ดัชนีหักเหแสง (Refractive index, RI)

นิยามแห่งดัชนีหักเหแสงคือ ค่าความเร็วของแสงที่วิ่งผ่านวัสดุตัวกลางเทียบกับความเร็วของแสงที่วิ่งผ่่านสูญญากาศ เมื่อเราพิจารณาจากตรงนี้เราจะพบว่ามันได้เกิดการหักเหแสงเมื่อเดินทางผ่านวัสดุตัวกลางทั้งสองชนิดนี้ส่งผลให้มันเกิดปฏิกิริยาต่อการมองเห็นได้

ดัชนีหักเหแสง (n) นั้นสามารถเขียนอธิบายเป็นสูตรคำนวณได้คือ n=c/v โดยที่
ความเร็วแสงเมื่อเดินทางผ่านสูญญากาศคือ c
ความเร็วของแสงที่เดินทางผ่านวัสดุตัวกลางนั้นคือ v

ค่าดัชนีหักเหแสงนี้จะได้มาเป็นตัวเลขซึ่งมีค่ามากกว่า 1 เสมอ โดยตัวเลขนี้จะบ่งชี้ถึงกำลังหักเหแสงของวัสดุว่ายิ่งตัวเลขมีค่ามากเท่าใดก็จะมีกำลังการหักเหแสงที่สูงขึ้นเช่นเดียวกัน ซึ่งวัสดุที่มีดัชนีหักเหแสงที่สูงกว่าจะสามารถหักเหลำแสงได้มากกว่า วัสดุที่มีดัชนีหักเหแสงต่ำกว่านั่นเอง

ดัชนีหักเหแสงของเลนส์แว่นตาจะเริ่มต้นที่ 1.5 สำหรับเลนส์ที่ใช้กันทั่วไปและสามารถขึ้นไปสูงสุดในปัจจุบันได้ถึง 1.76(พลาสติก) และ 1.9(กระจก)

ความยาวคลื่นของรังสี UV

ความยาวคลื่นของรังสีรังสีอัลตราไวโอเลตหรือที่มักเรียกย่อว่ารังสียูวี (Wavelengths of UV radiation) แบ่งเป็นช่วงได้ดังนี้
รังสี UV-A มีความยาวคลื่น 315 นาโนเมตร ถึง 400 นาโนเมตร
รังสี UV-B มีความยาวคลื่น 280 นาโนเมตร ถึง 315 นาโนเมตร
รังสี UV-C มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 280 นาโนเมตร

รังสี UV-A เป็นรังสีที่มีอันตรายไม่มากมีประโยชน์ในการสังเคราะห์วิตามินดี แต่หากมากเกินไป จะทำให้ผิวหนังหยาบกร้าน ยับยั้งระบบภูมิคุ้มกันร่างกาย ทำให้ผิวหนังแดงและเกิดโรคเกี่ยวกับตา UV-A ไม่ทำลายสิ่งมีชีวิตและส่องถึงพื้นโลกเกือบ 100%

รังสี UV-B เป็นรังสีที่มีผลในการสร้างวิตามินดีในช่วงระยะสั้น แต่เป็นรังสี UV ที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตเช่น ทำให้ผิวหนังแดงไหม้เกรียม, ยับยั้งระบบภูมิคุ้มกันร่างกาย, ทำลาย DNA และก่อให้เกิดมะเร็งผิวหนัง, โรคภูมิแพ้, ผิวหนังเหี่ยวย่น และโรคเกี่ยวกับตา UV-B ถูกดูดกลืนจากชั้นโอโซนและออกซิเจน โดยเข้าถึงพื้นโลกประมาณ 10% แต่ถ้าโอโซนและออกซิเจนถูกทำลายมากขึ้นรังสี UV-B ก็จะเข้าถึงพื้นโลกมากขึ้นก็ยิ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตมากขึ้นเช่นกัน

รังสี UV-C เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต หาก UV-C เข้ามาถึงพื้นโลกก็ไม่เกิดสิ่งมีชีวิต แต่โชคดีที่ UV-C ถูกดูดกลืนทั้งหมดจากชั้นโอโซนและออกซิเจนในอากาศ

ดังนั้นจะเห็นได้ว่า รังสี UV มีประโยชน์ในกระบวนการทางชีววิทยา แต่รังสี UV ก็เป็นอันตรายขั้นรุนแรงหากได้รับรังสี UV มากเกินไปโดยเฉพาะ ผิวหนังและดวงตา

