레이저의 원리

아인슈타인의 빛의 흡수와 방출이론

 

자극방출이라는 새로운 형태의 상호작용

아인슈타인은 보어의 가설에서의 빛과 원자와의 상호작용 두 가지, 즉 자극흡수, 자발적 방출자극방출이라는 새로운 개념을 도입함으로서 레이저의 중요한 기초원리를 알아냈다.

 

 

 

자발적 방출(Spontaneous Emission)

원자가 높은 에너지 상태에 있다가 낮은 에너지 상태로 내려가면서 그 차이에 해당하는 빛을 스스로 방출한다. 이 빛을 방출하는 가능성은 전적으로 확률적으로 무작위하게 일어난다.

 

 

 

 

자극 방출(Stimulated Emission)

원자가 높은 에너지 상태( 들뜬상태 : 여기상태 )에 있다가 외부의 빛에 자극을 받아서 빛을 방출한다. 이때 자극을 시킬 수 있는 빛은 방출될 빛과 파장이 같아야 한다. 이 경우 방출되는 빛은 자극시킨 빛과 결맞아 있다. 이를 유도방출(induced emidion)이라고도 한다. 이 과정이 빛의 증폭을 가능하게 한다.

 

 

 

 

자극 흡수(Stimulated Absorption)

낮은 에너지 상태의 원자는 빛을 흡수하여 높은 에너지 상태로  전이한다. 이 경우 그 에너지 차이와 꼭 같은 빛이 입사하여야 한다.

 

 

 

 

 

열적 평향상태에서의 물질

 

낮은 에너지 준위로 많은 원자들이 있다.

많은 원자가 모여 있는 기체, 고체, 액체 등의 물질은 그것을 구성하는 개개원자의 일부분은 높은 에너지 상태(들뜬상태:여기상태)에 있지만 거의 대부분은 여전히 바닥상태에 안주하고 있다. 온도가 올라가면 들뜬상태의 원자가 점차 많아지기는 하지만 여전히 바닥상태로 있는 원자의 갯수는 많다. 극단적으로 무한대의 온도가 된다면 비로소 모든 에너지 준위에 있을 가능성이 같아진다. 한편 음수의 온도가 있을 수 있다면 역전이 가능하기는 하지만 열적인 평형상태에서는 이러한 일이 벌어질 수 없다.

 

 

 

 

 

자발적 방출과 자극 방출되는 빛의 비율

보통의 광원이 내는 빛에서 자발적 방출과 자극 방출의 정도를 쉽게 열적인 평형조건에서 계산해 볼 수 있다. 형광등이나 네온사인, 백열전등 등 보통의 모든 광원의 경우 자극방출의 빛의 비율은 전체의 10-10정도 되어 대부분이 자발적방출이어서 제멋대로의 빛을 내게 될 것이다.

 

 

 

레이저 증폭의 원리

 

자발적 방출 - 결맞지 않은 빛으로 단순히 밝기가 합해진다.

보통의 광원이 내는 빛은 광원의 무수히 많은 원자가 제멋대로 빛을 방출한다면 서로 결이 맞아 있지 못하다. 따라서 아래 그림처럼 N개의 이러한 빛이 더해지면 밝기가 N배되어 단순히 N배의 밝은 빛이 된다.

밝기(Intensity) ~ N

 

 

 

 

자극방출 - 결맞은 빛으로 진폭이 더해져서 제곱으로 밝아진다.

광원의 무수히 많은 원자가 만일 동시에 결맞은 상태의 빛은 낸다면 아래 그림처럼 진폭이 N배가 되어서 밝기는 N2 에 비례하여 증가한다.

밝기(Intensity) ~ N2 

 

 

 

 

 

 

 

원자를 "펌핑"의 과정으로 여기시켜 높은 에너지 상태에 더 맣은 전자를 올려 놓으면 자극방출되는 빛이 많아져서 결맞은 빛을 방출 할 것이다.

양쪽 끝의 거울에 의해 무수히 반사되면서 점점 자극방출의 빛이 가세하여 빛은 강해진다.

 

 

 

매질속에서 기하 급수적으로 파가 성장한다.

 

 

 

점유자수 역전

 

점유자수 역전

결맞은 빛을 방출하기 위해서는 대부분의 빛을 자극에 의한 방출로 채워야 하고 이러기 위해서는 높은 에너지 준위에 있는 원자의 수를 많게 해야 한다. 이를 점유자수 역전이라고 한다. 물질이 이러한 점유자수 역전의 상태가 되면 수많은 높은 에너지 상태의 원자 중 한 개가 자발적으로 빛을 내게 되면 이것이 주변의 다른 들뜬 원자를 자극하여 빛을 내게 하여 두 개의 광자가 또 주변의 두 원자를 자극하여 네 개가 되고, ... 이러한 연쇄적인 과정에 의해 기하급수적으로 결맞는 빛의 갯수가 성장하게 된다.  이를 레이저 발진이라 한다. 이러한 일이 일어날 수 있도록 물질의 상태를 만드는 일은 바로 레이저를 가능하게 하는데 결정적인 관건이 된다. 이 점유자수 역전의 상태는 음의 온도상태이기 때문의 통상적인 원자의 에너지 준위사이에서는 일어나지 않고 원자의 에너지 준위사이를 특이하게 선택적으로 천이하는 경우에 일어날 수 있다.

 

 

2 준위 - 역전불가

근본적으로 역전을 시키는 것은 불가능하다. 아래 그림에서 오직 두 개의준위만 개입시켜 역전을 만드는 것을 생각해보자. 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 올려주기 위하여 외부에서 에너지를 공급하는 것을 광펌핑(optical pumping)이라 한다. 펌핑을 맹렬히 하게 되면 높은 상태로 빨리 올라가기는 하나 이 들뜨게 된 원자가 많아질수록 그 원자수에 비례하여 더 큰 확률로 자발적 방출로 낮은 에너지 상태로 내려 와 버리게 된다. 이는 마치 밑이 빠진 독에 물을 퍼 담는 것과 같이 많이 퍼 담으면 동시에 많은 물이 빠져 버려 결국 아무런 물도 고이지 않는 경우와 유사하다.

 

 

 

 

 

3준위 - 역전가능

역전을 시키는 것이 가능하다. 단 이를 위하여 그 세 준위 사이에는 특이한 관계가 있어야 한다.아래 그림에서 E2에서 E1으로 전이하는 것이 거의 금지되어 있다고 하자. <양자역학으로 그 확률을 계산할 수 있고 금지된 경우 그 확률이 거의 0이다. 이렇게 양자역학으로 그 전이가 허용되는 경우의 규칙을 선택률(selection rule)이라 한다> 또한 그림에서 제일 높은 세 번째 에너지 준위에서는 빠르게 E2준위로 전이한다고 하자. 광펌핑에 의해서 제일 높은 상태의 들뜬원자는 빠르게 E2준위로 내려가게 되나, 거기서 바닥상태로의 전이가 금지되어 있기 때문에 많은 원자가 그 상태에 머물게 될 것이다. 이렇게 E2와 E1의 두 레벨을 놓고 보면 점유자수가 역전되게 된다.

 

 

 

 

 

4준위 - 역전가능

역전을 시키는 것이 가능하다. 단 이때는 아래 그림처럼 네 준위가 적당히 선택되기도 하고 금지되기도 해야 한다.