3. 광의 흡수와 방사 그리고 유도방출

 

 

광의 흡수

 

전자파 및 광자의 흡수에 의한 여기

 

에너지준위 E1과 E2를 갖는 원자에 외부에서 진동수 ν의 전자파를 입사시킬 때, 식 (2-2)의 관계가 성립한다면, 원자는 진동수 ν의 광에 공진하여 효율 좋게 그 광의 에너지를 흡수하고 에너지준위 E1에서 E2로 여기된다. 이같이 광의 흡수는 원자와 공명하는 특정의 파장에서 일어나는 것이다. 이 때의 전자파상태를 에너지로 표현하여 E2-E1 =hv 로 쓰면, hν는 두 에너지준위 사이의 차 E2-E1과 같은 크기가 된다. 이 hν의 에너지를 갖는 입자를 광자라 하는데, 광이 에너지를 갖는 양자역학적인 입자라고 생각하게 만든 것이다. 그러므로 아래에 표시된 것처럼 광은 광자의 집합체가 되고, 광의 흡수는 광자의 흡수라고 한다.

 

자연천이에 의한 광자의 방출

 

들뜬 에너지준위 E2에 있는 원자는 일반적으로 불안정하고, 짧은 시간 안에 안정한 상태인 E1준위로 이동한다. 이 때 여기에서 얻어진 여분의 에너지를 광자로 하여 외부에 방출한다. 이렇게 에너지준위 E2에서 E1으로 원자의 상태가 변화하는 것을 천이(transition)라 한다. 이 때 방출된 광자가 갖는 에너지는 당연히 준위 E2와 E1의 에너지차이다. 또, 준위 E2에서 E1으로 천이는 완전히 자연적인 것인데 이를 자연천이라고 한다. 자연천이에 의한 광의 방출을 자연방출(spontaneous emission), 방출된 광을 자연광이라 한다. 이 자연광은 무수한 원자로부터 무질서하게 방출되어 위상도 파장도 고르지 못한 결안맞는 광이다.

 

천이(transition) : 원자의 에너지준위가 변화하는 것.

자연방출(spontaneous emission) : 자연적인 천이에 의해 광을 방출하는 것. 방출된 자연광은 무수한 원자로부터 무질서하게 방출되어 위상도 파장도 고르지 못한 결안맞는 광이다.

완화시간(relaxation time) : 원자가 위의 준위에서 아래 준위로 자연천이 될 때의 방출 수명으로 들뜬 원자수가 1/e로 감소할 때까지 걸리는 시간을 의미한다.

준안정상태(metastable state) : 원자 특유의 에너지준위에 따라 다른 준위보다 수명이 긴 상태.

 

유도방출

광의 유도방

 

주파수 ν인 전자파가 존재할 때, 원자는 에너지준위 E1에서 E2 로 천이하며 그 과정에서 전자파로부터 에너지 hν의 광자를 흡수한다. 만일 원자가 준위 2를 채우고 있을 때 전자파가 증가하면, 역으로 준위 1로 향한 천이가 일어나고 에너지 hν의 광자를 방출한다.

 

다시 말해, 들뜬준위 E2에서 자연천이가 일어나기 전 즉, 완화시간 이전에 광자가 입사하면, 이 광자의 자극으로 일종의 공명현상을 일으키고, 원자는 준위 E2에서 E1로 천이하며 주파수, 위상 및 편광이 모두 같은 광자를 방출하게 된다. 

이것을 유도방출(stimulate emission)이라 하는데, 방출하는 전자파는 입사한 전자파와 일정한 위상관계를 갖게 되며 이 때 유도천이의 비는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

 

자연천이와 유도천이 과정의 차이점은 유도천이에서는 준위 2에서 1로, 준위 1에서 2로 천이하는 비율이 같은데 반해 자연천이의 경우는 준위 1에서 2로 천이하는 비율이 0이라는 것이다. 또 한 가지 근본적인 차이점은 유도천이의 비율은 전자파의 강도에 비례하지만 자연천이의 비율은 이것과 무관하다는 것이다. 유도천이율과 방사강도의 관계식은 원자계와 전자장의 상호작용을 취급하는 경우 매우 중요하다.

 

유도방출에 의한 광의 증폭

 

유도방출을 유발하는 입사광(광자)은 들뜬원자의 자극에 의해서만 작용하는 것이므로 다른 에너지로 변환이나 감소도 하지 않지만, 그대로 원자 안을 통과하는 확률이 높기 때문에 유도방출에 의해 생기는 광자를 포함하면 두 개의 광자로 증가하는 것이 된다. 이것이 일종의 광 증폭현상이다. 또 위 그림에 나타낸 것같이 들뜬원자가 무수히 있어 그 안을 광자가 통과하면 잇달아 유도방출에 의한 광자가 생기고, 이 때 생긴 광자의 자극 때문에 광자가 보다 많이 증가하며 광이 증폭되어 간다.

 

그러나 이 같은 유도방출에 의한 광의 증폭이 어느 조건에서나 일어나는 것은 아니다. 예를 들어 그림과 같이 많은 원자 가운데 ½이 상준위 E2에 있고 나머지 ½은 하준위 E1에 있다면, 확률적으로, 입사하는 광의 ½은 준위 E1의 원자에 흡수되어 E2로 여기되고, 나머지 ½은 준위 E2에 있는 원자를 유도방출시키는 자극제가 되어 광을 방출시킨다. 이렇게 유도방출에 의해 생긴 광도 ½은 다시 흡수되어, 실제 유도방출을 일으키는 것은 ½이 되는 셈이다. 결국 준위 E2의 원자수와 E1의 원자수가 같은 매질로 광자가 입사된다면 입사 광자수와 출사 광자수의 차이는 없다. 물론 준위 E2의 원자수가 적으면 흡수되는 광자가 많게 되어 광은 감쇠한다. 또 준위 E2의 원자수를 E1의 원자수보다 많게 하면, 광의 흡수에 의한 유도방출 광자수가 많아져 광은 증폭하게 된다.