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KISTI 과학향기 제1743호

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레이저는 어떻게 작동할까

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레이저를 만들기 위해서는, 커다란 원자다발에다 충분한 에너지를 줘서, 그것들이 들뜬상태로 빛을 방출하게 하면 된다. 원자들 중 하나가 광자를 한 개 방출하면, 다른 원자들을 다시 자극시켜 또다른 광자가 방출된다. 그러면 빛의 폭포가 쏟아지는 것이다.

하지만 이 빛을 새어나가게 하는 대신에, 두개의 거울사이에 그 빛을 가둬놓고 위 아래로 부딫히게 하면 훨씬 강력한 빛을 얻을 수 있다. 거울에서 반사되는 빛이 더 많은 광자를 방출시키도록 자극하기 때문이다.

그리고 원자를 다시 들뜨게 계속 만든다면 그들은 기꺼이, 그리고 영원히 빛을 방출할 것이다. 하지만 왜 원자들은 그들 옆에 광자가 지나간다는 이유만으로 빛을 방출할까?

사실, 이 이유는 매우 간단하다. 두 개의 동전을 던진다고 생각해보자: 그것들은 같은 상태일 수도, 다른 상태일 수도 있다. 그러나 광자들은 동전과는 다르다. 당신이 얼마나 열심히 시도하든지 정확히 어떤 상태에 있는지 알 수 없다.

그래서 두개의 "광자 던지기" 실험에서는 그들이 다른 상태일때는 오직 한 가지 경우지만, 그들이 같은 상태일때는 두가지 경우이다. 따라서, 광자들은 같은 상태에 좀 더 있으려고 하는 게 일반적이다.

이것은 광자가 항상 다른 광자처럼 되고 싶어하는 것을 의미한다. 즉, 같은 위상과 편광을 가진 채, 같은 방향으로 가는 것이다. 더 놀라운 점은 만약 홀로 있는 광자가 들뜬 상태의 원자 옆을 지나가면 원자가 또다른 광자를 방출하고, 또 다른 하나를 더 방출할 수 있는 기회가 된다.

왜냐하면 두 개의 광자는 같이 있고 싶어하기 때문이다. 심지어 두번째 광자가 아직 존재하지 않더라도 말이다. 따라서, 이렇게 거울 사이에서 부딫히는 친절한 광자들이 발생했다면, 그저 끝쪽에 구멍을 약간 열어서 간섭이 생긴 빛줄기를 밖으로 나오게 하면 그것이 레이저 광선이다.
기사
레이저를 만들기 위해서는, 커다란 원자다발에다 충분한 에너지를 줘서, 그것들이 들뜬상태로 빛을 방출하게 하면 된다. 원자들 중 하나가 광자를 한 개 방출하면, 다른 원자들을 다시 자극시켜 또다른 광자가 방출된다. 그러면 빛의 폭포가 쏟아지는 것이다.

하지만 이 빛을 새어나가게 하는 대신에, 두개의 거울사이에 그 빛을 가둬놓고 위 아래로 부딫히게 하면 훨씬 강력한 빛을 얻을 수 있다. 거울에서 반사되는 빛이 더 많은 광자를 방출시키도록 자극하기 때문이다.

그리고 원자를 다시 들뜨게 계속 만든다면 그들은 기꺼이, 그리고 영원히 빛을 방출할 것이다. 하지만 왜 원자들은 그들 옆에 광자가 지나간다는 이유만으로 빛을 방출할까?

사실, 이 이유는 매우 간단하다. 두 개의 동전을 던진다고 생각해보자: 그것들은 같은 상태일 수도, 다른 상태일 수도 있다. 그러나 광자들은 동전과는 다르다. 당신이 얼마나 열심히 시도하든지 정확히 어떤 상태에 있는지 알 수 없다.

그래서 두개의 "광자 던지기" 실험에서는 그들이 다른 상태일때는 오직 한 가지 경우지만,
그들이 같은 상태일때는 두가지 경우이다. 따라서, 광자들은 같은 상태에 좀 더 있으려고 하는 게 일반적이다.

이것은 광자가 항상 다른 광자처럼 되고 싶어하는 것을 의미한다. 즉, 같은 위상과 편광을 가진 채, 같은 방향으로 가는 것이다. 더 놀라운 점은 만약 홀로 있는 광자가 들뜬 상태의 원자 옆을 지나가면 원자가 또다른 광자를 방출하고, 또 다른 하나를 더 방출할 수 있는 기회가 된다.

왜냐하면 두개의 광자는 같이 있고 싶어하기 때문이다. 심지어 두번째 광자가 아직 존재하지 않더라도 말이다. 따라서, 이렇게 거울 사이에서 부딫히는 친절한 광자들이 발생했다면, 그저 끝쪽에 구멍을 약간 열어서 간섭이 생긴 빛줄기를 밖으로 나오게 하면 그것이 레이저 광선이다.
번역자: Joonghyun Ji, 정준혁
영상: minutephysics
출처: https://www.youtube.com/watch?v=y3SBSbsdiYg
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