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지식나눔

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레이저에 대한 질문

2004-08-01 org.kosen.entty.User@7e5b5d0d 신동윤(mcjihds3)
  • 4
예를 들어, HeNe 가스 레이저로 질문합니다. HeNe 가스 레이저에서 여러가지 파장이 나올 수 있다는 것은 Ne의 여기된 전자가 3s->3p (3.39 um), 3s->2p(632.8 nm), 2s->2p(1.15 um) 등등으로 떨어질때 가능하다는 것은 알겠습니다. 참고한 곳은 http://encyclopedia.thefreedictionary.com/helium-neon%20laser 입니다. 첫번째 질문. 2s->1s 로 떨어질때 543.5, 594, 612 nm의 세가지 경우가 생기는데 왜 그런지? 두번째 질문. 실은 이게 꼭 여쭙고 싶은거였는데, 캐버티의 길이가 임의로 정해진게 아니라 다음의 식을 만족하여야한다고 알고 있습니다. n*wavelength/2 = cavity length 여기서 n은 임의의 정수이며, 이 식을 만족하지 않으면 생성된 포톤에너지가 공진을 못일으키고 상쇄간섭되어 점차 소멸되는 것으로 이해하고 있습니다. 캐버티 길이가 632.8 nm의 정수배로 정해져있다면, 캐버티 내에서 생성된 다른 파장들은 대부분 결국 소멸(decay)되어버리고 632.8 nm만 특출나게 강하게 나오지 않을까 생각해봅니다. (다른 파장들이 새어나온다면 몇 % 안쪽이고 cavity length에 맞는 632.8 nm는 95% 이상과 같은 식으로...) 제 이해가 맞는지 확인해주시겠습니까?
  • laser
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답변 4
  • 답변

    신동윤님의 답변

    2004-08-02
    • 0
    답변 감사드립니다. 그런데, 제가 궁금한 점이 아직 해결이 안되었습니다. 1. Ne의 경우 2s나 3s에서 에너지 레벨이 4가지가 가능한가요? 각 부껍질상에서 수평선을 여러개 발견할 수 있는데 이것은 취할 수 잇는 에너지 레벨들을 보이는 것인가보죠? 만약 그럴 경우, 부껍질인 s에서는 전자가 2개까지 채워질 수 있는데 4가지가 나오는 이유를 정확히 잘 모르겠습니다. 비전문가인 제가 언뜻 생각하기로는 3가지 정도 (전자가 없을때, 하나만 있을때, 두개 다 있을때) 가 아닐까 막연히 생각해봅니다만. 혹시 스핀방향에 따라서도 달라진다면 4가지가 되긴하겠네요. 그런데 스핀방향에 따라 에너지레벨수가 증가한다면 2p에서 10가지 에너지레벨이 있는 것등은 설명하기 힘들듯한데요. 2p 경우에도 여러가지 에너지 레벨이 나오는데 이와같이 여러가지 에너지레벨이 나오는 정확한 이유와 특히 2p로 떨어질때 모든 경우가 아닌 선택적으로 3가지 경우만 가능한 이유(예를 들어 3s에서 2p로 떨어질때 2p에 그어진 10가지 에너지 레벨중에서 선택적으로 2가지만 가능하네요.)가 있을듯 한데요. 2. He에서 1^1S, 2^3S, 2^1S 가 뭘 뜻합니까? 답변에 감사드리며, 조금 더 자세한 부연설명을 들을 수 있다면 감사하겠습니다.
    답변수정
    답변 감사드립니다. 그런데, 제가 궁금한 점이 아직 해결이 안되었습니다. 1. Ne의 경우 2s나 3s에서 에너지 레벨이 4가지가 가능한가요? 각 부껍질상에서 수평선을 여러개 발견할 수 있는데 이것은 취할 수 잇는 에너지 레벨들을 보이는 것인가보죠? 만약 그럴 경우, 부껍질인 s에서는 전자가 2개까지 채워질 수 있는데 4가지가 나오는 이유를 정확히 잘 모르겠습니다. 비전문가인 제가 언뜻 생각하기로는 3가지 정도 (전자가 없을때, 하나만 있을때, 두개 다 있을때) 가 아닐까 막연히 생각해봅니다만. 혹시 스핀방향에 따라서도 달라진다면 4가지가 되긴하겠네요. 그런데 스핀방향에 따라 에너지레벨수가 증가한다면 2p에서 10가지 에너지레벨이 있는 것등은 설명하기 힘들듯한데요. 2p 경우에도 여러가지 에너지 레벨이 나오는데 이와같이 여러가지 에너지레벨이 나오는 정확한 이유와 특히 2p로 떨어질때 모든 경우가 아닌 선택적으로 3가지 경우만 가능한 이유(예를 들어 3s에서 2p로 떨어질때 2p에 그어진 10가지 에너지 레벨중에서 선택적으로 2가지만 가능하네요.)가 있을듯 한데요. 2. He에서 1^1S, 2^3S, 2^1S 가 뭘 뜻합니까? 답변에 감사드리며, 조금 더 자세한 부연설명을 들을 수 있다면 감사하겠습니다.
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    이응신님의 답변

