จากความสำเร็จทางด้านเลเซอร์ สู่กล้องที่เร็วที่สุดในโลก

(ภาพจาก http://www.udkm.physik.uni-potsdam.de/research-interests/laser-lab)

การประยุกต์ใช้เทคนิค chirp pulse amplification สร้างพัลส์เลเซอร์สั้นๆ ที่ความยาวคลื่นต่างๆ ช่วยให้สามารถศึกษาการเปลี่ยนโครงสร้างพลังงานของอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นรวดเร็วได้ หากเราเปรียบเทียบการฉายพัลส์เลเซอร์ 1 ครั้ง คือการถ่ายภาพด้วยกล้อง 1 ภาพ การใช้พัลส์เลเซอร์ความยาว 10 fs จะสามารถถ่ายภาพได้กว่า 100,000,000,000,000 ภาพ ในเวลา 1 วินาที


สืบเนื่องจากการประกาศความสำเร็จของวงการเลเซอร์ฟิสิกส์ในการคว้ารางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2018 ของสามนักวิทยาศาสตร์ Arthur Ashkin ด้วยผลงานการค้นคว้าคีมหนีบเชิงแสง (Optical tweezers) และ Gérard Mourou ร่วมกับ Donna Strickland ในการค้นคว้าวิธีการเพิ่มความเข้มของลำแสงเลเซอร์ช่วงสั้นๆ หรือ พัลส์เลเซอร์ (Laser pulse) ด้วยวิธีที่เรียกว่า chirped pulse amplification (CPA) ^[1] แน่นอนว่าการค้นคว้าของพวกเขานั้นได้นำมาซื่งความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเป็นอย่างมาก บทความนี้จึงขอต่อยอดความน่าสนใจของงานวิจัยด้านเลเซอร์ฟิสิกส์  ที่นำไปประยุกกต์ใช้ในการศึกษาปฏิกิริยาของอิเล็กตรอนในกระบวนการทางเคมี 


หากมองย้อนกลับไปในหน้าประวัติศาสตร์รางวัลโนเบล การศึกษาปฏิกิริยาเคมีโดยใช้แสงเป็นเครื่องมือในการตรวจวัดนั้นได้รับการพัฒนามายาวนาน ตั้งแต่งานของ Ronald Norrish และ George Porter ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1986 จากผลงาน flash photolysis ซึ่งเป็นชุดอุปกรณ์ที่พวกเขาได้ออกแบบขึ้น โดยอาศัยการกระตุ้นระบบที่ต้องการตรวจวัดด้วยลำแสงสั้นๆ ลำแสงแรก เรียกว่า pump เมื่อระบบถูกกระตุ้นด้วย pump ทำให้เกิดการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนชั้นนอกของสารตั้งต้นและเกิดสารใหม่ๆ ขึ้น เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไประยะหนึ่ง ลำแสงต่อมาที่เรียกว่า probe ก็จะถูกส่งเข้าไปในระบบ ลักษณะการตอบสนองต่อแสงนั้น จะบ่งบอกถึงชนิดของสารและการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาได้ ผลงานชิ้นนี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นสำคัญของเทคนิคการวัดที่เรียกว่า pump-probe spectroscopy 


ในสมัยนั้นเทคโนโลยีเลเซอร์ยังไม่ได้พัฒนาไปมากนัก พวกเขาได้ใช้หลอดไฟเป็นแหล่งกำเนิดแสง โดยปล่อยแสงเป็นช่วงสั้นๆ ในระดับ microsecond (µs) – millisecond (ms) หรือ 10^-6 ถึง 10^-3 วินาที ต่อมาเมื่อเริ่มมีการพัฒนาประสิทธิภาพของเลเซอร์ทำให้สามารถผลิตพัลส์เลเซอร์ได้สั้นมากๆ ในระดับ femtosecond (fs) หรือ 10^-15 วินาที จึงทำให้ผลงานของ Ahmed H. Zewail ที่นำความสามารถของเลเซอร์นี้มาใช้ในการศึกษาปฏิกิริยาเคมีคว้ารางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1999 มาได้ ผลงานของ Zewail ถือเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญที่พลิกโฉมห้องทดลองในสาขานี้ไปอย่างมากทีเดียว ^[2]


ทำไมเราถึงให้ความสำคัญกับการศึกษาปฏิกิริยาในช่วงเวลาสั้นๆ ในระดับ fs?
 

