โฟตอนิกส์ (Photonics)

2023-02-24

โฟตอนิกส์ คือ เทคโนโลยีเกี่ยวกับแสงหรือโฟตอน ซึ่งหมายรวมถึง ทัศนศาสตร์หรือออปติกส์ (Optics) ที่มักจะเน้นไปที่คุณสมบัติของการหักเหและการสะท้อนของแสงขาวที่มองเห็นได้ เช่น แว่นตา แสงเงาภายในห้อง กล้องจุลทรรศน์ กล้องโทรทัศน์ ฯลฯ แต่แสงยังมีคุณสมบัติอื่นและมีย่านความถี่อื่นที่มองไม่เห็น เช่น คลื่นไมโครเวฟ อินฟราเรด อัลตร้าไวโอเลต เอ็กซเรย์ ซึ่งถูกนำไปประยุกต์อีกหลายอย่าง เช่น เลเซอร์ การสื่อสาร เซลล์แสงอาทิตย์ การวิเคราะห์สาร ฯลฯ

ตัวอย่างของการประยุกต์ใช้

• การส่องสว่าง เช่น หลอดไฟ หน้าจอ
• การสื่อสาร เช่น ใยแก้วนำแสง การเข้ารหัสสัญญาณ
• กระบวนการผลิต เช่น ไฟฟ้าจากโซล่าเซลล์ การตัดด้วยเลเซอร์
• การแพทย์ เช่น ภาพเอ็กซ์เรย์ กล้องจุลทรรศน์ การตัดด้วยเลเซอร์
• ศิลปะ เช่น การถ่ายภาพ การแสดงแสงสี
• สิ่งอำนวยความสะดวก เช่น ก๊อกน้ำอัตโนมัติ รถไร้คนขับ

การคิดค้นเกี่ยวกับโฟตอนิกส์

• 1609 กาลิเลโอ (Galileo) ประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ (Telescope) ส่องดวงจันทร์
• 1670 เลแวนฮุค (Leeuwenhoek) พัฒนากล้องจุลทรรศน์ (Microscope) ส่องเซลล์
• 1678 ฮอยเกนส์ (Huygens) เสนอหลักการของการแผ่ของคลื่น
• 1864 แมกซ์เวลล์ (Maxwell) เสนอสมการคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic wave)
• 1895 มาร์โคนี (Marconi) ประดิษฐ์เครื่องมือสื่อสารวิทยุไร้สาย (Wireless radio communication)
• 1905 พลังค์ (Planck) และไอน์สไตน์ (Einstein) เสนอว่าแสงเป็นอนุภาคโฟตอน (Photon)
• 1947 บาร์ดีน,แบรทเทน,ชอคเลย์ (Bardeen, Brattain, Shockley) ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ (Transistor)
• 1948 กาบอร์ (Gabor) เสนอการทำโฮโลแกรม (Hologram) ด้วยอิเล็กตรอน ก่อนจะถูกใช้กับแสงเมื่อเลเซอร์ถูกพัฒนาขึ้น
• 1960 เมแมน (Maiman) ประดิษฐ์เลเซอร์ (Laser) จากผลึกทับทิม (Ruby crystal)
• 1962 ฮอล (Hall) ประดิษฐ์เลเซอร์ไดโอด (Laser Diode) จากแกลเลียมอาร์เซไนด์ (Gallium Arsenide)
• 1965 เกา (Kao) เสนอการใช้ใยแก้วนำแสง (Optical fiber) เป็นตัวกลางในการสื่อสาร
• 1969 บอยล์และสมิท (Boyle, Smith) พัฒนาตัวรับแสงซีซีดี (CCD: Charge Coupled Device) ซึ่งเป็นรากฐานของกล้องดิจิตอล
• 1971 บริษัทอินเทล (Intel) ประดิษฐ์ชิปประมวลผล (Microprocessor)
• 1980 บริษัทเอ็มซีเอ (MCA) และบริษัทฟิลลิปส์ (Philips) พัฒนาแผ่นซีดี (CD: Compact Disc)
• 1988 ใยแก้วนำแสง TAT-8 ถูกใช้สื่อสารข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก (Trans-atlantic) เป็นครั้งแรกด้วยอัตรา 280 Mbps
• 1993 นากามูระ,อากาซากิ,อามาโนะ (Nakamura, Akasaki, Amano) ประดิษฐ์แอลอีดีสีฟ้า (Blue LED) ที่มีประสิทธิภาพ
• 2001 ใยแก้วนำแสง TAT-14 ถูกใช้สื่อสารข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก (Trans-atlantic) ด้วยอัตรา 3.2 Tbps
• 2005 การแข่งขันรถยนต์ไร้คนขับครั้งที่สองของดาร์ป้า (Driverless car DARPA grand challenge) โดยมีการใช้ไลดาร์ (LIDAR) กลายเป็นอุปกรณ์ที่นิยมในปัจจุบัน
• 2008 บริษัทโนเกีย (Nokia) พัฒนาโทรศัพท์มือถือที่ใช้จอโอแอลอีดี (OLED)
• 2012 อเล็กซ์ (Alex Krizhevsky) พัฒนาการเขียนรู้เชิงลึก (Deep learning) ให้สามารถแยกแยะรูปทั่วไปในอิมเมจเน็ต (ImageNet) ได้