การได้รับรังสี UV มากเกินไปอาจเป็นอันตรายต่อ ผิวเนื้อเยื่อ กระจกตา และโครงสร้างเลนส์ตา
โดยการที่ดวงตาสัมผัสแสงแดดซึ่งมีรังสี UV เป็นระยะเวลานาน จะเป็นผลทำให้เลนส์ตา เป็นต้อกระจก, กระจกตาอักเสบ, ภาวะที่มีการเสื่อมของเยื่อตาขาว, ต้อลม, ต้อเนื้อ, พยาธิสภาพของกระจกตา และรอบๆ บริเวณหนังตาอาจเกิดเป็นมะเร็งผิวหนัง

ประเทศไทยได้มีการตรวจวัดรังสี UV ซึ่งผลการตรวจพบว่าประเทศไทยมีความเข้มข้นขอรังสี UV ในอัตรา UV Index วัดได้ระดับ 11 ส่วนประเทศในเขตอบอุ่นมีระดับ UV Index เพียงระดับ 3 ถึง 5 เท่านั้น UV Index ระดับ 9 เป็นระดับที่ถือว่าสูงกว่ามาตรฐาน

ซึ่งในภาคใต้ของประเทศไทยบางเวลาสามารถวัด UV Index สูงถึงระดับ 13 ประเทศไทยจึงถือว่ามีระดับของรังสี UV สูงกว่ามาตรฐานมาก เราจึงควรหลีกเลี่ยงหรือหาวิธีป้องกัน โดยเรตินาของเด็กสามารถป้องกันรังสี UVได้น้อยกว่าผู้ใหญ่

รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet)

รังสีอัลตราไวโอเลต หรือ รังสียูวี (Ultraviolet) หรือในชื่อภาษาไทยว่า รังสีเหนือม่วง เป็นช่วงหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงที่มองเห็น แต่ยาวกว่ารังสีเอกซ์อย่างอ่อน มีความยาวคลื่นในช่วง 400-10 นาโนเมตร และมีพลังงานในช่วง 3-124 eV
มันได้ชื่อดังกล่าวเนื่องจากสเปกตรัมของมันประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงกว่าคลื่นที่มนุษย์มองเห็นเป็นสีม่วง

การค้นพบ
หลังจากที่รังสีอินฟราเรดถูกค้นพบ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ โยฮันน์ วิลเฮล์ม ริตเตอร์ (Johann Wilhelm Ritter) ได้ทดลองค้นหารังสีที่อยู่ตรงข้ามกับรังสีอินฟราเรด นั่นคือ รังสีอินฟราเรดมีความยาวคลื่นยาวกว่าแสงสีแดง แต่ริตเตอร์ต้องการจะหารังสีชนิดหนึ่งที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าสีม่วง เขาได้ใช้กระดาษอาบซิลเวอร์คลอไรด์วางไว้กลางแดด พบว่ากระดาษนั้นเปลี่ยนเป็นสีดำ ริตเตอร์เรียกรังสีนี้ว่า deoxidizing rays ต่อมาก็เปลี่ยนชื่อเป็นยูวีดังเช่นในปัจจุบัน

ประโยชน์ของรังสีอัลตราไวโอเลตนั้นมีมาก ดังจะได้กล่าวคร่าว ๆ ต่อไปนี้

• แบล็กไลต์ (black light) เป็นหลอดที่เปล่งรังสียูวีคลื่นยาว มีสีม่วงดำ ใช้ตรวจเอกสารสำคัญ เช่น ธนบัตร, หนังสือเดินทาง, บัตรเครดิต ฯลฯ ว่าเป็นของจริงหรือปลอม หลายประเทศได้ผลิตลายน้ำที่ไม่สามารถมองเห็นได้ในรังสีชนิดนี้ นอกจากนี้ แบล็กไลต์ยังสามารถใช้ล่อแมลงให้มาติดกับ เพื่อที่จะกำจัดภายหลังได้
• หลอดฟลูออเรสเซนต์ หรือหลอดเรืองแสง ใช้หลักการผลิตรังสีอัลตราไวโอเลต โดยการทำให้ไอปรอทแตกตัว รังสีที่ได้จะไปกระทบสารเรืองแสงให้เปล่งแสงออกมา
• ดาราศาสตร์ โดยปกติแล้ววัตถุที่ร้อนมากจะเปล่งยูวีออกมา เราจึงสามารถศึกษาวัตถุท้องฟ้าได้โดยผ่านทางยูวี ทว่าต้องไปปฏิบัติในอวกาศ เพราะยูวีส่วนมากถูกโอโซนดูดซับไว้หมด
• การวิเคราะห์แร่ โดยรังสีอัลตราไวโอเลตสามารถใช้ตรวจวิเคราะห์แร่ได้ แม้ว่าจะดูเหมือนกันภายใต้แสงที่มองเห็น แต่เมื่อผ่านยูวีแล้วก็จะเห็นความแตกต่างได้
• ฆ่าเชื้อโรค โดยเฉพาะในน้ำดื่ม และยังสามารถนำไปฆ่าเชื้อในเครื่องมือ หรืออาหารได้ด้วย

