โครงการวิจัยการศึกษากลไกพื้นฐานของเลเซอร์นาโนย่านอินฟราเรดและเทร่าเฮริตซ์ เพื่อการประยุกต์ใช้สำหรับความมั่นคง

1 ตุลาคม 2562

 

1. บทนำ

 

       ด้วยปัจจุบันภัยคุกคามจากการก่อการร้ายภายในประเทศได้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องโดยเฉพาะพื้นที่ในเขตภาคใต้  ภัยคุกคามดังกล่าว ยกตัวอย่างเช่น ระเบิดแสวงเครื่อง ระเบิดที่ซุกซ่อนในยานพาหนะ สารวัตถุระเบิด เป็นต้น ส่งผลให้เกิดความสูญเสียชีวิตต่อเจ้าหน้าที่ปฏิบัติงานในพื้นที่ตลอดจนพลเรือนที่เกี่ยวข้อง สาเหตุสำคัญในการสูญเสิยเกิดจากการขาดแคลนเทคโนโลยีที่สามารถตรวจจับวัตถุระเบิดจากระยะไกลในระดับหลายร้อยเมตรได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นการวิจัยและพัฒนาเทคนิคในการตรวจจับวัตถุระเบิดจากระยะไกลจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง เทคนิคดังกล่าวต้องเป็นเทคนิคที่มีความไวสูงและมีความเฉพาะเจาะจงสูงต่อชนิดของสารระเบิด ซึ่งต้องสามารถตรวจจับวัตถุระเบิดได้ในระยะที่พ้นจากรัศมีอันตรายหากมีการจุดระเบิดเกิดขึ้น และที่สำคัญจะต้องค้นหาได้อย่างรวดเร็วเพื่อให้สอดคล้องกับความเร็วของยานพาหนะที่ติดตั้งอุปกรณ์ตรวจจับนี้ เพื่อให้เจ้าหน้าที่มีเวลาเพียงพอในการหลบเลี่ยงวัตถุระเบิด นอกจากนี้อุปกรณ์ตรวจวัดต้องมีขนาดและน้ำหนักที่พกพาได้ มีความน่าเชื่อถือ และมีราคาไม่แพงมากนัก เพื่อให้สามารถผลิตได้เป็นปริมาณมากเพียงพอต่อความต้องการเจ้าหน้าที่หรือหน่วยงานต่างๆ ซึ่งหากสามารถพัฒนาเทคโนโลยีดังกล่าวขึ้นมาได้จะเป็นประโยชน์อย่างมหาศาลต่อความปลอดภัยและความมั่นคงของประเทศ โดยสามารถนำมาประยุกต์ใช้งานทั้งในเชิงรับ เป็นอุปกรณ์เฝ้าระวัง เช่น การตรวจจับวัตถุต้องสงสัยในจุดเสี่ยงต่างๆ อาทิ บนถนน ลานจอดรถ สนามบิน ฯลฯ หรืออาจสามารถพัฒนาต่อยอดเทคโนโลยีเพื่อใช้ในเชิงรุกเพื่อความมั่นคงของประเทศในด้านต่างๆต่อไป จากปัจจัยดังกล่าวจึงเป็นที่มาของโครงการวิจัยนี้ สามารถแบ่งองค์ประกอบเป็นสามองค์ประกอบที่สอดคล้องกับวัตถุประสงค์หลักของการวิจัยฟิสิกส์พื้นฐานทั้งทางด้านการทดลอง และทางทฤษฏีเพื่อสร้างและพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อการประยุกต์ใช้สำหรับความมั่นคงในภูมิภาคและประเทศ องค์ประกอบดังกล่าวคือ (1) การสร้างแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่มีความถี่ในย่านอินฟราเรด (2) การตรวจจับโมเลกุลซึ่งเลือกศึกษาเทคนิครามานสเปกโตรสโกปี (Raman spectroscopy) และ (3) การศึกษาเทคนิคใหม่เพื่อพัฒนาความแม่นยำของการตรวจวัดสัญญาณรามานโดยการประยุกต์ใช้มาตรวิทยาควอนตัม (quantum metrology)

 

