레이저와 양자물리학

1. 레이저의 기본 원리

레이저는 빛의 일종으로서 강하고 집중된 단색광을 만들어내는 장치이다. 레이저의 기본 원리는 자발 방출과 유도 방출이라는 양자 역학적 과정에 기반을 둔다. 먼저, 원자나 분자 내부의 전자가 특정 에너지 수준에 있을 때 외부 에너지의 흡수로 인해 높은 에너지 상태로 이동한다. 이 상태를 여기라고 부르며, 이 상태는 잠시 후 안정되지 못하고 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 돌아가게 된다. 이때 빛을 방출하는 것이 바로 자발 방출인데, 이 과정은 무작위적으로 일어나며 넓은 파장 범위를 갖는다.

반면, 레이저의 핵심 원리는 유도 방출이다. 여기서, 이미 에너지 상태에 있는 전자는 외부에서 오는 특정 파장의 빛과 상호작용하여 결합된 빛을 방출하게 하는데, 이 방출된 빛은 원래의 빛과 동일한 위상, 파장, 방향을 갖는다. 이 유도 방출이 다수 반복되면 방출 광선이 점점 강해지고, 특정 조건이 만족되면 빛이 증폭되어 강력하고 단일 파장성의 레이저 광이 생성된다. 이 과정을 가능하게 하는 부품이 바로 공진기를 갖춘 광학 공동으로, 일반적으로 두 개의 거울로 이루어진 공동 안에서 빛이 반복적으로 반사되며 증폭된…