    2004-08-02
    • 0
    양자역학을 공부한 지 워낙 오래되어 가물가물 하나... 헬륨은 전자를 2개 가지는 안정된 원자입니다. 똑같은 전자를 2개 가지고 있으므로 파울리의 배타원리에 따라 전자의 상태가 완벽하게 똑같은 상태가 하나의 에너지준위에 존재할 수 없습니다. 따라서 첫번째 에너지준위에서 스핀상태가 다른 전자를 두 개 가지거나, 첫번째와 두번째 에너지준위에서 스핀상태가 같거나 다른 전자를 두 개 가질 수 있겠지요. 같은 에너지준위에서 전자의 스핀상태가 달라야 주에너지준위에 존재할 수 있으므로 이런 상태를 singlet이라고 하고 스핀합은 S=0으로 1S0라고 표현합니다. 그러나 이렇게 표현해도 전자가 1s와 2s가 스핀반대방향으로 있으며 전자 하나만 여기된 상태가 있을 수 있으므로 이때도 1S0이라고 합니다. 스핀이 같은 두 개의 전자가 헬륨의 s준위에 있으려고 하면 같은 스핀상태로 1s와 2s에 있을 수 있으므로 이때는 triplet이라고 하고 3S1이라고 합니다. 전자가 하나가 여기되어 n=2인 상태로 간다면 s에 있을 수도 있고 p로 갈 수 있기 때문에 좀 더 복잡한 상태가 되겠지요. 따라서 헬륨의 기저상태와 여기상태(n=2)를 고려하면 전자 하나만 여기될 때: 기저상태: 1s + 1s (1S0) 여기상태: * 1s + 2s (1S0, 3S0) * 1s + 2p (1P1, 3P2,1,0) 헬륨에서도 전자가 두 개 동시에 여기되는 경우도 따질 수 있고, 네온도 같은 논리로 따져가면 에너지준위와 여기상태를 다 이해할 수 있을 듯 합니다. 죄송합니다. 양자역학 공부한지가 너무 오래된 까닭에 그냥 따지는 경우로만 이야기해서요...^^
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    양자역학을 공부한 지 워낙 오래되어 가물가물 하나... 헬륨은 전자를 2개 가지는 안정된 원자입니다. 똑같은 전자를 2개 가지고 있으므로 파울리의 배타원리에 따라 전자의 상태가 완벽하게 똑같은 상태가 하나의 에너지준위에 존재할 수 없습니다. 따라서 첫번째 에너지준위에서 스핀상태가 다른 전자를 두 개 가지거나, 첫번째와 두번째 에너지준위에서 스핀상태가 같거나 다른 전자를 두 개 가질 수 있겠지요. 같은 에너지준위에서 전자의 스핀상태가 달라야 주에너지준위에 존재할 수 있으므로 이런 상태를 singlet이라고 하고 스핀합은 S=0으로 1S0라고 표현합니다. 그러나 이렇게 표현해도 전자가 1s와 2s가 스핀반대방향으로 있으며 전자 하나만 여기된 상태가 있을 수 있으므로 이때도 1S0이라고 합니다. 스핀이 같은 두 개의 전자가 헬륨의 s준위에 있으려고 하면 같은 스핀상태로 1s와 2s에 있을 수 있으므로 이때는 triplet이라고 하고 3S1이라고 합니다. 전자가 하나가 여기되어 n=2인 상태로 간다면 s에 있을 수도 있고 p로 갈 수 있기 때문에 좀 더 복잡한 상태가 되겠지요. 따라서 헬륨의 기저상태와 여기상태(n=2)를 고려하면 전자 하나만 여기될 때: 기저상태: 1s + 1s (1S0) 여기상태: * 1s + 2s (1S0, 3S0) * 1s + 2p (1P1, 3P2,1,0) 헬륨에서도 전자가 두 개 동시에 여기되는 경우도 따질 수 있고, 네온도 같은 논리로 따져가면 에너지준위와 여기상태를 다 이해할 수 있을 듯 합니다. 죄송합니다. 양자역학 공부한지가 너무 오래된 까닭에 그냥 따지는 경우로만 이야기해서요...^^
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    신동윤님의 답변

