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"인구 반전"이 레이저의 마법의 열쇠일까요?
물리학, 특히 통계 역학에서 인구 역전이란 시스템에서 고에너지 상태에 있는 원자 또는 분자가 저에너지 상태에 있는 원자 또는 분자보다 더 많은 상황을 말합니다. 이 개념은 레이저 과학에서 매우 중요한데, 표준 레이저 작업에 인구 반전을 만드는 것이 필요한 단계이기 때문입니다.
인구 역전의 개념은 빛과 물질의 상호작용을 포함하며, 이는 레이저의 작동 원리와 관련이 있습니다. 시스템을 인구 반전 상태로 전환할 수 있는 메커니즘이 없다면 레이저 생성은 달성될 수 없습니다.
열 평형과 볼츠만 분포
인구 역전의 개념을 이해하려면 먼저 열역학과 빛이 물질과 상호 작용하는 방식에 대해 조금 이해해야 합니다. N개의 원자 그룹이 있다고 가정하면, 각 원자는 두 가지 에너지 상태, 즉 기저 상태 E1과 들뜬 상태 E2로 존재할 수 있습니다. 이들 원자가 열 평형 상태에 있을 때, 기저 상태와 여기 상태에 있는 원자의 수의 비율은 맥스웰-볼츠만 통계에 따른 볼츠만 인자에 의해 결정됩니다.
따라서, 시스템이 열 평형에 있을 때, 낮은 에너지 상태는 시스템의 일반적인 상태인 높은 에너지 상태보다 더 많을 것입니다.
T가 증가함에 따라 고에너지 상태(N2)에 있는 원자의 수는 증가하지만 N2는 결코 N1을 초과하지 않습니다. 인구 반전을 달성하려면 시스템을 비평형 상태로 밀어야 하는데, 이것이 레이저 작동의 핵심입니다.
빛과 물질의 상호작용
빛과 원자 시스템의 상호작용은 흡수, 자연 방출, 유도 방출의 세 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다.
흡수
ν12 주파수의 빛이 원자 그룹을 통과할 때, 기저 상태에 있는 전자에 의해 흡수되어 전자를 고에너지 상태로 자극할 수 있습니다. 흡수율은 빛의 복사 밀도에 비례하며 기저 상태(N1)에 있는 원자의 수와 관련이 있습니다.
자발적 방출
여기 상태에 있는 원자는 자발적으로 기저 상태로 돌아가면서 광자를 방출합니다. 자발적 방출은 무작위적이며 고정된 위상 관계가 없으므로 방출은 비일관적입니다.
방사선의 유도 방출
입사 광자가 들뜬 원자로 하여금 에너지를 내주고 주파수 ν21의 광자를 방출하게 하는 경우, 이 과정을 자극 방출이라고 합니다. 여기서 일어나는 일은 광자가 상호 작용하여 들뜬 원자가 입사 광자와 동일한 주파수와 위상의 광자를 생성한다는 것입니다. 이것이 레이저 이득의 핵심입니다.
고에너지 상태의 개체 수가 저에너지 상태의 개체 수보다 많으면, 즉 N2>N1이면 순증가 복사가 달성됩니다.
인구 역전 생성 프로세스
인구 반전을 달성하는 한 가지 방법은 간접적인 방법을 사용하여 원자를 기저 상태에서 여기 상태로 옮기는 것입니다. 3단계 레이저 시스템이 그 예이다. 이 시스템에서 원자는 세 가지 에너지 상태로 존재할 수 있습니다. 고에너지 원자 에너지가 빠르게 중간 에너지 준위로 붕괴되어 상대적으로 낮은 에너지 인구가 생기면 결합 상태가 형성됩니다.
4단계 레이저
4레벨 레이저에서는 에너지 레벨이 더욱 합리적으로 설정되어 원자가 단시간에 대량의 기저 상태 입자를 제거하여 해당 레이저 증강 효과를 얻을 수 있습니다. 이로 인해 4레벨 레이저는 3레벨 레이저보다 효율적이며 실제 응용 분야에서 더 널리 사용됩니다.
레이저 기술의 발달로 인해 인구 역전 메커니즘 덕분에 과학, 의학, 통신 등의 분야에서 대체 불가능한 역할을 할 수 있게 되었습니다.
기술이 발전함에 따라 레이저 시스템은 미래에 어떻게 진화하여 인간 사회의 발전을 계속해서 촉진할 것인가?
