레이저는 어떻게 형성됩니까?

레이저의 등장은 인류가 처음으로 광자를 제어하게 된 것을 의미합니다. 레이저는 자극된 방사를 통해 빛을 증폭시키는 특수한 빛 원천이며, 그 형성 과정에는 양자역학, 광학 공명, 에너지 excitation과 같은 여러 물리적 메커니즘이 포함됩니다. 다음은 레이저 형성에 기여하는 주요 요소입니다:
I. 자발 방출 및 입자 수 역전
레이저의 발생은 원자 에너지 준위 사이의 양자 이동으로부터 시작됩니다. 전자가 에너지를 흡수하고 더 높은 에너지 상태로 이동할 때, 시스템은 불안정한 상태에 있습니다. 이때 전자는 두 가지 방식으로 에너지를 방출합니다:
자발적 방출: 전자가 무작위로 낮은 에너지 상태로 뛰어내려 서로 다른 방향과 위상의 광자를 방출합니다.
유도 방출: 외부 광자의 에너지가 에너지 준위 차이와 일치하면, 여기된 상태의 전자를 자극하여 정확히 같은 광자를 동시에 방출하게 되며, 이것이 광 증폭의 기반이 됩니다.
광 증폭: 고에너지 상태의 입자가 입사 광자에 의해 자발 방출을 일으켜 동일한 위상과 주파수를 가진 광자를 생성한다. 이러한 광자는 공명腔에서 반복적으로 왕복하며 사슬 반응을 유발하고 강도가 높은 일치된 빛을 형성한다.
입자 수 역전: 펌프 시스템이 열적 평형 상태를 깨뜨려 작업 물질이 메타안정 에너지 준위를 형성할 수 있도록 한다.
II. 광학 공명腔
공명腔 피드백: 두 면거울로 구성된 광학 공명腔는 특정 방향의 광자가 여러 번 왕복하도록 허용한다. 이득이 손실을 초과할 때 양의 피드백 루프가 형성되며 결국 일치된 광柬이 출력된다.
모드 선택: 짧은 캐비티 설계나 격자 피드백을 통해 종방향 및 횡방향 모드의 분포를 제어하여 단일 주파수와 단일 모드 출력을 달성합니다.
에너지 집중: 작업 물질의 유효 길이를 줄이고 레이저 출력 효율을 향상시킵니다.
III. 보스 통계
동일한 광자: 자극 방출에 의해 생성된 광자는 정확히 같은 주파수, 위상 및 편광 상태를 가지고 있습니다.
파동 함수 중첩: 많은 수의 동일한 광자는 거시적인 양자 상태를 형성하여 빛에 완벽한 일관성을 부여합니다.
레이저의 특징:
방향성: 일반적인 빛 소스의 발산각은 비교적 크지만, 레이저 빛 소스는 비교적 작고 그 방향은 고정되어 있습니다.
단색성: 레이저의 스펙트럼 선 폭은 일반 광원보다 더 좁아 단색성이 더 우수하다.
고 밝기: 레이저는 매우 평행한 광선을 방출하며 더 높은 집중도로 방출될 수 있습니다
레이저의 형성은 양자 역학과 광학 공학의 완벽한 결합입니다. 그 핵심은 입자 수 역전과 자발적 방출을 통해 빛의 통제 가능한 증폭을 이루는 것입니다. 레이저의 발전은 제조, 의료, 정보 기술 등의 산업에서 혁신을 촉진하고 있습니다.