입자수 뒤바뀜

'개체수 역전'이라고도 부르는 '입자수 뒤바뀜'(population inversion)은 높은 에너지 준위에 더 많은 입자가 채워져 있어서 볼츠만 분배 법칙을 만족하지 않는 비평형 상태를 말한다. 입자수 뒤바뀜은 외부의 자극에 의해 만들어졌다가 이완(relaxation) 작용에 의해 볼츠만 분배 법칙을 만족하는 평형 상태로 되돌아간다. 레이저와 메이저는 입자수 뒤바뀜 상태에서 자극 방출을 통해 만들어진다.¹⁾

목차

입자수 뒤바뀜 상태는 볼츠만 분배 법칙이 적용되는 열평형 상태를 벗어난 비평형 상태이다. 입자수 뒤바뀜 상태를 만들기 위해서는 낮은 에너지 상태에 있는 입자를 높은 에너지 상태로 들뜨게 만드는 펌프질(pumping) 과정이 필요하다.

펌프질에는 보편적으로 전기 방전, 강한 빛, 화학 반응, 전류 등의 방법이 이용된다. 전기 방전의 경우에는 전위차가 큰 두 전극 사이를 빠르게 움직이는 전자들이 레이저 매질과 충돌하여 높은 에너지 준위로 전이한다. 전기 방전에 의한 펌프질은 CO₂, He/Ne, Ar⁺ 이온, Kr⁺ 이온 레이저 등에서 이용된다. 강한 빛에 의한 펌프질을 이용하는 레이저에는 색소, Nd: YAG, 루비 레이저 등이 있다. 엑시머(excimer) 레이저는 영족 기체(noble gas)와 할로젠의 화학 반응에서 들뜬 상태로 만들어지는 XeCl, KrF, ArF 등의 엑시머를 이용한다. 다이오드 레이저는 전류를 펌프질에 이용한다.

높은 에너지 준위에 있는 입자의 수를 증가시키는 대신 낮은 에너지 준위에 있는 입자수를 감소 시켜 입자수 뒤바뀜 상태를 만들기도 한다.

레이저에서는 대부분 4-준위 시스템을 사용해서 입자수 뒤바뀜 상태를 만들지만, 3-준위 시스템을 이용하는 경우도 있다.

그림 1. 4-준위 시스템. ().

준위 1에 있는 입자들이 빛을 흡수하여 준위 4로 전이된 후에, 빠른 분자 충돌(molecular collision)이나 이완에 의해 준위 3으로 빠르게 전이하면, 준위 3과 준위 2 사이에 입자수 뒤바뀜 상태가 만들어질 수 있다. 따라서 준위 3과 준위 2 사이에서 일어나는 자극 방출에 의한 레이저가 방출될 수 있다.

입자수 뒤바뀜 상태를 유지하기 위해서는 준위 2 상태의 입자를 비복사 이완(fast radiationless relaxation)에 의해 일어나는 빠른 입자수 제거(depopulation) 과정도 필요하다. 입자수 제거 과정은 헬륨과 같은 영족 기체와의 충돌을 이용해서 인위적으로 유도할 수도 있다.

준위 3에서 준위 2로 전이가 지나치게 빨리 일어나면 입자수 뒤바뀜 상태가 충분히 오래 유지되지 않기 때문에 레이저 발진에 장애가 된다. 따라서 준위 3과 준위 2 사이의 전이가 지나치게 빠르게 일어나지 않는 경우에 레이저가 만들어진다.

그림 2. 헬륨/네온 (He/Ne) 레이저의 작동. ().

헬륨/네온(He/Ne) 레이저는 대표적인 4-준위 시스템 레이저이다. 방전관의 헬륨 원자는 전자와의 충돌에 의해 높은 에너지 준위 (@@NAMATH_INLINE@@2^1 S_0@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@2^3 S_0@@NAMATH_INLINE@@)로 전이한다. 헬륨과의 원자간 충돌에 의해 에너지를 전달받은 네온은 4s와 5s 준위로 전이하여, 3p와 4p 준위 사이에 입자수 뒤바뀜이 일어난다. 자극 방출 이후에는 네온의 바닥 준위로 빠르게 이완한다.

그림 3. 3-준위 시스템. ().

준위 1에서 준위 3으로 펌프질이 이루어진 후에 빠른 이완에 의해 준안정(metastable) 상태인 준위 2에 입자들이 쌓이면 준위 2과 준위 1 사이에 입자수 뒤바뀜이 일어난다.

루비 레이저는 3-준위 시스템 레이저이다.

그림 4. 루비 레이저. (출처: 대한화학회).

입자수 뒤바뀜을 이용한 자극 방출을 통해 만들어진 최초의 결 맞는 전자기파는 마이크로파 영역의 메이저였다²⁾. 분자의 회전 운동에 해당하는 마이크로파 영역에서는 전기장이나 자기장을 이용해서 입자수 뒤바뀜 상태를 만들 수 있다. 암모니아와 수소를 이용한 메이저가 가장 대표적이다.

1. Svelto, Orazio (1998). Principles of Lasers, 4th ed. (trans. David Hanna), Springer.
2. Schawlow, A. L.; Townes, C. H. (15 December 1958). 'Infrared and Optical Masers'. Physical Review. 112 (6): 1940–1949.