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave)

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) คือ คลื่นชนิดหนึ่งที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง โดยอาศัยการเหนี่ยวนำกันระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าซึ่งเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ทิศของสนามทั้งสองตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่

จากการศึกษายังพบว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงความถี่ต่างๆ มีลักษณะเฉพาะตัว จึงมีชื่อเรียกต่างกัน เมื่อเรียงลำดับจากความถี่ต่ำไปความถี่สูงจะได้ดังนี้ คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกช่วงที่มีความถี่ที่ต่อเนื่องกัน รวมเรียกว่า สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ( electromagnetic spectrum )

สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หมายถึง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความต่อเนื่องกันตั้งแต่ความถี่ต่ำสุด ถึง ความถี่สูงสุด จะพบว่าสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีชื่อเรียกต่างๆกันตามแหล่งกำเนิดและวิธีการตรวจวัด แต่มีคุณสมบัติที่เหมือนกัน คือ
1. คุณสมบัติการสะท้อน การหักเห การแทรกสอด การเลี้ยวเบน และมีสมบัติเป็นโพราไรเซชัน
2. มีความเร็วเท่ากับความเร็วแสง คือ 3 x 108 m/s
3. มีพลังงานส่งผ่านไปพร้อมๆกับคลื่น ซึ่งพลังงานนี้จะขึ้นอยู่กับความถี่ และความยาว คลื่นโดยพิจารณาในรูปพลังงานโฟตอน

คุณสมบัติโคฮีเรนต์ (Coherent) ของแสงเลเซอร์

แสงเลเซอร์เกิดขึ้นได้จากการเปล่งแสงแบบถูกเร้า (Stimulated Emission) โดยที่โฟตอน (Photon) จะมีความเป็นระเบียบสูง เกิดเป็นคลื่นแสงมีลักษณะที่พร้อมเพรียงกัน และมีการขยายสัญญาณแสงด้วยแควิตี้แสง โฟตอนจึงมีจำนวนเพิ่มมากขึ้น โดยแสงมีความเข้มสูงและวิ่งในทิศทางที่แน่นอน ซึ่งเป็นแนวตั้งฉากกับกระจกที่ใช้ทำเป็นแควิตี้เท่านั้น ดังนั้นแสงเลเซอร์จึงมีคุณสมบัติที่สำคัญอยู่ 4 ประการ คือ

1. เป็นแสงสีเดียว (มีค่าความยาวคลื่นเดียว)
2. มีเฟสเดียวกัน (มีหน้าคลื่น)
3. มีทิศทางแน่นอน (เป็นลำแสง)
4. มีความเข้มสูง (จำนวนโฟตอนต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่สูง)
   

โดยคุณสมบัติทั้ง 4 นี้ถูกเรียกรวมกันว่า คุณสมบัติโคฮีเรนต์ (Coherent) ดังนั้นเลเซอร์จึงเป็นแหล่งกำเนิดแสงแบบโคฮีเรนต์ (Coherent Light Source) โดยจุดเด่นทั้ง 4 ข้อนี้มีส่วนสำคัญที่ทำให้แสงเลเซอร์เกิดประโยชน์ในด้านประยุกต์วิธีใช้งาน ซึ่งการที่แสงเลเซอร์มีค่าความยาวคลื่น (Wavelength) ที่มีความแน่นอนจึงทำให้เลเซอร์ถูกใช้เป็นมาตรฐาน สำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูงได้แก่ การเก็บบันทึกและอ่านข้อมูลในแผ่นซีดีและดีวีดี การผ่าตัดอวัยวะภายใน การประดิษฐุ์เครื่องมือวัดระยะทางและความเร็ว

การค้นพบแสงเลเซอร์

ซี.เอช. ทาวน์ส (C.H. Townes) เป็นผู้ที่คิดค้นเลเซอร์ โดยเขาได้เสนอทฤษฎีเลเซอร์ไว้ในปี ค.ศ. 1954 และต่อมาในปี ค.ศ. 1964 เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากทฤษฎีนี้

