레이저의 생성

레이저의 생성
레이저의 발생은 1916년 아인슈타인이 "자발 방출 및 유도 방출" 이론을 제시하면서 시작되었습니다. 이 이론은 현대 레이저 시스템의 물리적 기초를 형성합니다. 광자와 원자 사이의 상호작용은 유도 흡수, 자발 방출, 유도 방출의 세 가지 전이 과정을 일으킬 수 있습니다. 유도 방출이 지속적이고 안정적으로 유지될 수 있다면 레이저를 얻을 수 있습니다. 따라서 레이저라는 특수 장치를 제작해야 합니다. 레이저는 일반적으로 작동 물질, 여기 장치, 광학 공진기의 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다.

1. 작업 물질

레이저에서 레이저 광을 발생시키는 물질을 작동 물질이라고 합니다. 정상적인 상태에서 이 물질의 각 에너지 준위별 원자 번호 분포는 정규 분포를 따릅니다. 즉, 낮은 에너지 준위의 원자 수가 높은 에너지 준위의 원자 수보다 항상 많습니다. 따라서 빛이 정상 상태의 발광 물질을 통과할 때 흡수 과정이 지배적이어서 빛이 약해집니다. 빛이 발광 물질을 통과한 후 강해지도록, 즉 광 증폭을 위해서는 유도 방출이 지배적이 되도록 해야 합니다. 높은 에너지 준위의 원자 수가 낮은 에너지 준위의 원자 수보다 많도록 하는 것은 정규 분포와 반대되는 현상이며, 이를 입자 수 반전이라고 합니다.
2. 여자 장치
여기 장치의 기능은 낮은 에너지 준위에 있는 원자를 높은 에너지 준위로 여기시켜 작동 물질의 입자 수 반전을 가능하게 하는 것입니다. 물질의 에너지 준위는 바닥 상태, 여기 상태, 그리고 준안정 상태를 포함합니다. 준안정 상태는 바닥 상태보다 불안정하지만 여기 상태보다는 훨씬 안정합니다. 상대적으로 원자는 더 오랜 시간 동안 준안정 상태를 유지할 수 있습니다. 예를 들어, 루비에 있는 크롬 이온(Cr³⁺)은 약 10⁻³초 정도의 수명을 가진 준안정 상태를 가지고 있습니다. 작동 물질이 여기되어 입자 수 반전이 이루어진 후, 초기에는 자발 복사에 의해 방출된 광자의 전파 방향이 서로 다르고, 유도 복사 광자 또한 전파 방향이 다르며, 출력 및 흡수 과정에서 많은 손실이 발생하여 안정적인 레이저 출력을 생성할 수 없습니다. 유도 복사가 작동 물질의 제한된 부피 내에서 지속적으로 존재하도록 하기 위해서는 광의 선택 및 증폭을 위한 광학 공진기가 필요합니다.
3. 광학 공진기
이는 작동체의 양 끝에 주축에 수직으로 설치된 서로 평행한 반사 거울 한 쌍으로 구성됩니다. 한쪽 끝은 전반사 거울(반사율 100%)이고, 다른 쪽 끝은 반투명 반반사 거울(반사율 90~99%)입니다.
공진기의 기능은 다음과 같습니다. ① 광 증폭 생성 및 유지, ② 출력광 방향 선택, ③ 출력광 파장 선택. 특정 작동 물질의 경우, 다양한 요인으로 인해 실제 방출되는 빛의 파장은 단일하지 않고 스펙트럼 폭이 일정합니다. 공진기는 주파수 선택 역할을 하여 레이저의 단색성을 향상시킬 수 있습니다.