerator on a chip เช่นกัน ซึ่งเมื่อเร็วๆ นี้ทางทีมวิจัยของ Technische Universität Darmstadt ของเยอรมันได้สร้างชิปขนาดกว้าง 420 นาโนเมตร ยาว 5 มิลลิเมตร และสามารถเร่งอิเล็กตรอนไปที่ระดับ 187 MeV/m ได้
ปัจจุบันยังได้มีการเสนอแนวคิดในการใช้เลเซอร์พลังงานสูงในการเปลี่ยนโครงสร้างอะตอมของกากนิวเคลียร์เพื่อที่จะทำให้กากนิวเคลียร์กลายไม่แพร่รังสีอันตรายออกมา ทำให้การจัดเก็บและการกำจัดทำได้ง่ายขึ้น
- ประวัติย่อ : Arthur Ashkin
Arthur Ashkin เกิดในปี ค.ศ. 1922 ที่ New York สหรัฐฯ เป็นลูกชายคนที่ 2 ในครอบครัวที่อพยพมาจากยูเครน โดยบิดาเปิดคลีนิคทันตกรรม และมีพี่ชายเป็นนักฟิสิกส์ที่เคยร่วมอยู่ในโครงการ Manhattan และมีส่วนสำคัญในการสร้างแรงบันดาลใจให้เขาให้สนใจฟิสิกส์ Arthur Ashkin จบปริญญาตรีในปี ค.ศ. 1947 จาก Columbia University โดยในระหว่างศึกษาระดับปริญญาตรีได้ทำงานใน Radiation Lab ของมหาวิทยาลัยด้วย เขาจบปริญญาเอกด้านนิวเคลียร์ฟิสิกส์จาก Cornell University ในปี ค.ศ. 1952 แล้วเข้าทำงานที่ Bell Labs จนกระทั่งเกษียณอายุ แต่ถึงแม้จะเกษียณอายุแล้ว ปัจจุบันเขาก็ยังทำวิจัยอยู่ที่บ้าน
- ประวัติย่อ : Gérard Mourou
Gérard Mourou เกิดปี ค.ศ. 1944 ที่ Albertville ฝรั่งเศส เขาจบการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาฟิสิกส์จาก University of Grenoble Alpes ในปี ค.ศ. 1967 และปริญญาเอกในปี ค.ศ. 1973 จาก Pierre and Marie Curie University ช่วงปี ค.ศ. 1977 ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ที่ University of Rochester และในช่วง ค.ศ. 1988-1990 ได้ก่อตั้ง Center for Ultrafast Optical Science ที่ University of Michigan ในปี ค.ศ. 2005-2009 ดำรงตำแหน่งเป็นผู้อำนวยการของ Laboratory d’Optique Appliquée
- ประวัติย่อ : Donna Strickland
Donna Strickland เกิดปี ค.ศ. 1959 ที่ Guelph แคนาดา ในครอบครัวที่บิดาเป็นวิศวกรไฟฟ้า ส่วนมารดาเป็นครูสอนภาษาอังกฤษ จากความสนใจในเรื่อง Electro Optics มาตั้งแต่มัธยม จึงได้ตัดสินใจศึกษาระดับปริญญาตรีที่ McMaster University และจบในปี ค.ศ. 1981 สาขา Engineering Physics Donna Strickland จบการศึกษาระดับปริญญาเอกในปี ค.ศ. 1989 จาก University of Rochester ที่มี Gérard Mourou เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา ช่วงปี ค.ศ. 1988-1991 ทำงานที่ National Research Council ของแคนาดา จากนั้นย้ายไปทำงานที่ Lawrence Livermore National Laboratory ในช่วงปี ค.ศ. 1991-1992 และในปี ค.ศ. 1992 ได้เข้าทำงานที่ Advanced Technology Center for Photonics and Opto-Electronic Materials ที่ Princeton University จากนั้นได้ย้ายไปเป็นอาจารย์โดยดำรงตำแหน่งผู้ช่วยศาสตราจารย์ในปี ค.ศ. 1997 ที่ University of Waterloo ปัจจุบันดำรงตำแหน่งเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยแห่งนี้
แหล่งข้อมูล
- G. Brumfiel, “Physics Nobel for quantum optics,” Nature, Vol. 190, p. 152, October 2012.
- https://nobelprize.org , accessed Feb 2019.
- https://en.wikipedia.org , accessed Feb 2019.
- ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร, โฟโทนิกส์ มหัศจรรย์แห่งแสง, นานมีบุ๊คพับลิเคชัน, กรุงเทพฯ, กุมภาพันธ์ 2549.
บทความที่เกี่ยวข้อง
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 28 | ค.ศ.2005 สำหรับผลงานที่เกี่ยวกับการนำทฤษฎีควอนตัมมาอธิบายถึงความเป็นโคฮีเรจน์ของแสงและจากการพัฒนาเทคนิค Optical Frequency Comb สำหรับการวัดที่ให้ความละเอียดสูง
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 29 | ค.ศ.2009 สำหรับความสำเร็จที่เกี่ยวข้องกับการส่งแสงผ่านเส้นใยนำแสงเพื่อใช้ในการสื่อสาร และ จากการประดิษฐ์วงจรสารกึ่งตัวนำสำหรับรับภาพ
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 30 | ค.ศ.2013 สำหรับวิธีการทดลองใหม่ที่สามารถตรวจวัดและจัดการกับระบบควอนตัมใดๆ
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 31 | ค.ศ. 2014 สำหรับการประดิษฐ์หลอดแอลอีดีสีน้ำเงินที่นำไปสู่แหล่งกำเนิดแสงสีขาวที่มีประสิทธิภาพ
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 32 | ค.ศ. 2017 สำหรับความทุ่มเทและการมีส่วนสำคัญในการสร้าง LIGO และ การสังเกตพบคลื่นแรงโน้มถ่วง