[물리실험] 레이저의 작동원리를 양자역학 관점에서 정리

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레이저의 작동원리를 양자역학 관점에서 정리

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레이저광선은 보통 빛에 비하여 매우 순수하며 퍼지지 않고 곧바로 진행한다. 보통의 빛은 고온으로 가열된 원자나 분자 하나하나에서 자유로이 발생하는 빛이고 이러한 빛은 같은 종류의 원자나 분자에서 나오는 빛이라도 무수히 다른 파장의 빛을 포함하고 있다. 그러나 레이저광선은 한 종류의 파장만을 가진 빛(단색광)이며 위상이 고른 연속된 빛이다. 이 빛의 스펙트럼을 분광프리즘으로 조사해 보면 아주 가는 1개의 선스펙트럼이 된다.

레이저의 원리는 적외선 또는 가시광선 영역의 전자기파를 유도방출에 의한 광증폭하는 것이 기본원리이다. 전자가 높은 에너지에서 낮은 에너지로 떨어지면서 빛을 내는데, 높은 위치에 전자를 가득 채워 놓고 근처에 빛을 지나게 하면 전자들이 자극을 받아서 한 번에 떨어지며 똑같은 빛다발을 만든다. 빛의 방출을 유도한다고 해서 유도방출이라고 부르는 현상이다.
전자를 하나만 건드려도 한꺼번에 빛이 쏟아지기 때문에 광증폭의 원리가 된다. 똑같은 빛다발을 만들기 때문에 잘 흩어지지 않고 강력한 빛이 나오는데 이것이 레이저인 것이다.
전자를 높은 위치에 채워 넣을 수 있는 물질을 사용해서 레이저를 만드는데, 내부의 반사경은 그 효율을 높여준다.

1. 자발적 방출 - 결 맞지 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.

참고 자료

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