       ทั้งนี้โครงการวิจัยการศึกษากลไลพื้นฐานของเลเซอร์นาโนย่านอินฟราเรดและเทร่าเฮริตซ์เพื่อการประยุกต์ใช้สำหรับความมั่นคงได้ดำเนินงานตั้งแต่วันที่ 16 มีนาคม 2560 ถึงวันที่ 15 มีนาคม 2563 โดยตลอดระยะเวลา จวบจน ณ ปัจจุบันมีความคืบหน้าของโครงการวิจัยดังนี้

 

2. การสร้างแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่มีความถี่ในย่านอินฟราเรด

 

       คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านอินฟราเรดความยาวคลื่นระหว่าง 750 นาโนเมตรถึง 1 มิลลิเมตร สามารถแบ่งพิสัยออกเป็นสามช่วงหลักคือ ย่านใกล้อินฟราเรด (ความยาวคลื่นระหว่าง 750 ถึง 1,400 นาโนเมตร) ย่านอินฟราเรดช่วงกลาง (ความยาวคลื่นระหว่าง 3,000 ถึง 8,000 นาโนเมตร) และย่านอินฟราเรดช่วงไกลหรือย่านความถี่เทราเฮิรตซ์ (ความยาวคลื่นระหว่าง 15 ไมโครเมตรถึง 1 มิลลิเมตร) ย่านอินฟราเรดทั้งสามย่านมีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ต่างๆกัน กล่าวคือ ย่านอินฟราเรดช่วงใกล้มีแถบดูดกลืนโมเลกุลของแก๊สมีพิษต่างๆในบรรยากาศ  ดังนั้นจึงสามารถใช้เลเซอร์และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ให้สเปกตรัมในย่านนี้ในการตรวจเฝ้าระวังมลพิษทางอากาศได้ ย่านอินฟราเรดช่วงกลางมีส่วนแถบความยาวคลื่นบางช่วงที่ส่งผ่านได้ในชั้นบรรยากาศจึงสามารถนำไปพัฒนาตัวค้นหาจรวด วัตถุระเบิด และย่านความถี่เทร่าเฮริตซ์ที่สามารถทะลุผ่านวัตถุอโลหะ เช่น หีบห่อบรรจุภัณฑ์หรือสิ่งปกคลุมที่เป็นพลาสติก ไม้ เสื้อผ้าอาภรณ์โดยไม่ทำลายเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตที่อยู่ภายใต้สิ่งปกคลุมนั้นๆ จึงสามารถนำมาใช้ประโยชน์ในด้านการตรวจจับสารวัตถุระเบิดภายใต้สิ่งปกคลุมดังกล่าว  ด้วยคุณสมบัติพิเศษของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าย่านอินฟราเรดโดยเฉพาะในย่านความถี่เทราเฮิรตซ์ ทำให้ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมาได้มีงานวิจัยที่เกี่ยวกับการพัฒนาประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ให้สเปกตรัมในย่านอินฟราเรดช่วงกลางและเทราเฮิรตซ์ตีพิมพ์ออกมาอย่างต่อเนื่อง โดยผลงานตีพิมพ์ที่ได้มีการเผยแพร่มีสาระสำคัญ ยกตัวอย่างเช่น การออกแบบของวัตถุนาโนบ่อควอนตัมเกิดจากรอยต่อของคู่สารกึ่งตัวนำต่างชนิด หรือที่เรียกว่าวัตถุรอยต่อเฮเทโร (heterostructure)  ของสารประกอบสารกึ่งตัวนำในหมู่ที่ 3 และหมู่ที่ 5 ของตารางธาตุที่เอื้อกับสภาวะการกลับของประชากร (inversion population) ของพาหะนำไฟฟ้าระหว่างชั้นพลังงานกระตุ้นในบ่อศักย์ควอนตัมภายใต้การกระตุ้นด้วยสนามไฟฟ้าหรือเลเซอร์ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัด เช่น เลเซอร์นาโนบ่อศักย์ควอนตัมแบบแคสเคด (Quantum Cascade Laser) ที่สร้างจากวัตถุรอยต่อเฮเทโร GaAs/AlxGa1-xAs ในระยะแรกของงานวิจัยหัวข้อนี้เป็นการวิจัยทางด้านการทดลองและทฤษฎีคู่ขนานกันไป โดยการวิจัยทางการทดลองนั้นทางโครงการฯได้จัดตั้งชุดการทดลองโฟโตลูมิเนสเซนส์ (Photoluminescence experimental setup) ดังรูปที่ 1 ขึ้นเป็นครั้งแรก โดยการทดลองมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาแสงที่กระเจิงออกจากวัตถุนาโนบ่อควอนตัมประเภทต่างๆ เพื่อนำไปพัฒนาเป็นแหล่งกำเนิดแสงในย่านอินฟราเรดทุกๆย่านความถี่ในช่วงอุณหภูมิ 77 K ถึง 300 K

