นักบรรพชีวินวิทยาใช้แสงเลเซอร์และโดรนค้นหาฟอสซิลบนพื้นดิน

          แม้ไอน์สไตน์จะเสนอแนวคิดเรื่องแสงเลเซอร์ไว้นานแล้ว แต่ก็ต้องรอจนเวลาล่วงเลยมาถึงปี ค.ศ.1954 เมื่อ Charles H. Townes กับ J. P. Gordon และ H. J. Zeiger แห่ง Columbia University ประสบความสำเร็จในการสร้างแสงเมเซอร์ (MASER) ขึ้นเป็นครั้งแรก โดยคำว่า MASER ย่อมาจาก Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation หลังจากนั้นอีก 6 ปีแสงเลเซอร์จึงถือกำเนิดขึ้นจริง เมื่อ Theodore H. Maiman สามารถประดิษฐ์แสงเลเซอร์สีแดงแบบเปล่งแสงเป็นจังหวะที่มีทับทิมเป็นตัวกลาง (Ruby LASER) สำเร็จเป็นครั้งแรก หลังจากนั้น แสงเลเซอร์แบบอื่นๆ ก็ถูกสร้างตามมาเรื่อยๆ ภายในเวลาไม่นาน เราสามารถแบ่งแสงเลเซอร์โดยใช้สถานะของตัวกลางเป็นเกณฑ์ออกเป็นเลเซอร์ชนิดของแข็ง (Solid State LASER) เลเซอร์ชนิดของเหลว (Liquid LASER) เลเซอร์ชนิดแก๊ส (Gas LASER) และเลเซอร์ชนิดสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor LASER)


          แสงเลเซอร์เกิดขึ้นได้อย่างไร? เรื่องนี้เราต้องกลับไปพิจารณาทฤษฎีอะตอมของนีลส์ บอร์ที่กล่าวว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวก โดยมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบเคลื่อนที่เป็นวงโคจรหลายระดับ ในกรณีที่กลุ่มของอะตอมภายในตัวกลางของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ (LASER Medium) ไม่อยู่ในสมดุลความร้อน (None-Thermal Equilibrium) อะตอมที่มีพลังงานสูงจะมีจำนวนมากกว่าอะตอมที่มีพลังงานต่ำเรียกว่า ประชากรผกผัน (Population Inversion) กล่าวคือเมื่ออะตอมดูดกลืนพลังงานจากภายนอกค่าหนึ่งจะทำให้อิเล็กตรอนกระโดดจากวงโคจรที่มีพลังงานต่ำไปอยู่ในวงโคจรที่มีพลังงานสูงขึ้นและทำให้อะตอมย้ายจากสถานะพื้น (Ground State) ไปยังสถานะถูกกระตุ้น (Excited State) แต่อะตอมในสถานะถูกกระตุ้นจะไม่เสถียรและคายพลังงานออกมาในรูปของโฟตอนเมื่อเวลาผ่านไปแล้วกลับไปอยู่ในสถานะพื้นเรียกว่า การปลดปล่อยแสงแบบเกิดเอง (Spontaneous Emission) แต่ถ้าระหว่างที่อะตอมในสถานะถูกกระตุ้นยังไม่กระโดดกลับลงมาที่สถานะพื้นแล้วมีโฟตอนจากภายนอกที่มีพลังงานเท่ากับผลต่างของระดับพลังงานระหว่างสถานะพื้นกับสถานะถูกกระตุ้นถูกส่งเข้ามา สิ่งที่เกิดขึ้นคืออะตอมในสถานะถูกกระตุ้นจะกระโดดกลับลงไปที่สถานะพื้นอย่างรวดเร็วและคายโฟตอนที่มีพลังงานเท่ากันออกมาโดยไม่ถูกดูดกลืนจากอะตอมที่มีพลังงานต่ำกว่า สิ่งที่น่าสนใจคือโฟตอนทั้งสองอนุภาคจะมีพลังงาน ความถี่ เฟส การโพลาไรเซชั่น และการเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน กระบวนการดังกล่าวเรียกว่า การปล่อยแสงแบบเร่งเร้า (Stimulated Emission) กล่าวคือจำนวนโฟตอนรวมที่ทะลุออกมาจากตัวกลางกำเนิดแสงเลเซอร์จะเพิ่มขึ้นเป็นเท่าตัวเรียกว่า การขยายสัญญาณแสง (Light Amplification)           อย่างไรก็ตาม กระบวนการดังกล่าวยังไม่เพียงพอต่อการสร้างแสงเลเซอร์ เนื่องจากจำนวนโฟตอนยังมีน้อยเกินไป อุปกรณ์สำหรับช่วยขยายสัญญาณแสงที่เรียกว่า ออปติคัลเรโซเนเตอร์ (Optical Resonator) จึงเข้ามามีบทบาท อุปกรณ์ดังกล่าวจะมีลักษณะเป็นกระจก 2 บานที่ถูกวางหันหน้าเข้าหาตัวกลางกำเนิดแสงเลเซอร์ โดยบานหนึ่งมีสัมประสิทธิ์การสะท้อน (Reflectivity) 100 เปอร์เซ็นต์ และอีกบานหนึ่งมีสัมประสิทธิ์การสะท้อน 60 ถึง 99 เปอร์เซ็นต์ กระจกทั้งสองบานจะสะท้อนโฟตอนให้วิ่งกลับไปกลับมาจนความเข้มแสงเพิ่มขึ้นถึงจุดหนึ่ง แสงเลเซอร์ก็จะถูกปลดปล่อยออกมาจากกระจกบานที่มีสัมประสิทธิ์การสะท้อนต่ำกว่า ดังนั้น โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์จึงประกอบด้วยตัวกลางกำเนิดแสงเลเซอร์ ออปติคัลเรโซเนเตอร์ และแหล่งกำเนิดพลังงาน           ปกติแล้ว แร่ที่เป็นส่วนประกอบของกระดูกจะเกิดการเรืองแสงเมื่ออยู่ภายใต้แสงอัลตราไวโอเล็ต การเรืองแสงดังกล่าวถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการตรวจเอกลักษณ์ของกระดูกที่กระจัดกระจายอยู่บนพื้นดินโดยนักนิติวิทยาศาสตร์และนักบรรพชีวินวิทยา แต่เศษกระดูกที่กระจัดกระจายอยู่บนพื้นดินจะมองเห็นได้ยากในเวลากลางวันหรือบางครั้งก็อยู่ในสถานที่ที่มนุษย์เข้าไปสำรวจได้ลำบาก ทำให้ต้องใช้โดรนติดกล้องความละเอียดสูงในการบินสำรวจเบื้องต้น


