레이저의 원리 > 레이저이론 자료실

원자들은 안정된 상태에 있다가 에너지를 받으면 전자들이 들뜨게 되어 에너지가 높아진다. 이 상태는 에너지가 높아 굉장히 불안정하기 때문에 이내 빛을 내면서 안정된다. 이를 자연 방출이라고 한다. 이 과정을 통해서 나온 빛은 위상과 파장이 각기 달라 잘 퍼지게 되고 멀리 가지 못한다. 이는 우리가 흔히 보는 빛이라고 생각하면 된다. 하지만 들떠 있는 순간의 원자가 자신이 자연 방출하는 빛과 동일한 파장의 빛과 충돌하면 파장과 위상, 진행 방향이[1] 동일한 빛을 방출하는 성질이 있다. 이를 유도 방출이라고 하는데, 레이저는 이 원리를 이용한다.

참고로 방출되는 파장의 길이에 따라 유도방출이 얼마나 잘 일어날지를 계산해 볼 수 있다. 이는 양자역학이나 광학을 배우면 알 수 있으며, 자세한 내용은 페르미의 황금법칙(Fermi's Golden Rule)을 참고해보자.

매질을 사용하는 일반적인 레이저의 경우, 내부에 좌우로 거울이 설치하여 광공진기를 구성하여 그 사이에 레이저 발진에 쓰이는 물질을 넣어 놓는다. 이때 한쪽은 전반사 거울을, 다른 한쪽은 일부분 투과시키는 반투명 거울을 사용한다.[2] 그리고 사이의 물질을 자극하면[3] 빛이 거울 사이를 몇 백 번을 왕복하면서 거울로 수직 반사되는 빛만이 남아 유도 방출로 인해 서서히 빛이 가지런히 정렬된다. 그리고는 이런 과정을 거쳐 일정한 에너지 이상이 되면서 레이저광으로 방출된다. 공진기의 거울 배열이 각도가 1도만 틀어져도 레이저 빔이 발진이 안되기 때문에 매우 예민한 부분.

또한 물질마다 들뜬 상태에서 바닥 상태로 전환 될때 방출하는 에너지의 크기가 다른데 이 때문에 물질마다 파장이 다르며 레이저의 매질로 사용되는 물질에 따라 레이저가 가지는 색깔과 에너지가 결정된다.[4] 네온에서는 빨간색, 헬륨에서는 노란색, 아르곤에서는 파란색, 이산화탄소일 경우 방출되는 빛의 파장이 가시광선의 범위를 벗어나 적외선임으로 무색이다.

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