 

 

รูปที่ 1 การทดลองโฟโตลูมิเนสเซนส์ในช่วงอุณหภูมิ 77-300 เคลวินของวัตถุนาโนบ่อควอนตัมประเภทต่างๆ

 

       สำหรับการวิจัยทางด้านทฤษฎีนั้น ในหัวข้อการวิจัยนี้ใช้โปรแกรมจำลองสร้างวัตถุนาโนบ่อควอนตัมชนิด GaAs/Al0.3Ga0.7As ที่มีแผ่น AlAs อยู่ภายในบ่อศักย์ควอนตัม เพื่อศึกษาการปลดปล่อยแสงในย่านความถี่เทราเฮิรตซ์ภายใต้การเลื่อนที่ของอิเล็กตรอนระหว่างชั้นพลังงานย่อยในบ่อศักย์ควอนตัม โดยโปรแกรมที่ใช้ในการจำลองคือโปรแกรม Nextnanomat (www.nextnanomat.com) ผลสัมฤทธิ์ของการวิจัยด้านทฤษฏีนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติ Physica B:Condensed Matter Physics ดังรูปที่ 2

 

 

รูปที่ 2 ผลงานตีพิมพ์ในวารสาร Physica B: Condensed Matter Physics ฉบับที่ 534 ปีพ.ศ. 2561 หน้า 169-172.

 

       นอกจากนี้แล้วในช่วงระยะเวลาดำเนินงานของโครงการฯในปีที่ 2 คาบเกี่ยวในปีที่ 3 ทางโครงการฯ ได้สร้างความเข้มแข็งเชิงรุกทางด้านการวิจัยอย่างเป็นรูปธรรมด้วยการสร้างความร่วมมือกับห้องปฏิบัติการวิจัย Nonequilibrium Electrons Optics Laboratory, Department of Semiconductor Physics and Nanoelectronics, Institute of Physics, Nanoelectronics and Telecommunications แห่ง Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University กรุง Saint Petersburg ประเทศรัสเซีย และ Saint Petersburg National Research Academic University of the Russian Academy of Sciences โดยมีวัตถุประสงค์ความร่วมมือในด้านเทคโนโลยีการสร้างวัตถุนาโนบ่อควอนตัมประเภทต่างๆที่ไม่มีในประเทศไทยตลอดจนการแลกเปลี่ยนนักศึกษาและบุคคลากร ทั้งนี้ทางโครงการฯได้ร่วมสังเกตการณ์เครื่อง Molecular Beam Epitaxy (MBE) ณ ห้องปฏิบัติการนาโนอิเล็กทรอนิกส์ ประเทศรัสเซีย และ Saint Petersburg National Research Academic University of the Russian Academy of Sciences ดังรูปที่ 3

 

 

รูปที่ 3 ร่วมสังเกตการณ์เครื่อง Molecular Beam Epitaxy (MBE) ณ ห้องปฏิบัติการนาโนอิเล็กทรอนิกส์ ประเทศรัสเซีย และ Saint Petersburg National Research Academic University of the Russian Academy of Sciences

       

       ในขณะที่องค์ประกอบการวิจัยการสร้างแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่มีความถี่ในย่านอินฟราเรดได้ดำเนินไปนั้น  ทางโครงการฯก็ได้ดำเนินการหัวข้อองค์ประกอบการวิจัยการตรวจจับโมเลกุลซึ่งเลือกศึกษาเทคนิครามานสเปกโตรสโกปี (Raman spectroscopy) ควบคู่กันไปด้วย

 

3. การตรวจวัดสารเคมีจากระยะไกลด้วยเทคนิครามานสเปกโตรสโกปี   

 