          จากรายงานเมื่อเดือนมิถุนายนที่ผ่านมา กลุ่มนักวิจัยจาก University of Hong Kong (HKU) นำโดย Michael Pittman และ Thomas G Kaye ได้นำแสงเลเซอร์ชนิดกระตุ้นการเรืองแสงหรือ LASER-Stimulated Fluorescence (LSF) มาติดตั้งบนโดรนและเรียกโดรนดังกล่าวว่า LASER Raptor โดยโดรนตัวนี้จะบินอยู่ที่ความสูงประมาณ 4 เมตรเหนือพื้นดินในเวลากลางคืนเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนจากแสงอาทิตย์ในเวลากลางวัน แล้วทำการตรวจจับสัญญาณการเรืองแสงของวัตถุบนผิวดินที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงเลเซอร์ เทคโนโลยีดังกล่าวทำให้มีการสูญเสียพลังงานเพียงน้อยนิด โดยผลการสำรวจในรัฐไวโอมิงของประเทศสหรัฐอเมริกาซึ่งเป็นพื้นที่ที่เคยค้นพบฟอสซิลมาก่อนทำให้กลุ่มนักวิจัยค้นพบฟอสซิลฟันของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่มีอายุประมาณ 35 ล้านปี นอกจากนี้ แสงเลเซอร์ดังกล่าวยังสามารถใช้ค้นหาแร่หายาก แร่อุตสาหกรรม อัญมณี เนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต รวมถึงศิลปวัตถุและโบราณสถานได้อีกด้วย

   

อ้างอิง

• หนังสือ ฟิสิกส์จุดประกาย โดย ดร.บัญชา ธนบุญสมบัติ
• หนังสือ เลเซอร์เทคโนโลยี โดย รศ.ดร.พิเชษฐ ลิ้มสุวรรณ
• http://ffden-2.phys.uaf.edu/212_spring2011.web.dir/Thomas_Edwards/How%20Lasers%20Work.html
• https://www.hku.hk/press/news_detail_21067.html?fbclid=IwAR0WPx_OjkqZZoUl8p3RoAgDQZ9ZuxUk66FvHtwc-jOc1ZPf5FCp-8sj38c
• https://www.mining.com/hunter-drone-that-flies-at-night-could-be-used-to-find-gemstone-deposits/?fbclid=IwAR0Q5s2DRMsKTXafPcjSKvrKJAC6NdeRVQ7XYYf2pM8fcCXQA9dFYBZI-tc