자극 방출

자극 방출(stimulated emission)은 자발 방출(spontaneous emission)과는 달리 들뜬 상태의 원자 또는 분자가 외부의 빛에 자극을 받아서 바닥 상태 또는 더 낮은 에너지 상태로 전이될 때 빛을 방출하는 현상을 말하며, 유도 방출(induced emission)이라고도 한다. 이때 자극 방출에 의한 빛은 자극 방출을 일으킨 외부의 빛과 파장과 위상(phase)이 같은 결맞음 증폭(coherent amplification)이 일어난다.

자발 방출과 자극 방출 ()

목차

아인슈타인은 들뜬 상태에서 더 낮은 에너지 상태로 전이될 때 빛이 방출되는 현상을 자발 방출과 자극방출로 분류하고, 그 속도를 아인슈타인 상수로 표현하였다. 이 때 자발 방출의 속도는 들뜬 상태의 입자의 수(population)에만 비례하지만, 자극 방출의 속도는 빛의 단위 부피당 에너지 밀도(radiant energy density)에도 비례한다. 두 개의 에너지 준위를 가진 시스템 (two-level system)에서 자극 방출의 속도는 아인슈타인의 자극 방출 상수 B₂₁을를 이용해서 다음과 같이 나타낼 수 있다.

@@NAMATH_INLINE@@(\frac{dN_2}{dt})_{stim}=-B_{21}\rho_{\nu}(\nu_{12})N_2@@NAMATH_INLINE@@

아인슈타인의 상수 B는 아래의 식으로 표현된다.

@@NAMATH_INLINE@@B=\frac{2\pi^2g_1}{3h^2\epsilon_0g_2}\left \vert{\mu_{12}} \right \vert^2@@NAMATH_INLINE@@

이때, g₁과 g₂ 는 두 에너지 준위의 미분화(degeneracy), @@NAMATH_INLINE@@\mu_{12}@@NAMATH_INLINE@@는 전이 쌍극자모멘트(transition dipole moment), h는 플랑크상수, c는 진공에서의 빛의 속도이다. 아인슈타인의 자발 방출 상수와 달리 아인슈타인의 자극 방출 상수는 방출하는 빛의 진동수에 의존하지 않는다.

두 에너지 준위 시스템에서는 온도가 높을수록 들뜬 상태의 입자수(population)가 커지기는 하지만, 에너지 준위가 높을수록 입자수가 줄어드는 볼츠만 분포 때문에 바닥 상태의 입자수보다 커질 수는 없다. 그러나 세 개 이상의 에너지 준위를 가진 시스템에서는 들뜬 상태의 입자수가 더 커지는 입자수 뒤바뀜(population inversion)이 일어날 수 있다. 입자수 뒤바뀜 상태에서는 강한 자극 방출이 일어나는데, 예를 들어, 입자수 뒤바뀜 상태에서 높은 상태의 원자 중 하나가 자발 방출로 빛을 방출하면, 그 빛이 다른 들뜬 원자에게 자극 방출을 일으키도록 만들 수 있다. 결맞음 자극 방출이 연쇄적으로 일어나면, 자극 방출에 의한 빛의 세기가 기하급수적으로 증가하는 레이저(LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 발진이 일어날 수 있다.

3-준위 계에서 일어나는 레이저 방출 ()

4-준위 계에서 일어나는 레이저 방출()

입자수 뒤바뀜 상태의 원자 또는 분자에 일정한 파장의 빛을 쪼여주면, 자극 방출이 늘어나서 결맞음 빛이 방출된다. 이때 방출된 빛을 거울을 이용해서 빈복적으로 반사하면 빛의 세기가 기하급수적으로 증폭되는 레이저(LASER)가 만들어진다.

다양한 파장의 레이저 ()

STED(STimulated Emission Depletion Microscopy) 기술은 자극 방출을 이용한 기술이다. STED 현미경에서는 형광을 관찰하여 영상을 얻는데, 얻어지는 영상의 해상도는 형광을 유발하는 레이저 빔의 크기에 따라 결정된다. 아래 그림의 맨 왼쪽은 형광 유발 레이저 빔의 모양을 보여준다. 그림의 가운데에 나와 있는 것과 같은 도넛 모양의 자극 방출을 유발하는 레이저 빔을 쪼이면 자극 방출로 형광이 억제된다. 파장이 서로 다른 이 두 레이저 빔이 시료에서 겹쳐지면 그림의 오른쪽에 나와 있는 것과 같이 도넛 모양의 중심에서만 형광이 방출되며, 그 결과 영상의 해상도가 크게 좋아진다.

STED 레이저 빔 ()

아래 그림은 공초점(confocal) 현미경의 영상과 STED 현미경의 영상을 비교하여 보여준다.

STED 이미지 ()