อุปกรณ์ทางแสง

อุปกรณ์ทางแสงแบ่งเป็น 3 ประเภทหลัก ได้แก่ แหล่งกำเนิด สื่อ และตัวรับ

แหล่งกำเนิดแสง (Source) แบ่งเป็น 2 กลุ่มหลัก คือ

• ที่มาจากความร้อน (Incandescence) เช่น
  • เปลวไฟ: การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง เช่น น้ำมัน, เทียน, แก๊สหุ้งต้ม, ถ่าน
  • หลอดทังสเตน: ลวดทังสเตนซึ่งร้อนจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน
  • ดวงอาทิตย์: ปฏิกิริยานิวเคลียร์หลอมรวมภายในดาวฤกษ์ทำให้ก๊าซร้อนจนเปล่งแสงออกมา
• ที่ไม่ได้มาจากความร้อน (Luminescence) เช่น
  • ประกายไฟฟ้าหรืออาร์ค (Electric arc): เช่น หลอดโซเดียมสีเหลือง หรือ หลอดฟลูออเรสเซนต์ซึ่งภายในมีไอปรอท
  • หลอดไฟแอลอีดี (LED: Light Emitting Diode): รอยต่อของสารกึ่งตัวนำหลายชนิดเปล่งแสงเมื่อมีกระแสไหลผ่าน เช่น GaAs, AlGaAs, GaN, Alq₃, Ir(ppy)₃
  • เลเซอร์ (Laser): เป็นการเพิ่มแสงด้วยการเปล่งแสงจากการเร้า ทำให้ได้แสงโคฮีเรนต์ (Coherence) มีคุณสมบัติความเข้มสูง,ทิศทางแคบ,ช่วงความยาวคลื่นแคบ
  • การวาวแสงหรือฟลูออเรสเซนต์ (Fluorescence): เป็นการเปลี่ยนความยาวคลื่นของแสงในช่วงนาโนวินาที เช่น สารเคลือบบนหลอดฟลูออเรสเซต์หรือหลอดแอลอีดีบางชนิด
  • การเรืองแสงหรือฟอสฟอเรสเซนต์ (Phosphorescence): เป็นการเปลี่ยนความยาวคลื่นของแสงซึ่งยาวกว่าไมโครวินาที วัสดุบางชนิดเรืองแสงได้นานหลายชั่วโมง เช่น ZnS, SrAl₂O₄

แสงสามารถเดินทางในสุญญากาศได้โดยไม่ต้องใช้สื่อ (Medium) แต่สื่อทำให้เราสามารถควบคุมทิศทางและคุณสมบัติของแสง ซึ่งมีหลายชนิด เช่น

• เลนส์และกระจก (Lens and mirror) เป็นอุปกรณ์พื้นฐานทางแสง ทำหน้าที่เปลี่ยนทิศทางของแสงโดยการหักเหและการสะท้อน
• เกรตติ้ง (Grating), ปริซึม (Prism), ฟิลเตอร์ (Filter) และอุปกรณ์อีกหลายชนิด สามารถแยกความยาวคลื่นของแสงได้
• โพลาไรเซอร์ (Polarizer) เป็นอุปกรณ์ที่ยอมให้โพลาไรซ์เดียวของแสงผ่าน
• เวฟเพลต (Wave plate) หรือวัสดุสองดัชนีหักเห (Birefringence) เป็นอุปกรณ์ที่ดัชนีหักเหของแต่ละโพลาไรเซชันต่างกัน แสงที่ผ่านจึงมีเฟสต่างกัน
• ใยแก้วนำแสง (Optical fiber) เป็นอุปกรณ์สะท้อนแสงที่มีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่น ทำให้แสงโค้งไปตามใยแก้วได้
• ตัวกระเจิงแสง (Diffuser) เป็นคุณสมบัติของวัสดุทั่วไป ซึ่งสะท้อนแสงไปในทิศทางอื่นที่แตกต่างจากมุมตกกระทบ
• ตัวขยายสัญญาณ (Amplifier) ทำหน้าที่เพิ่มความเข้มแสงโดยพยายามคุณสมบัติเดิมไว้ เป็นอุปกรณ์ที่สำคัญที่ทำให้การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงส่งได้ไกลขึ้น
• ตัวเข้ารหัสสัญญาณ (Modulator) ทำหน้าที่เปลี่ยนความเข้มหรือเฟสของแสงเพื่อส่งหรือรับข้อมูล

ตัวรับแสง (Detector) แบ่งออกเป็น 2 กลุ่ม คือ รับพลังงานหรือรับสัญญาณ

• การรับพลังงานแสง วัสดุส่วนใหญ่จะดูดกลืนแสงบางส่วนเปลี่ยนเป็นความร้อน แต่บางชนิดก็สามารถเก็บเป็นพลังงานรูปอื่นได้ เช่น คลอโรฟีลในพืชเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นเคมี หรือ โซล่าเซลล์เปลี่ยนพลังงานแสงเป็นไฟฟ้า
• การรับสัญญาณแสง มักจะได้รับพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งอื่น เพื่อให้เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของแสงเพียงเล็กน้อย เช่น โรดอปสินในตา, โฟโตไดโอดในเซนเซอร์ทั่วไป, ซีซีดีในกล้องดิจิตอลช่วง 1990-2010, ซีมอสในกล้องดิจิตอลช่วง 2000-ปัจจุบัน