레이저

레이저(laser; Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)는 전자기파 유도 방출에 의한 빛의 증폭의 약자이다.

원리

원자에는 전자가 있는데, 그 전자들은 다 자신의 에너지를 갖고 있다. 하지만 전자들은 불연속적인 에너지 수치를 가지며, 불연속적인 에너지 수치를 '에너지 준위'라고 한다. 에너지 준위는 전자와 원자핵 사이의 거리, 즉 주양자수에 따라 바뀐다. 이때 에너지 준위 사이를 이동하려면 전자가 에너지를 흡수하거나 방출해야 하는데, 이 에너지는 광자, 즉 전자기파의 형태로 표현된다. 안정된, 가장 낮은 에너지를 가진 바닥 상태의 전자가 에너지를 흡수하면 주양자수는 증가한다. 즉 원자핵에서 멀어지는 것이다. 하지만 그 '들뜬 상태'의 전자는 오래 가지 못하고 바로 에너지를 내놓으며 추락한다. 일련의 과정을 자발방출이라고 한다. 레이저 중에서 가장 간단한 3-준위 레이저는 바닥 상태와 들뜬 상태의 사이에 '준안정상태'가 있어 전자가 들뜬 상태보다 오래 머물 수 있는 에너지 준위가 있다. 그렇게 에너지를 흡수해서 들뜬 상태로 진입하고 순간적으로 에너지를 들뜬 상태와 준안정상태 사이의 에너지 차이만큼 방출해 준안정상태로 진입한다. 이 때 준안정상태와 바닥 상태 사이의 에너지 차이만큼을 외부에서 가하면 준안정상태에 있는 전자들이 막 에너지를 방출하며 바닥 상태로 떨어진다. 이 과정을 유도방출이라고 한다.

유도방출된 빛들은 결이 맞다고 표현하는데, 진폭, 파장, 진동수(주기), 위상이 모두 같기 때문이다. 이로 인해 보강간섭을 최대한으로 중첩해 결과적으로 레이저는 강한 세기를 가지게 된다.