       ระบบสำหรับการตรวจวัดชนิดของสารเคมีจากระยะไกลประกอบด้วยแหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบห้วงเพื่อใช้ในการกระตุ้นเป้าหมาย อุปกรณ์ออปติกเพื่อรวบรวมแสงกระเจิงจากระยะไกล และการตรวจวัดสเปกตรัมของแสงที่มีความเข้มต่ำมาก โดยงานวิจัยมีทั้งส่วนที่เป็นแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์และส่วนการทดลองจริง

 

 

รูปที่ 4 (ซ้าย) โครงสร้าง axicon doublet (ขวา)  ลำแสงแบบ (a) Bessel-Gaussian ที่ไม่บานออกในระยะทางประมาณ 2 กิโลเมตร และลำแสงธรรมดาแบบ (b) Gaussian ที่มีการบานออกและมีความเข้มน้อยกว่า

 

       3.1 แบบจำลอง COMSOL Multiphysics เพื่อการสร้างลำแสงเลเซอร์ที่ไม่บานออก

 

       งานวิจัยในส่วนนี้เป็นการออกแบบระบบส่งลำแสงและการเปลี่ยนโปรไฟล์ลำแสงเพื่อลดการสูญเสียความเข้มแสงเมื่อเดินทางเป็นระยะทางไกล โดยจำเป็นต้องสร้างลำแสงที่ไม่มีการเลี้ยวเบนหรือมีการเลี้ยวเบนน้อยที่สุดในทางปฏิบัติ โดยเริ่มต้นจากการสร้างแบบจำลองเพื่อศึกษาการเดินทางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านตัวกลางที่ออกแบบไว้โดยใช้โปรแกรม COMSOL Multiphysics ร่วมกับโมดูล Wave Optics: Beam envelope method และระเบียบวิธี finite element frequency domain เพื่อแก้ Maxwell equations โดยในการคำนวณได้มีการใช้ beam envelop approximation เพื่อการคำนวณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับโดเมนที่มีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น ซึ่งไม่กินทรัพยากรการคำนวณสูงเกินไป และแบบจำลองนี้ถูกใช้เพื่อออกแบบระบบส่งลำแสงเลเซอร์ในระยะไกลที่ยังคงมีความเข้มสูง โดยจำเป็นต้องหาเงื่อนไขในการสร้างแสงเลเซอร์ที่ไม่บานออก (divergence-free beam) ในระยะทางระดับกิโลเมตร โดยใช้โครงสร้างทาง

 

       ออปติกที่เรียกว่า axicon doublet ซึ่งประกอบด้วย pano-convex axicon และ pano-concave axicon คั่นด้วยชั้น optical spacer ที่มีการเลือกดรรชนีหักเหแสงให้เหมาะสม ดังแสดงในรูปที่ 4 (ซ้าย) เพื่อสร้างลำแสงแบบ Bessel-Gaussian  ขึ้นจากลำแสงเลเซอร์ธรรมดาที่เป็นแบบ Gaussian ที่จะบานออกตามระยะทาง โดยพบว่าแสงที่สร้างจาก axicon doublet ทำให้เกิด wave vector ในทิศพุ่งเข้าในแนวรัศมีด้วย ซึ่งหากปรับเงื่อนไขให้เหมาะสมสามารถใช้ชดเชยการบานออกของลำแสงได้ ผลการคำนวณที่เปรียบเทียบให้เห็นว่าลำแสงแบบ Bessel-Gaussian บานออกน้อยมากในระยะ 2 กิโลเมตร ซึ่งทำให้มีความเข้มของลำแสงสูงกว่าเลเซอร์ทั่วไปที่มีลำแสงแบบ Gaussian ซึ่งแสงเลเซอร์ความเข้มสูงมีความจำเป็นมากในการกระตุ้นกระบวนการทัศนศาสตร์ไม่เชิงเส้น (nonlinear optics) ของสารตัวอย่าง ซึ่งใช้เป็นพื้นฐานในการเพิ่มสัญญาณที่แรงพอที่สามารถตรวจวัดได้จากระยะไกล โดยการทดลองในภาคปฏิบัติเพื่อสร้างลำแสง Bessel-Gaussian กำลังอยู่ระหว่างดำเนินการ

 

 

รูปที่ 5 แสดงกลไกการเกิด random Raman lasing ในสารที่มีโครงสร้างแบบสุ่ม

 

