레이저의 형성

레이저 형성의 물리적 메커니즘 요소: 양자 이동에서 광자 동기화까지
레이저의 등장은 인간이 처음으로 광자를 조작하는 데 성공했다는 것을 상징한다. 그 원리는 양자 역학과 정밀 공학 등 다양한 분야를 통합하고 있다.
1. 양자 이동
레이저의 발생은 원자 에너지 준위 사이의 양자 이동으로부터 시작됩니다. 전자가 에너지를 흡수하고 더 높은 에너지 상태로 이동할 때, 시스템은 불안정한 상태에 있습니다. 이때 전자는 두 가지 방식으로 에너지를 방출합니다:
자발적 방출: 전자가 무작위로 낮은 에너지 상태로 뛰어내려 서로 다른 방향과 위상의 광자를 방출합니다.
유도 방출: 외부 광자의 에너지가 에너지 준위 차이와 일치하면, 여기된 상태의 전자를 자극하여 정확히 같은 광자를 동시에 방출하게 되며, 이것이 광 증폭의 기반이 됩니다.
레이저 탄생의 주요 요인들
역전된 입자 수
펌프 시스템은 열적 평형 상태를 깨뜨려 작업 물질이 메타안정 에너지 준위를 형성할 수 있도록 합니다. 예를 들어, 헬륨-네온 레이저에서 헬륨 원자는 네온 원자에 에너지를 전달하여 네온 원자가 입자 수 역전을 형성하게 합니다.
공진강 챔버 피드백
두 개의 거울로 구성된 광학 공진腔는 특정 방향의 포톤이 여러 번 왕복하도록 허용합니다. 이득이 손실을 초과하면 양의 피드백 루프가 형성되고 결국 일관된 빔이 출력됩니다.
모드 선택
짧은 공진腔 설계 또는 격자 피드백을 통해 종방향 및 횡방향 모드의 분포를 제어하여 단일 주파수와 단일 모드 출력을 실현합니다.
III. 보스 통계
동일한 광자: 자극 방출에 의해 생성된 광자는 정확히 같은 주파수, 위상 및 편광 상태를 가지고 있습니다.
파동 함수 중첩: 많은 수의 동일한 광자는 거시적인 양자 상태를 형성하여 빛에 완벽한 일관성을 부여합니다.
이 특징은 레이저에 일반적인 빛 소스가 따라올 수 없는 특성을 부여합니다:
방향성: 일반적인 빛 소스의 발산각은 비교적 크지만, 레이저 빛 소스는 비교적 작고 그 방향은 고정되어 있습니다.
단색성: 레이저의 스펙트럼 선 폭은 일반 광원보다 더 좁아 단색성이 더 우수하다.
고광량: 레이저는 고도로 평행한 광선을 방출하며 더 높은 집중력으로 발사될 수 있다.