레이저의 원리-가상실험

 

1. 에너지의 양자화

 

수소 원자의 경우 전자는 n=1인 에너지 준위에 있을 때 에너지가 가장 낮은 상태로 가장 안정하므로, 이 상태를  바닥상태라고 한다. 바닥상태에 있던 전자가 에너지를 흡수하면 에너지 준위가 높은 궤도로 이동한다. 이 상태를 들뜬상태라고 한다. 이와 같이 에너지 준위가 다른 궤도로 이동하는 것을 전이된다고 한다.

 

 

 

 

들뜬상태에 있는 전자는 불안정하므로 다시 에너지가 낮은 상태의 궤도로 전이되며, 이때 에너지가 빛의 형태로 방출된다. 전자가 전이될 때 흡수되거나 방출되는 광자 한 개의 에너지 E광자는 두 에너지 준위의 차이와 같으며, 진동수 f에 비례한다.

 

2. 레이저의 원리와 구조

레이저(LASER)는‘유도 방출에 의한 빛의 증폭’이라는 말의 약자이다.
높은 에너지 준위에 있는 전자는 낮은 에너지 준위로‘자발적’으로 전이하면서 빛을 방출하는 데, 이를 자발 방출이라고 한다.

 

 

또 그림과 같이 외부에서 두 에너지 준위 차이만큼의 에너지를 가진 빛을 쪼여 주면 높은 에너지 준위의 전자가 낮은 에너지 준위로 전이되면서 빛을 방출한다. 이를 유도 방출이라고 한다. 외부에서 쪼인 빛과 유도 방출된 빛은 방향과 위상이 같기 때문에 두 빛이 중첩되어 증폭된다. 레이저는 이러한 유도방출을 이용하여 만든 것이다.

레이저는 위의 그림과 같이 기본적으로 에너지 공급원, 빛을 방출할 매질, 두 개의 거울로 이루어져 있다. 에너지 공급원에서는 매질에 에너지를 공급하여 전자를 높은 에너지 준위로 전이시킨다. 전자들은 곧바로 준안정상태로 전이하면서 준안정상태에 있는 전자가 낮은 에너지 준위에 있는 전자보다 많게 된다. 이를 밀도 반전이라고 한다. 이후 준안정상태에 있는 전자의 일부가 낮은 에너지 준위로 자발적으로 전이하면서 빛을 자발 방출한다. 자발 방출된 빛이 다른 준안정상태에 있는 원자에 쪼여져 다시 빛을 유도 방출시키면서 증폭된다.

 

 

 3. 레이저 빛의 특성

레이저 빛은 거울 축 방향으로 진행하는 빛만을 계속해서 증폭한 것이기 때문에 한쪽 방향으로만 진행하는 평면파이다. 평면파인 레이저 빛은 약해지지 않고 멀리까지 진행할 수 있기 때문에 지구에서 달까지의 거리를 측정하는 데 사용된다. 또한, 단위 면적당 세기가 매우 커서 레이저 빛을 모으면 철판도 자를 수 있다.

 

레이저 빛은 유도 방출로 동일한 진동수의 빛만을 증폭한 것이기 때문에 발광 다이오드에서 나온 빛처럼 단색광이다. 또 발광 다이오드에서 나온 빛은 위상이 서로 다른 반면에 레이저에서 나온 빛은 유도 방출로 인하여 위상이 모두 같다. 아래 표는 여러 광원의 파장과 위상을 비교한 것이다.

 

 

 

내용출처 : 천재교육 물리2