คำตอบก็คือ กระบวนการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในวัสดุ การสลายหรือสร้างพันธะใหม่ทางเคมี รวมไปถึงการสั่นของโมเลกุล ล้วนมีขั้นตอนที่เกิดขึ้นในระดับ fs ทั้งสิ้น ดังนั้นความสามารถในการตรวจวัดสถานะของระบบในช่วงเวลานั้นๆ จะเป็นเหมือนกุญแจดอกสำคัญที่ไขความลับของปรากฏการณ์ต่างๆ ได้มากมาย 


การพัฒนาเลเซอร์สามารถช่วยในการศึกษาด้านนี้ได้อย่างไร?


หากเปรียบเทียบการฉายพัลส์เลเซอร์สั้นๆ เป็นการถ่ายภาพ ก็คงเสมือนการถ่ายภาพในโหมด slow-motion หรือการถ่ายภาพกีฬาที่มีการเคลื่อนไหวรวดเร็ว สิ่งที่จำเป็นต้องมีก็คือกล้องที่มีความเร็วสูง ที่สามารถถ่ายภาพได้มากในระยะเวลาสั้นๆ ยิ่งถ่ายได้มากเท่าไรก็จะสามารถบันทึกการเคลื่อนไหวในช่วงเวลาสั้นๆ ได้ละเอียดมากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างหนึ่งของสถานการณ์นี้ก็คือ ผลงานของช่างภาพชาวอังกฤษชื่อ Eadweard Muybridge ในปี 1877 ^[3] เขาถ่ายภาพการเคลื่อนไหวของม้าแข่ง เพื่อคลายความสงสัยของผู้คนในขณะนั้น เนื่องจากการแข่งม้าถือว่าเป็นกีฬาที่ได้รับความนิยม ผู้คนจึงต้องการเข้าใจลักษณะการวิ่งของม้า เพื่อที่จะได้ฝึกให้มันวิ่งได้เร็วขึ้นอีก แต่ทว่าด้วยความเร็วของมันนี่เอง ที่ทำให้เราสังเกตได้ยาก Muybridge ได้พัฒนาระบบควบคุมความเร็วชัตเตอร์ (shutter) ของกล้องที่ควบคุมระยะเวลารับแสงของฟิล์ม การเปิด-ปิดรูรับแสงที่เร็วนี้ทำให้สามารถถ่ายภาพสิ่งที่ไม่อยู่นิ่งได้ หากนับแค่เวลาที่กล้องใช้ในการถ่ายภาพ กล้องของเขาสามารถถ่ายได้เร็วถึง 1000 ภาพต่อวินาที เมื่อนำภาพมาเปิดต่อๆ กัน จะแสดงการเคลื่อนไหวของม้าในแบบ slow-motion ได้ การใช้พัลส์เลเซอร์ที่มีความยาวสั้นๆ ก็เปรียบเสมือนการเพิ่มความเร็วของชัตเตอร์ หากเราสามารถสร้างพัลส์เลเซอร์ที่มีความยาวน้อยกว่า 10 fs ได้ เราจะสามารถถ่ายภาพได้มากกว่า 100,000,000,000,000 ภาพ ภายในเวลา 1 วินาที ความละเอียดนี้อาจฟังดูมากเกินไปสำหรับการถ่ายภาพการวิ่งของม้า แต่ในทางกลับกันมันจะเป็นประโยชน์มากหากระบบที่เราสนใจนั้นเกิดขึ้นภายในเศษเสี้ยววินาที 

 

ภาพแสดงการวิ่งของม้า (Eadweard Muybridge, 1878)

