레이저발진 반전분포상태인 원자계의 매질 안에서는 천이의 스펙트럼 폭에 해당하는 주파수의 전자파가 증폭된다는 것을 알았다. 다음으로 이 같은 레이저매질이 광공진기 안에 있을 경우를 생각해 보자. 전자파가 두 개의 반사거울 사이를 왕복하면서 레이저매질을 통과하기 때문에 증폭작용이 일어난다. 증폭이 반사거울의 불완전한 반사나 레이저매질 안에서 산란으로 생기는 손실을 상회할 경우, 공진기 안에 축적되는 방사에너지는 시간이 경과하면서 증가되어 간다. 이 때문에 이득의 포화효과로 증폭률이 감소하고, 발진준위가 높아지며, 결국 포화된 이득이 손실과 같아지는 점에 이르게 된다. 이 점에서는 이득에서 손실을 공제한 실질적인 이득인자는 1이 되고, 전자파의 강도는 증가하지 않게 된다. 다시 말해, 정상 발진상태가 되는 것..

레이저 증폭에서 이득(gain)과 반전분포량의 관계에 대해서 생각해 보자. 광의 진행방향을 레이저매질의 길이 l방향으로 하고 단위면적당 광강도를 Iν, 이득계수를 γ(ν)라 하면, 광의 강도변화량은 아래의 식 관계로 표현할 수 있고, 그 해는 또한 다음과 같다. 이 된다. 레이저 작용이 준위 2와 1 사이의 유도천이에 의해서 일어난다고 할 때 원자계에서 전자파에 주어지는 단위체적당 광파워는 이 되고, 이것은 Iν의 증가량 dIν/dl과 같기 때문에 유도천이의 비를 이용하면 이득계수는 다음과 같이 표현된다. 광이 길이 l의 증폭성 매질을 일정한 이득계수로 통과한 후의 증폭도를 G라 하면 이 된다. 광의 증폭도는 이론적으로 반전분포 원자수가 많을수록, 광이 통과하는 증폭매질의 길이가 길수록 지수함수적으로 증..

엑셀에서 이 함수를 사용하려면, 셀에 다음과 같이 입력하면된다. =CalculateSpotSize(빔X, 빔Y, 발산각, 거리) 발산각: mard, 빔, 거리: mm 예시로 10 X 15 mm Beam shape이 1 mard 발산각을 가질때 1000 mm 거리에서, 138.23 mm^2으로 Spot 형성됨을 알 수 있다. 이 계산기는 1/e2의 빔 지름과 빔 분산을 기반으로 원형 또는 타원형 Spotsize의 근사값이 출력된다. 단, 레이저의 경우 빔의 지름은 TEM00 모드 전용이고, Spot의 가시성은 주변 조명 상태에 따라 달라질 수 있다.

4준위 레이저 반전분포를 실현시키면 레이저 증폭작용이 일어나는 것은 당연하다고 할 수 있다. 문제는 어떻게 입자수분포를 반전시키는가 하는 것이다. 실제 레이저에서 잘 이용되는 것은 3준위계 또는 4준위계의 완화 시간차를 이용하는 방법이다. 우측의 그림은 이상적인 3준위 레이저의 에너지준위를 나타낸 것이다. 레이저의 경우, 각 준위 사이에 생기는 에너지차는 열에너지에 비해 아주 크기 때문에 열평형상태에서 거의 모든 원자는 바닥준위인 준위 1에 있다. 이와 같은 원자의 집단에 외부에서 ν31=(E3-E1)∕h에 가까운 주파수의 강력한 광을 입사시켜 바닥준위의 원자를 준위 3으로 여기시킨다. 이것에 의한 유도방출확률 W31과 유도흡수확률 W13은 같기 때문에, 이를 Wi라 한다. 준위 3과 1의 원자수를 N3..

앞에서 설명했던 것처럼 자연방출 및 유도방출에 의해 준위 2에서 1로 천이하는 확률은 관계가 있음을 알 수 있다. 실제로는 전자파의 강도 Iν가 아주 클 경우에는 자연방출의 효과는 무시한다. 실제로 레이저매질은 1cm3당 고체의 경우 10^18～10^20개, 기체의 경우에도 10^10～10^15개 정도의 원자(이온 혹은 분자)를 갖고 있다. 이들은 각기 다른 에너지준위에서 운동하고 있다. 이들에 주파수 ν의 전자파를 가하면, 흡수에 의해 단위시간 및 단위체적당 W12(ν)N1개의 원자가 준위 1에서 2로 천이하여 hνW12(ν)N1에 해당하는 광파워를 원자계에 준다. 동시에 유도방출에 의해 단위시간 및 단위체적당 W21(ν)N2개의 원자가 준위 2에서 1로 천이하며, hνW21(ν)N2에 해당하는 광파워..