ความรู้พื้นฐานเรื่องคลื่น

คลื่นคืออะไร

       คลื่น หมายถึง ลักษณะของการถูกรบกวน ที่มีการแผ่กระจาย เคลื่อนที่ออกไป ในลักษณะของการกวัดแกว่ง หรือกระเพื่อม และมักจะมีการส่งถ่ายพลังงานไปด้วย

 

ลักษณะทางกายภาพของคลื่น

          ค่าที่ใช้ในการระบุรูปร่างของคลื่น คือ ความถี่ ความยาวคลื่น แอมพลิจูด คาบ

           แอมพลิจูด นั้นวัดจากขนาด ของการรบกวนตัวกลาง ที่มากที่สุด ในช่วงหนึ่งคาบ โดยมีหน่วยของการวัดขึ้นกับประเภทของคลื่น เช่น คลื่นในเส้นเชือกมีหน่วยการวัดเป็นระยะทาง เช่น เมตร ส่วนคลื่นเสียงมีหน่วยการวัดเป็นความดัน (เช่น ปาสกาล) และ คลื่นเม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยการวัดเป็น ค่าตามขนาดสนามไฟฟ้า (โวลต์/เมตร) ค่าแอมพลิจูดนั้นอาจมีค่าเป็นคงที่ (เรียกคลื่นประเภทนี้ว่า คลื่นต่อเนื่อง (continuous wave) ย่อ c.w. หรือ อาจมีค่าเปลี่ยนแปลงตามเวลา และ ตำแหน่ง (หากคลื่นเคลื่อนที่ไปในทิศทาง ) การเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูด เรียกว่า ซอง (envelope) ของคลื่น คาบ เป็นช่วงเวลาที่คลื่นใช้ในการวนครบรอบในการกวัดแกว่ง ความถี่ คือ จำนวนรอบที่คลื่นกวัดแกว่งครบรอบ ในหนึ่งหน่วยเวลา (เช่น ใน 1 วินาที) และมีหน่วยของการวัดเป็น เฮิรตซ์ โดยมีความสัมพันธ์บางครั้งสมการทางคณิตศาสตร์ของคลื่นอาจอยู่ในรูปของ ความถี่เชิงมุม (en:angular frequency) นิยมใช้สัญญลักษณ์ และมีหน่วนเป็น เรเดียนต่อวินาที และมีความสัมพันธ์กับ ดังต่อไปนี้ชนิดของคลื่น (Wave Type)

            - คลื่นวิทยุ (Radio wave) 

        เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่น้อยที่สุด หรือมีความยาวคลื่นมากที่สุด ถูกนำไปใช้ในการสื่อสาร โทรคมนาคม เนื่องจากคลื่นวิทยุสามารถเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศได้ดี

            - ไมโครเวฟ (Microwave) มีความถี่อยู่ในช่วง 108-1012 Hz หรือมีความยาวคลื่น 1 mm – 10 cm ใช้สำหรับโทรคมนาคมระยะไกล เนื่องจากสามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลก โดยจะมีสถานีส่งสัญญาณไปยังดาวเทียม แล้วดาวเทียมจะส่งสัญญาณกลับไปยังสถานีรับสัญญาณอีกสถานีหนึ่ง ซึ่งอยู่ไกลออกไป และใช้เป็นสัญญาณเรดาห์ เนื่องจากไมโครเวฟสามารถสะท้อนโลหะได้ดี นอกจากนี้ยังนำมาสร้างพลังงานความร้อนในเตาไมโครเวฟได้อีกด้วย โดยทำให้โมเลกุลสั่น

           - อินฟราเรด (Infrared) รังสีอินฟราเรด มีความถี่อยู่ในช่วง 1011-1014 Hz หรือมีความยาวคลื่นประมาณ 10-3-10-6 m มีความถี่คาบเกี่ยวกับไมโครเวฟ ใช้ในการจับภาพในที่มืด หรือใช้ถ่ายรูปในช่วงที่มีเมฆ หมอก นอกจากนี้ยังถูกนำมาใช้กับรีโมทควบคุมโทรทัศน์อีกด้วย

           - แสงที่มองเห็นได้ (Visible light) มีความถี่ประมาณ 1014 Hz หรือมีความยาวคลื่นประมาณ 400 - 700 nm แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสาทตาของมนุษย์สามารถรับรู้ได้ แสงที่มองเห็นแยกเป็นสเปกตรัมได้เป็น แสงสีม่วง น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด และแสงสีแดง

           - รังสีอัลตร้าไวโอเลต (Ultraviolet) มีความถี่อยู่ในช่วง 1015-1018 Hz ส่วนใหญ่เกิดจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ช่วยในการสร้างวิตามินดีให้แก่ผิวหนัง แต่ถ้าได้รับ UV มากเกินไป จะก่อให้เกิดอันตรายกับผิวหนังได้เช่นกัน และสามารถนำไปใช้ในการฆ่าเชื้อโรคต่าง ๆ ได้ หรือทำความสะอาดเครื่องมือแพทย์ได้