       3.2 การศึกษาปรากฏการณ์ random Raman lasing เพื่อเพิ่มความเข้มของสัญญาณ

 

       การตรวจวัดและระบุชนิดชองโมเลกุลหรือสารเคมีโดยทั่วไปอาศัยกลไก spontaneous Raman scattering ซึ่งมีความจำเพาะเจาะจงสูงแต่มีประสิทธิภาพต่ำมากระดับ 10-10-10-8 ซึ่งทำให้การตรวจวัดสัญญาณรามานแทบเป็นไปไม่ได้เลยจากระยะไกล ดังนั้นจึงจำเป็นต้องอาศัยกลไกลการปลดปล่อยแสงรามานแบบเลเซอร์ที่เรียกว่า random Raman lasing (RRL) ซึ่งเป็นกระบวนการทางทัศนศาสตร์ไม่เชิงเส้น และเกิดขึ้นในตัวกลางที่มีโครงสร้างแบบสุ่ม โดยอาศัยกระบวนการ stimulated Raman scattering (SRS) เป็น กลไกเพิ่มพลังงานแสง (gain mechanism) และอาศัยการกระเจิงหลายครั้ง (multiple scattering) ในตัวกลางเพื่อเป็นตัวป้อนกลับพลังงานแสง (optical feedback) เพื่อใช้ในการกำเนิดแสงแบบเลเซอร์ โดยหลักการการเกิด RRL แสดงในรูปที่ 5 เมื่อแสงกระตุ้นตกกระทบสารเป้าหมายที่มีโครงสร้างแบบสุ่มหรือไม่เป็นระเบียบจะเกิดการกระเจิงแสงขึ้นได้สองแบบคือ Rayleigh (elastic) scattering และ spontaneous Raman scattering ซึ่งการกระเจิงของแสงกระตุ้นและแสงรามานอาจคู่ควบกันเกิดกระบวนการ SRS ซึ่งทำให้โฟตอนของแสงกระตุ้นเปลี่ยนเป็นโฟตอนของแสงรามานเพิ่มขึ้นมา ซึ่งเป็นการขยายสัญญาณรามานภายในโครงสร้างของสารเป้าหมาย    

 

 

รูปที่ 6 แสดงแผนภาพการทดลองเพื่อกำเนิด random Raman lasing

 

       โดยแผนภาพการทดลองเพื่อกระตุ้นให้เกิดการปลดปล่อย RRL แสดงดังรูปที่ 6 ซึ่งประกอบด้วยเลเซอร์พัลส์แบบนาโนวินาที โพลาไรเซอร์เพื่อใช้ปรับความเข้มของลำแสง ควอเตอร์เวฟเพลทเพื่อเปลี่ยนโพลาไรเซชันของแสงให้เปลี่ยนจากเชิงเส้นเป็นแบบวงกลม ฟิลเตอร์เพื่อกรองแสงที่ไม่ต้องการออก แสงเลเซอร์กระ   ตุ้นถูกบีบให้ลำเล็กลงและตกลงบนสารเป้าหมาย ในที่นี้เลือกใช้แบเรียมไนเตรต (barium nitrate) ในรูปผงเพื่อเป็นสารตัวอย่าง เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายสัญญาณรามานสูงและมีโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบ อีกทั้งสัญญาณรามานของสารดังกล่าวยังมีความคล้ายคลึงกับสารประกอบระเบิดหลายชนิด สัญญาณแสงที่กระเจิงออกมาถูกรวบรวมเข้าสู่สายไฟเบอร์ออปติกและตรวจวัดสเปกตรัมด้วยเครื่องสเปกโตรมิเตอร์

 

       จากการทดลองสามารถวัดสเปกตรัมของสารเป้าหมายได้อย่างค่อนข้างชัดเจน โดยตรงยอด (peak) ที่มีความเข้มสูงที่สุดคือที่ 1033.9 cm-1 ซึ่งเกี่ยวข้องกับหมู่ NO3-  ที่เป็นองค์ประกอบในโครงสร้าง ดังแสดงในรูปที่ 7 

 

 

รูปที่ 7 สเปกตรัมของสัญญาณ RRL ที่วัดจากสารเป้าหมาย

 

