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왜 고에너지 상태의 원자는 열평형에서 그렇게 드물나요?
물리학에서 열 평형과 자연 현상에 대한 에너지 상태 분포의 중요성은 자명합니다. 원자와 같은 계(예: 원자)의 에너지 상태를 논의할 때 우리는 종종 "인구 역전"이라는 개념을 접하게 됩니다. 레이저의 작동에는 특별한 에너지 분포가 필요하기 때문에 이는 레이저 과학에서 특히 중요합니다. 즉, 저에너지 상태의 원자보다 고에너지 상태의 원자가 더 많아야 합니다. 그러나 열평형의 경우 이는 매우 어렵습니다.
"열 평형 상태에서는 고에너지 원자의 수는 거의 무시할 수 있습니다."
이를 이해하려면 먼저 볼츠만 분포를 고려해야 합니다. 볼츠만 통계에 따르면 열평형 시스템에서 소위 에너지 준위 분포는 서로 다른 에너지 상태를 차지하는 입자의 비율에 의해 결정됩니다. 원자로 구성된 레이저 매질에서 이러한 원자는 바닥 상태와 여기 상태라는 두 가지 에너지 상태로 존재할 수 있습니다. 바닥 상태의 에너지는 들뜬 상태의 에너지보다 낮으므로 볼츠만 인자에 따르면 실온에서 바닥 상태의 원자 수는 일반적으로 들뜬 상태의 원자 수보다 훨씬 높습니다.
온도가 증가함에 따라 일부 원자는 광자를 흡수하여 에너지를 얻고 여기 상태에 들어가는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 그럼에도 불구하고 시스템이 열평형에 도달하면 들뜬 상태(N2)의 원자 수는 바닥 상태(N1)의 원자 수를 결코 초과하지 않습니다. 당신이 상상할 수 있듯이 이것은 자연의 법칙에 직면하는 도전입니다.
"인구학적 역전은 비평형 상태에서만 달성될 수 있습니다."
레이저의 원리는 흡수, 자연 방사선, 유도 방출이라는 빛의 세 가지 상호 작용에 의존합니다. 빛의 광선이 원자군을 통과할 때 빛의 주파수가 특정 에너지 차이와 일치하면 바닥 상태의 원자는 광자를 흡수하여 들뜬 상태로 전환됩니다. 그러나 이 과정에는 자연 방출과 유도 방출도 동반되어 광자 교환 과정이 복잡해집니다. 바닥 상태의 원자 수가 많으면 흡수 과정이 지배적이어서 빛이 감쇠되고, 여기 상태의 원자 수가 많으면 빛이 강화되고 레이저 광이 생성됩니다.
이것이 레이저를 구현하는 과정에서 지속적인 인구 역전을 달성하기 위해 광학 펌핑과 같은 간접적인 방법이 필요한 경우가 종종 있는 이유입니다. 3레벨 또는 4레벨 레이저에서는 특정 에너지 레벨을 선택적으로 여기함으로써 소수의 고에너지 상태 원자만 유지함으로써 레이저 시스템의 장점을 구현합니다.
"3레벨 레이저와 4레벨 레이저는 서로 다른 펌핑 및 증폭 원리를 보여주며 효율성 차이는 고에너지 상태와 바닥 상태 사이의 균형을 달성하는 방법을 반영합니다."
많은 시스템 선택 규칙이 레이저를 만들 때 고려해야 하는 에너지 전달 가능성을 제한한다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 예를 들어, 서로 다른 물질은 레이저 방출에 매우 다르게 반응할 수 있으며, 특정 전이는 양자역학에 의해 통제되는 선택 규칙의 적용을 받을 수 있으므로 인광과 같은 현상으로 인해 발광이 지연될 수 있습니다.
요약하면, 열 평형 상태에서는 고에너지 원자의 수가 부족합니다. 왜냐하면 이 상태에서는 바닥 상태 원자의 수가 일반적으로 들뜬 상태의 수보다 훨씬 많기 때문입니다. 이러한 균형을 깨고 대부분의 고에너지 상태를 달성하려면 광학 펌핑 기술과 같은 외부 에너지를 사용하여 시스템을 구동해야 합니다. 이는 중요한 질문을 제기합니다. 보다 효율적인 레이저 기술을 지원하기 위해 일상 생활에서 인구 반전 상태를 만들고 유지하는 효과적인 방법을 찾을 수 있습니까?