ทีโอดอร์ เอช ไมแมน (Theodore H.Maiman) นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน เป็นผู้ที่ประดิษฐ์แสงเลเซอร์ได้เป็นคนแรกของโลกและสามารถพิสูจน์ทฤษฎีเลเซอร์ของ C.H. Townes ได้สำเร็จ ด้วยการศึกษาค้นคว้าและวิจัยเกี่ยวกับแสงเลเซอร์ขึ้นที่สถาบันวิจัย ฮิวจ์ (Hughes Research Laboratories) โดยการสร้่างอุปกรณ์ให้กำเนิด "เลเซอร์ทับทิม (Ruby Laser)" ซึ่งเป็นของแข็ง ในปี ค.ศ.1960 โดยการใช้ท่อแสงอิเล็กทรอนิกส์ขดรอบผลึกทับทิมซึ่งถูกสังเคราะห์ขึ้นจากการผสมอลูมิเนียมกับโครเมียมอ๊อกไซด์ ซึ่งอะตอมโครเมี่ยมในแท่งทับทิมจะถูกกระตุ้นให้ปล่อยแสงเลเซอร์ออกมาตามท่อลำแสงเป็นระยะ เร่งให้ อะตอมโครเมี่ยมเปลี่ยนจากสภาวะพลังงานต่ำไปสู่ระดับพลังงานสูง ซึ่งภายในเวลาเพียง 1 ใน 2,000-3,000 ของวินาที แล้วอะตอมโครเมี่ยมก็จะกลับเข้าสู่สภาวะปกติ โดยในขณะเดียวกันก็จะปล่อยพลังงานที่เรียกว่า "โฟตอน" ออกมาด้วย เมื่อโฟตอนที่ถูกปล่อยออกมาไปกระทบกับอะตอมของโครเมียม ก็จะทำให้โครเมี่ยมปล่อยโฟตอนที่เหมือนกันออกมาอีก และมีการเคลื่อนที่เป็นคู่ในทิศทางเดียวกัน กลายเป็นลำแสงที่สะท้อนไปมาระหว่างกระจกที่ปลายแต่ละข้างของแท่งทับทิม ซึ่งหากพุ่งผ่านกระจกที่ถูกฉาบปรอทไว้ครึ่งหนึ่ง จะเกิดเป็นลำแสงสีแดงส่องออกมาจากปลายข้างหนึ่ง

จาแวน (Javan) เป็นผู้ประดิษฐ์เลเซอร์ที่ทำจาก ก๊าซฮีเลียม-นีออน ซึ่งถือว่าเป็นเลเซอร์แบบก๊าซ ได้เป็นผลสำเร็จในปีเดียวกันนั้นเอง หลังจากนั้นพัฒนาการด้านเทคโนโลยีเลเซอร์ก็มีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง และมีการผลิดเลเซอร์ชนิดต่างๆออกมามากมายซึ่งมีทั้งที่ทำจาก ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และจากสารกึ่งตัวนำจำพวกไดโอด

องค์ประกอบของระบบกำเนิดแสงเลเซอร์

ระบบกำเนิดแสงเลเซอร์โดยทั่วไปประกอบด้วยองค์ประกอบสำคัญ 3 ส่วนคือ

1. สารเลเซอร์ หรือ เลเซอร์มีเดียม (Laser Medium) เป็นสารหรือเนื้อวัสดุที่ใช้เป็นตัวกลางทำให้เกิดแสงเลเซอร์ ที่มีโครงสร้างอะตอมหรือโมเลกุลเหมาะสมกับการเกิดเลเซอร์ ตัวอย่างเช่น ผลึกทับทิม (Ruby Crystal) สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ฯลฯ
   
2. ระบบจ่ายกำลัง (Power Supply) เป็นระบบทางไฟฟ้าหรือทางแสง สำหรับกระตุ้นพลังงานให้แก่เนื้อวัสดุที่เป็นสารเลเซอร์ให้มีสภาพถูกกระตุ้น (Energy Pumping) เพื่อให้ปลดปล่อยแสงเลเซอร์
3. ระบบสะท้อนแสง หรือ ระบบออฟติคอล เรโซเนเตอร์ (Optical Resonator) เป็นระบบสะท้อนแสง เพื่อช่วยกระตุ้นการปลดปล่อยแสงเสเซอร์สำหรับขยายสัญญาณแสงให้มีความเข้มสูง

แสงเลเซอร์คืออะไร

แสงเลเซอร์คือ คลื่นแสงที่มีความถี่เป็นค่าเดียวกัน โดย LASER ย่อมาจาก “Light Amplification by Stimulated Emission Radiation” ซึ่งหมายถึง การขยายพลังแสงด้วยการกระตุ้นให้แผ่รังสี

