레이저

(4) 밀도반전
;결맞은 빛을 방출하기 위해서는 대부분의 빛을 자극에 의한 방출로 채워야 하고 이러기 위해서는 높은 에너지 준위(energy level)에 있는 원자의 수를 많게 해야 한다. 이를 밀도반전(population inversion)이라고 한다.
물질이 이러한 밀도반전의 상태가 되면 수많은 높은 에너지 상태의 원자 중 한 개가 어쩌다가 자발적으로 빛을 내는 순간 여기서 방출된 빛이 주변의 다른 들뜬 원자 하나를 자극하여 빛을 내게 하여 결국 두 개의 광자가 된다. 또 이 두개는 다른 두 원자를 자극하여 네 개가 되고, 이러한 연쇄적인 과정에 의해 기하급수적으로 결맞는 빛의 갯수가 성장하게 된다. 이를 레이저 발진이라 한다. 이러한 일이 일어날 수 있도록 물질의 상태를 만드는 일은 바로 레이저를 가능하게 하는 관건이 된다.
그러나 통상적인 열적평형상태에 이렇게 밀도를 반전시키는 것은 불가능하다. 이용할 정도의 밝기의 빛을 내기위해서는 이에 관여하는 원자의 수가 아보가드로 수 정도로 매우 많아야 하고, 따라서 에너지 준위 E1,E2,E3 등의 상태에 있을 확률은 그 에너지 값과 온도에 의해 결정된다.