และหากศึกษาความเข้มของสัญญาณรามานที่  1033.9 cm-1 เทียบกับความเข้มของเลเซอร์กระตุ้นพบว่ามีความสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้นดังแสดงในรูปที่ 8 ซึ่งจะสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของสัญญาณรามานอย่างรวดเร็วเมื่อเลเซอร์กระตุ้นมีความเข้มเกินค่าขีดเริ่ม (threshold) ประมาณ 18 MW/cm2 ซึ่งเป็นจุดที่เริ่มเกิดการเปล่งแสงแบบ RRL และพบว่าประสิทธิภาพสูงสุดในการเกิดสัญญาณรามานจากการทดลองนี้คือ 4.25 x 10-4  

 

 

รูปที่ 8 ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มของสัญญาณรามานและความเข้มเลเซอร์กระตุ้นแสดงความเข้มขีดเริ่มในการเกิด random Raman lasing

 

       3.3 การทดลองวัดสัญญาณรามานจากระยะไกล

 

       ในการประกอบระบบรวบรวมสัญญาณกระเจิงแบบรามานและการวิเคราะห์สเปกตรัมเบื้องต้นมีไดอะแกรมดังแสดงในรูปที่ 9 ซึ่งประกอบด้วย กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงแบบ Schmidt Cassegrain แผ่น dichroic beamsplitter และระบบเลนส์  โดยแสงกระเจิงที่รวบรวมได้จะถูกโฟกัสเข้าสายไฟเบอร์ออปติกส์เพื่อนำแสงเข้าสู่เครื่องสเปกโตรมิเตอร์สำหรับการวิเคราะห์สเปกตรัมแสงกระเจิงเบื้องต้น ในขั้นตอนนี้ยังไม่ใช้ระบบ image intensifier หรือ synchronous fast gated detection เพื่อขยายสัญญาณและลดสัญญาณรบกวน สเปกตรัมแสงส่วนหนึ่งที่ไม่เกี่ยวข้องกับสัญญาณรามานจะถูก dichroic beamsplitter แยกออกไปเพื่อใช้ในการสร้าง image โดยใช้กล้อง CCD

 

 

รูปที่ 9 ระบบตรวจวัดสารเคมีจากระยะไกลโดยอาศัยกระบวนการ RRL

 

       จากการทดลองเพื่อกระตุ้นให้เกิด RRL สำหรับสารเป้าหมาย barium nitrate ที่อยู่ไกลออกไปประมาณ 10 เมตร พบว่าระดับของสัญญาณรามานซึ่งถูกขยายด้วยกระบวนการ RRL นั้นมีความเข้มเพียงพอต่อการตรวจวัดจากระยะไกล ซึ่งแทบเป็นไปไม่ได้เลยสำหรับกระบวนการแบบ spontaneous Raman scattering โดยสเปกตรัมรามานของสารแบเรียมไนเตรตจากการวัดที่ระยะ 10 เมตร แสดงในรูปที่ 10 ซึ่งยังคงสามารถสังเกตเห็นพีคที่สำคัญได้อย่างชัดเจนถึงแม้จะมีระดับของสัญญาณรบกวนที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตามการทดลองนี้ยังสามารถพัฒนาได้อีกในด้านการลดสัญญาณรบกวนและการเพิ่มความไวในการตรวจวัด ซึ่งทำได้โดยการใช้อุปกรณ์ image intensifier เพื่อเพิ่มจำนวนโฟตอนที่ใช้ในการสร้างภาพสเปกโตรแกรม โดยที่กำลังขยายของ image intensifier ต้องทำงานสอดคล้องกับเวลาในการกระตุ้นสัญญาณด้วยเลเซอร์แบบห้วง

 

 

รูปที่ 10 สเปกตรัมของสัญญาณ RRL ที่วัดจากสารเป้าหมายแบเรียมไนเตรตจากระยะ 10 เมตร

 

4. การศึกษาเทคนิคใหม่เพื่อพัฒนาความแม่นยำของการตรวจวัดสัญญาณรามานโดยการประยุกต์ใช้มาตรวิทยาควอนตัม (quantum metrology)

 