โดยแสงเลเซอร์จะมีลักษณะพิเศษคือเป็นคลื่นแสงที่มีความถี่ค่าเดียว (Monochromatic Light) และมีความเป็นระเบียบสูง (Coherence) ส่งผลให้ให้คลื่นแสงเลเซอร์จะไม่เกิดการหักล้างกันเองและมีการเสริมกันอยู่ตลอดเวลาตามคุณสมบัติของคลื่น ทำให้เป็นลำแสงที่มีความเข้มสูงอย่างยิ่ง มีความพร้อมเพรียงสม่ำเสมอ และคงที่โดยแสงที่ปล่อยออกมาทั้งหมด จะมีความยาวคลื่น สี และจังหวะเป็นแบบเดียวกันหมด และถ้าแสงเลเซอร์อยู่ในสเป็กตรัมที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า (visible spectrum) ก็จะสามารถระบุช่วงของความยาวคลื่นได้ง่ายจากการดูสีของเลเซอร์ ซึ่งแสงเลเซอร์จะแตกต่างจากแสงธรรมดาที่เมื่อฉายแสงออกไปลำแสงจะบานกว้างออกเป็นลักษณะรูปกรวย โดยแสงเลเซอร์จะมีคุณสมบัติทั่วไปดังนี้

• การเบี่ยงเบนของลำแสงน้อย (low-divergence beam)
• เคลื่อนที่ในทิศทางที่แน่นอนและสามารถไปได้ไกลมาก
• มีความสว่างและเจิดจ้าสูง
• สามารถบีบให้ลำแสงมีขนาดที่เล็กลงได้มาก
• มีโพลาไรเซชันและความหนาแน่นของพลังงานสูง

ปีแสงคืออะไร

ปีแสง (Light-year) เป็นหน่วยของระยะทางที่กำหนดขึ้นมาใช้ในทางดาราศาสตร์ ซึ่งถูกใช้เพื่อวัดระยะทางระหว่างดาราจักรและไม่ใช่หน่วยวัดของเวลา โดย 1 ปีแสงหมายถึง ระยะทางที่แสงสามารถเดินทางได้ภายในเวลา 1 ปีซึ่งหนึ่งปีแสงมีค่าที่แน่นอนโดยใช้ตัวเลขปีจูเลียนเท่ากับ 365.25 วันมาคำนวณซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดของสหพันธ์ดาราศาสตร์สากล และในเวลา 1 วินาทีแสงสามารถเดินทางได้ 299,792.458 กิโลเมตร ดังนั้น 1 ปีแสงจึงมีระยะทางประมาณ 9,460,730,472,580.8 กิโลเมตร

แสงคืออะไร

แสงคือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic wave) ประเภทหนึ่ง ซึ่งอยู่ในช่วงความยาวคลื่นที่สายตามนุษย์มองเห็น หรือบางครั้งอาจรวมถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่รังสีอินฟราเรด (Infrared) ถึงรังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet) ด้วย

ความถี่ของคลื่นแสงที่แตกต่างกันนั้นขึ้นอยู่กับความเร็วในการสั่นสะเทือน ถ้าหากคลื่นแสงยิ่งมีความสั่นสะเทือนมากก็จะยิ่งมีความถี่มากแต่ความยาวคลื่นก็จะยิ่งน้อย โดยแสงที่เรามองเห็นได้นั้นเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ในระดับที่ดวงตาของมนุษย์สามารถมองเห็นได้ ซึ่งปกติแล้วแสงจะเคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยความเร็ว 299,792,458 เมตรต่อวินาที

จำแนกวัตถุตามการส่องผ่านของแสงได้ดังนี้

• วัตถุโปร่งใส คือวัตถุที่ยอมให้แสงส่องทะลุผ่านได้โดยง่าย
  
• วัตถุโปร่งแสง คือวัตถุที่ยอมให้แสงผ่านไปได้เพียงบางส่วน
  
• วัตถุทึบแสง คือวัตถุที่ไม่ยอมให้แสงผ่านไปได้เลย
  

สมบัติพื้นฐานของแสงได้แก่

• ความเข้ม (ความสว่างหรือแอมพลิจูด) ซึ่งปรากฏแก่สายตามนุษย์ในรูปความสว่างของแสง
• ความถี่ (หรือความยาวคลื่น) ซึ่งปรากฏแก่สายตามนุษย์ในรูปสีของแสง
• โพลาไรเซชัน (มุมการสั่นของคลื่น) ซึ่งโดยปกติมนุษย์ไม่สามารถรับรู้ได้