            - รังสีเอกซ์ (X-rays) มีความถี่อยู่ในช่วง 1018-1022 Hz หรือมีความยาวคลื่นประมาณ 0.01 – 1 nm เนื่องจากเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูง จึงสามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางหนา ๆ ได้ ส่วนใหญ่ใช้ในทางการแพทย์ เช่น การตรวจดูความผิดปกติของอวัยวะภายในร่างกาย หรือใช้ในทางอุตสาหกรรม เช่น การตรวจรอยร้าวภายในชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่ เป็นต้น แต่ถ้าร่างกายได้รับรังสีเอกซ์มากเกินไป จะก่อให้เกิดอันตรายกับร่างกายได้

             - รังสีแกมมา (Gamma-rays) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงที่สุด และเป็นอันตรายมากที่สุด เนื่องจากโฟตอนของรังสีแกมมามีพลังงานมากที่สุด จึงสามารถทะลุทะลวงได้มากที่สุด แต่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ เช่น รังสีแกมมาที่ได้จากการสลายของโคบอลต์-60 สามารถนำมารักษาโรคมะเร็งได้ หรือนำมาตรวจสอบรอยรั่วภายในชิ้นส่วนโลหะ ใช้ในการศึกษาการดูดซึมแร่ธาตุของพืช และใช้ในการเปลี่ยนแปลงพันธุ์พืชได้ เป็นต้น

                ต่อจากนี้เราจะมากล่าวถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอีกช่วงคลื่นหนึ่งซึ่งกำลังได้รับความสนใจจากนักวิจัย นั่นก็คือ คลื่นเทระเฮิรตซ์ (Terahertz wave)

                คลื่นเทระเฮิรตซ์ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ในช่วง 1012 เฮิรตซ์ เขียนเป็นสัญลักษณ์ได้เป็น THz (เรียกว่า เทระเฮิรตซ์ เนื่องจาก เทระ (Tera) มีค่าเป็น 1012) โดยมีความถี่ประมาณ 0.3 -3.0 THz ซึ่งตรงกับความยาวคลื่นประมาณ 1.0 – 0.1 mm หรือเรียกตามความยาวคลื่นได้อีกอย่าง Submillimeter wave คลื่นเทระเฮิรตซ์เป็นช่วงคลื่นที่อยู่ตรงกลางระหว่างคลื่นไมโครเวฟและอินฟราเรด โดยช่วงความถี่นี้ในทาง            อิเล็กทรอนิกส์ (Electronics) ถือว่าเป็นความถี่ที่สูงมาก แต่ในทางทัศนศาสตร์ (Photonics) ถือว่าเป็นความถี่ที่ต่ำมาก

                  และที่ผ่านมาช่วงความถี่นี้ไม่ค่อยได้รับความสนใจมากนัก แต่ปัจจุบันเทคโนโลยีคลื่นเทระเฮิรตซ์ เริ่มเป็นที่ต้องการมากขึ้นในวงการต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นการหาความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ วงการดาราศาสตร์ หรือด้านชีวโมเลกุล

เนื่องจากช่วงคลื่นเทระเฮิรตซ์มีสมบัติเป็นทั้งคลื่นวิทยุและเป็นแสง ดังนั้นการควบคุมช่วงคลื่นนี้จึงทำได้โดยใช้ท่อนำแสง (waveguide) เสาอากาศ กระจก และเลนส์

ก่อนที่จะไปดูการประโยชน์หรือการนำคลื่นเทระเฮิรตซ์ไปประยุกต์ใช้งานในด้านต่าง ๆ เราจะมาดูการตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์กันก่อน


การตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์ (THz sensing)

นับว่าเป็นเรื่องยากที่จะสามารถตรวจวัดคลื่นนี้ได้ เนื่องจากคลื่นนี้มีความถี่สูงเกินไปที่จะใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการตรวจสอบ แต่คลื่นนี้ก็มีพลังงานโฟตอนต่ำกว่าแสงที่มองเห็นได้ ดังนั้นการตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์ จึงต้องคิดอุปกรณ์ใหม่ที่สามารถตรวจวัดช่วงคลื่นนี้ได้ แนวทางการตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์ แบ่งเป็น 3 ประเภท คือ

- การตรวจวัดแบบความร้อน (Bolometric (thermal) detection) เมื่อคลื่นเทระเฮิตรซ์ผ่านอุปกรณ์ตรวจจับคลื่นในช่วง THz จะมีการดูดกลื่นพลังงานของคลื่นไว้ ทำให้อุปกรณ์มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น

- การตรวจวัดแบบคลื่น (Wave detection) การตรวจวัดวิธีนี้ จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ตรวจวัด (detector) ที่มีความเร็วสูงในการตรวจวัดด้วยเวลาคงตัวในหน่วยนาโนวินาที (ns) และต้องวัดที่อุณหภูมิห้อง

- การตรวจวัดแบบควอนตัม (Quantum detection) หรือการตรวจวัดอนุภาค โดยจะตรวจจับโฟตอนของคลื่นเทระเฮิรตซ์นั่นเอง

เมื่อเราทราบวิธีตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์กันแล้ว ต่อมาเราจะมาดูเทคโนโลยีที่ใช้คลื่นนี้กัน

zt56QdM.gif

© 2023 by aksorn boonchalee created with Wix.com  

  • Grey Twitter Icon
This site was designed with the
.com
website builder. Create your website today.
Start Now