       นอกจากการสร้างแหล่งกำเนิดแสงย่านอินฟราเรดแล้ว ทางกลุ่มวิจัยได้พยายามพัฒนาระบบการวัดให้มีศักยภาพมากขึ้น โดยพุ่งเป้าไปที่พัฒนาให้การวัดมีความแม่นยำมากขึ้น มีการลดทอนสัญญาณรบกวนที่มากขึ้น และทรงประสิทธิภาพเมื่อแสงมีความเข้มต่ำ เนื่องด้วยแหล่งกำเนิดเองหรือด้วยระยะห่างจากแหล่งกำเนิดที่มาก ในการนี้ทางกลุ่มวิจัยได้สร้างแหล่งกำเนิดแสงย่านอินฟราเรดที่มีลักษณะพิเศษชนิดหนึ่งนั่นคือมีความพัวพันควอนตัม (quantum entanglement) โดยใช้หลักการฉายแสงเลเซอร์ลงบนผลึก non-linear อย่าง ผลึก BiBO  ให้แสงอินฟราเรดคู่ในทิศทางอนุรักษ์โมเมนตัมและความยาวคลื่นเนื่องจากการอนุรักษ์พลังงาน  แสงลักษณะดังกล่าวถูกส้างขึ้นเนื่องจากมีการันตีในหลายงานวิจัยก่อนหน้าว่าสามารถให้ผลการวัดที่มีค่าความผิดพลาดน้อยลงตามหลักการมาตรวิทยาควอนตัม ในเบื้องต้นทางกลุ่มวิจัยสามารถสร้างแหล่งกำเนิดแสงดังกล่าวที่มีคุณภาพสูงอ้างอิงจากค่า fidelity ของ Bell’s state โดยเฉลี่ยมากกว่า 90% (รูปที่ 11) โดยมีเป้าหมายต่อไปในการนำแสงดังกล่าวไปใช้ในการพัฒนากล้องจุลทรรศน์ LCM-DIM (Laser Confocal Microscopy with the Differential Interference Microscopy) และ OCT (Optical Coherence Tomography) และอุปกรณ์ต้นแบบในการเทียบวัดแสงความเข้มต่ำจากเทคนิครามานสเปกโตรสโกปีต่อไป

 

 

รูปที่ 11  อุปกรณ์แหล่งกำเนิดอินฟราเรดที่มีความพัวพันควอนตัม

 

       นอกจากนี้แล้วในช่วงปีที่ 1 ของการดำเนินงานของโครงการฯ ทางโครงการวิจัยฯมีนักวิจัยสมทบซึ่งเป็นอาจารย์ประจำที่โครงการจัดตั้งภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกำแพงแสนเพิ่มเติมเพื่อเสริมสร้างความเข้มแข็งทางด้านการวิจัยด้านฟิสิกส์วัสดุซึ่งนักวิจัยสมทบมีความเชี่ยวชาญทางด้านการปลูกฟิล์มบางอนุภาคนาโนและท่อนาโนคาร์บอน โดยมีผลการดำเนินการวิจัยดังนี้

 

       ผู้วิจัยสมทบได้จัดซื้อเครื่องปลูกฟิลม์บางอนุภาคนาโนด้วยเทคนิคการสปาร์ค (รูปที่ 12) เพื่อเตรียมไว้สำหรับการทำฟิลม์บางของวัสดุจำพวกโลหะชนิดต่างๆ โดยจะทำการปลูกฟิลม์บางของโลหะขนาดนาโนที่มีความหนาต่างกัน ทั้งแบบโลหะชนิดเดียวและแบบโลหะชนิดผสม จากนั้นจะศึกษาเพื่อหาแนวทางในการแอนนีลด้วยแสงเลเซอร์เพื่อทำการเปลี่ยนเฟสจากแบบอสัณฐาน (amorphous) ไปเป็นโครงสร้างแบบผลึก (crystalline) เพื่อจะศึกษาคุณสมบัติทางด้านแสงและทางด้านไฟฟ้าในลำดับถัดไป ซึ่งผลที่คาดหวังของงานวิจัยนี้คือการสังเคราะห์วัสดุที่มีสมบัติทางฟิสิกส์ใหม่ๆนั่นเอง

 

 

รูปที่ 12 เครื่องสปาร์คในห้องปฏิบัติการ

 

รายงานโดย

 

ผศ. ดร. ปภาวี ฟาน โดมเมเลน

หน่วยวิจัยนาโนโฟโตนิกส์

ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ อ. หาดใหญ่ จ. สงขลา – 90110

E-mail: paphavee.t@psu.ac.th