เทคนิค pump-probe เป็นเสมือนการบันทึกภาพของปฏิกิริยาที่เปลี่ยนแปลงไปอย่างรวดเร็ว โดยมีพัลส์ pump เป็นตัวกระตุ้น ให้สัญญาณเริ่มปฏิกิริยา จากนั้นพัลส์ probe จะทำหน้าที่เป็นกล้องบันทึกภาพความเร็วสูง เพื่อบันทึกการตอบสนองต่อแสงของปฏิกิริยาในช่วงเวลาต่างๆ ภาพที่เราได้ก็คือสัญญาณการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ นั่นเอง


การพัฒนาคุณภาพของพัลส์เลเซอร์นั้น นับว่าเป็นหัวใจสำคัญของเทคนิค pump-probe นอกเหนือจากความยาวของพัลส์แล้ว ความเข้มและความยาวคลื่นของพัลส์เลเซอร์ก็มีความสำคัญ เนื่องจากว่าบางครั้งปฏิกิริยาที่เราต้องการศึกษามีการเปลี่ยนแปลงที่น้อยมากๆ ทำให้สัญญาณที่เราวัดได้มีค่าน้อย การใช้พัลส์เลเซอร์ที่มีความเข้มสูงจะช่วยให้เราได้ผลการทดลองที่ดีขึ้น นอกจากนั้นสารต่างๆ ที่เกิดขึ้นในแต่ละปฏิกิริยาอาจมีการตอบสนองต่อแสงในแต่ละช่วงความยาวคลื่นที่ต่างกัน หากเราสามารถตรวจวัดด้วยพัลส์ ที่มีหลายความยาวคลื่นผสมกัน (broadband pulse) เราก็จะได้ข้อมูลครบถ้วนมากขึ้น 


วิธีหนึ่งที่นิยมใช้ในการปรับปรุงคุณสมบัติของพัลส์เลเซอร์ คือวิธี Non-Linear Optical Parametric Amplification (NOPA) ซึ่งนับเป็นวิธีการขยายสัญญาณ CPA รูปแบบหนึ่ง ^{[4], [5]} วิธีนี้จะช่วยให้ปรับเปลี่ยนความยาวคลื่นของพัลส์ได้ในช่วง UV ถึง near infrared รวมถึงไม่ได้เปลี่ยนแปลงความยาวของพัลส์มากนักด้วย หลักการของ NOPA คือมีการส่งผ่านลำแสง 2 ลำ เข้าสู่วัสดุที่มีคุณสมบัติทางแสงที่พิเศษ (nonlinear crystals) ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการขยายสัญญาณ ดังภาพ 

