반전분포 (Population Inversion)
쉽게 풀면
보통 자연 상태에서는 에너지가 낮은 안정된 상태에 있는 원자가 에너지가 높은 들뜬 상태에 있는 원자보다 훨씬 많습니다. 그런데 외부에서 에너지를 계속 공급해 주면 이 비율을 거꾸로 뒤집어, 들뜬 상태의 원자 수가 안정된 상태의 원자 수보다 많아지는 특수한 상태를 만들 수 있습니다. 이렇게 뒤집힌 상태를 반전분포라고 부르며, 이 상태가 만들어져야 빛을 증폭시켜 레이저를 만들어낼 수 있습니다.
왜 중요한가
반전분포는 유도방출을 통한 빛의 증폭, 즉 레이저 발진이 일어나기 위한 필수 선행 조건이기 때문에 레이저공학 논문에서 레이저 매질을 설계하고 펌핑 방식을 결정할 때 가장 먼저 고려하는 개념입니다. 반전분포를 얼마나 효율적으로 만들고 유지하는지가 레이저의 출력과 효율을 좌우합니다. 레이저 발진의 필요조건으로, 밀도반전이 이루어지지 않으면 유도방출보다 흡수가 우세해져 빛이 오히려 감쇠하므로 레이저 동작 자체가 불가능해집니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
외부 에너지를 공급해 반전분포를 만들어 레이저 동작을 확인한 대표적인 예문입니다.
펌핑 세기와 반전분포, 그리고 이로 인한 광증폭 이득 사이의 관계를 설명하는 예문입니다.
조금 더 깊게 보면
반전분포는 두 개의 에너지 준위만으로는 만들 수 없고, 일반적으로 세 개 이상의 준위를 가진 시스템에서 특정 준위의 수명 차이를 이용해 형성하는 것으로 알려져 있습니다. 반전분포가 형성된 매질에 빛이 지나가면 유도방출에 의해 광자가 증폭되며, 이 과정이 공진기 내에서 반복되면서 레이저 발진으로 이어집니다. 밀도반전은 열평형 상태에서는 항상 낮은 에너지 준위의 입자 수가 많다는 볼츠만 분포를 거스르는 비평형 상태이며, 이를 만들기 위해서는 외부에서 에너지를 지속적으로 공급하는 펌핑 과정이 필요합니다.
주의할 점
반전분포는 열평형 상태에서는 자연적으로 발생하지 않는 비평형 상태이므로, 외부에서 지속적으로 에너지를 공급하는 펌핑 과정이 없으면 유지될 수 없다는 점에 유의해야 합니다. 단순한 두 준위 계에서는 아무리 강하게 펌핑해도 밀도반전을 만들 수 없으며, 실제 레이저는 세 준위 또는 네 준위 이상의 에너지 구조를 이용해 반전을 구현합니다.