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..

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..

광의 흡수 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. 들뜬 에너지준위 E2에 있는 원자는 일반적으로 불안정하고, 짧은 ..