ภาพแสดงชุดอุปกรณ์ NOPA

พัลส์เลเซอร์เริ่มต้นจากเครื่องกำเนิด (เช่น เครื่องกำเนิดเลเซอร์แบบ Ti:Sapphire จะให้พัลส์เลเซอร์ที่ความยาวคลื่นประมาณ 800 nm) จะถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วน ที่ beam splitter สำหรับสร้างพัลส์ pump และ probe ของการทดลอง แต่ละส่วนถูกส่งเข้าไปใน NOPA ทั้งสองชุด จากนั้นพัลส์เลเซอร์จะถูกแยกอีกครั้งเพื่อทำหน้าที่เป็น NOPA pump และ NOPA seed เลเซอร์ส่วน NOPA seed จะถูกโฟกัสเข้าไปที่คริสตัล sapphire คริสตัลนี้จะทำการเปลี่ยนเฟสของแสง ด้วยวิธีการ chirp pulse แบบ non-linear  ให้เกิดเป็นพัลส์ของแสงขาว คือมีแสงหลายความยาวคลื่นผสมกันอยู่ ไม่ใช่แค่ความยาวคลื่นตั้งต้นอีกต่อไป ปรากฏการณ์นี้จะทำให้ความยาวของพัลส์เลเซอร์เพิ่มขึ้นเล็กน้อย แสงอีกส่วนหนึ่งที่เป็น NOPA pump จะถูกส่งผ่านเข้า BBO ชิ้นที่ 1 (หนา 0.4 mm) ทำให้เกิดการเพิ่มความถี่ขึ้นเป็น 2 เท่า เช่น จากแสง 800 nm จะได้แสง 400 nm ที่มีพลังงานสูงขึ้น ในการสร้างพัลส์ pump หากเราต้องการ ค่าความยาวคลื่นที่จะกระตุ้นระบบเพียงค่าเดียว NOPA pump และ NOPA seed จะถูกส่งเข้าไปรวมกันอีกครั้งที่ BBO ชิ้นที่ 2 (หนา 1 mm)  ในขั้นนี้พลังงานจาก NOPA pump จะถูกถ่ายโอนมายัง NOPA seed และด้วยความยาวของพัลส์ NOPA pump ที่สั้นกว่า NOPA seed จึงทำให้เลือกขยายสัญญาณเฉพาะค่าความยาวคลื่นค่าใดค่าหนึ่งใน NOPA seed ได้ เหมือนกับมีไฟฉายขนาดเล็ก ที่สามารถเลือกส่องสว่างในพื้นที่แคบๆ ได้ ในทางตรงกันข้ามสำหรับการสร้างพัลส์ probe เราต้องการขยายสัญญาณของความยาวคลื่นหลายค่า NOPA pump จะถูกยืดขยายก่อนถูกส่งเข้า BBO ชิ้นที่ 2 ให้เหมือนมีไฟฉายขนาดใหญ่ ส่องสว่างได้ในบริเวณกว้าง เราสามารถปรับเฟสของ NOPA pump ได้ด้วยการปรับระยะทางที่ใช้ในการเคลื่อนที่เล็กน้อยที่ delay stage จุดนี้จะเสมือนเลื่อนพัลส์ ไปมา เพื่อให้เฟสของ NOPA pump ตรงกับเฟสของ NOPA seed เพื่อปรับช่วงความยาวคลื่นที่ต้องการ หลังจากนั้นพัลส์ที่ได้รับการขยายสัญญาณแล้วอาจถูกบีบอัดเพิ่มเติมด้วยวิธีการเดียวกับ CPA เพื่อให้ได้พัลส์เลเซอร์ที่สั้นมากขึ้น เราก็จะได้พัลส์เลเซอร์ที่มีคุณสมบัติตามต้องการที่จะใช้วัดปฏิกิริยาด้วยเทคนิค pump-probe  

 

ภาพแสดงการวัดปฏิกิริยาด้วยเทคนิค pump-probe

เทคนิคนี้ร่วมกับความสามารถทางเลเซอร์ได้รับการพัฒนาและนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการศึกษาวิจัยทั้งทางฟิสิกส์พื้นฐาน เคมี วัสดุศาสตร์ การแพทย์และระบบทางชีววิทยาต่างๆ มากไปกว่านั้นในปัจจุบันเราได้เห็นการพัฒนาพัลส์เลเซอร์ในระดับที่สั้นกว่า attosecond หรือ 10-18 วินาทีกันแล้ว นี่จะทำให้เราสามารถศึกษาปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นได้เร็วยิ่งขึ้นไปอีก  

 

เรียบเรียงโดย

ชนกานต์ พันสา
ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัย Cambridge สหราชอาณาจักร

• [1] “The Nobel Prize in Physics 2018.” [Online]. Available:https://www.nobelprize.org.
• [2] W. Kohn, “1999 Nobel Prize in Chemistry Lecture,” vol. 77, no. 1, pp. 1999–2000, 1999.
• [3] R. Marsden, “ Rhodri Marsden’s Interesting Objects: Eadweard Muybridge’s ‘Sallie Gardner at a Gallop.’ ” [Online]. Available: https://www.independent.co.uk.
• [4] P. Foggi, L. Bussotti, and F. V. R. Neuwahl, “Photophysical and photochemical applications of femtosecond time-resolved transient absorption spectroscopy,” Int. J. Photoenergy, vol. 3, no. 2, pp. 103–109, 2001.
• [5] T. Kobayashi, “Development of Ultrashort Pulse Lasers for Ultrafast Spectroscopy,” Photonics, vol. 5, no. 3, p. 19, 2018.