    2004-08-02
    • 0
    좋은 답변 주신것에 감사드립니다.
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    좋은 답변 주신것에 감사드립니다.
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    이응신님의 답변

    2004-08-02
    • 0

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    레이저 전공이 아니라서 잘은 모르나 상식적으로 판단한 결과입니다. 다른 것은 몰라도 첫번째 질문에 대한 생각입니다.

    위의 에너지 준위를 보면 수소원자와는 상황이 아주 다르다는 사실을 발견할 수 있습니다. 수소는 원자가 전자 하나만 가지고 있으므로 에너지 준위가 간단합니다. 그러나 헬륨은 전자가 2개, 네온은 전자가 10개 이므로 기저상태의 에너지 준위도 복잡하고 여기된 상태의 에너지 준위도 복잡합니다. 자세한 내용은 양자역학책에 잘 나옵니다. 일단 레이저가 되기 위한 전제조건은 원자를 여기시키는 조건이 원자들간의 충돌이나 빛으로 사용해야 합니다. 그래서 연속방출이 가능한 가열에 의한 여기는 레이저의 매질로 사용할 수 없습니다. 헬륨을 여기시키면 헬륨의 에너지 준위가 네온과 비슷하므로 헬륨원자들이 네온에 충돌하여 에너지준위를 높입니다. 여기가 된 네온원자들의 에너지준위가 기저상태의 에너지준위보다 더 많은 원자준위를 유지할 때 비로소 레이저의 조건이 만들어지고 방출하는 에너지준위에 알맞은 빛이 유도되어 전자를 떨어뜨릴 때 에너지 준위차에 해당하는 빛이 나옵니다. 따라서 여기상태가 자발적인 방출이 아니라 빛에 의해 유도되어 방출을 할 때 레이저의 조건이 만들어지고 이때 유도되어 나오는 빛을 거울을 사용하여 특정 주파수만 골라내고 편광판을 이용하여 필터링하여 선형편광된 빛만 뽑아냅니다.

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    레이저 전공이 아니라서 잘은 모르나 상식적으로 판단한 결과입니다. 다른 것은 몰라도 첫번째 질문에 대한 생각입니다.

    위의 에너지 준위를 보면 수소원자와는 상황이 아주 다르다는 사실을 발견할 수 있습니다. 수소는 원자가 전자 하나만 가지고 있으므로 에너지 준위가 간단합니다. 그러나 헬륨은 전자가 2개, 네온은 전자가 10개 이므로 기저상태의 에너지 준위도 복잡하고 여기된 상태의 에너지 준위도 복잡합니다. 자세한 내용은 양자역학책에 잘 나옵니다. 일단 레이저가 되기 위한 전제조건은 원자를 여기시키는 조건이 원자들간의 충돌이나 빛으로 사용해야 합니다. 그래서 연속방출이 가능한 가열에 의한 여기는 레이저의 매질로 사용할 수 없습니다. 헬륨을 여기시키면 헬륨의 에너지 준위가 네온과 비슷하므로 헬륨원자들이 네온에 충돌하여 에너지준위를 높입니다. 여기가 된 네온원자들의 에너지준위가 기저상태의 에너지준위보다 더 많은 원자준위를 유지할 때 비로소 레이저의 조건이 만들어지고 방출하는 에너지준위에 알맞은 빛이 유도되어 전자를 떨어뜨릴 때 에너지 준위차에 해당하는 빛이 나옵니다. 따라서 여기상태가 자발적인 방출이 아니라 빛에 의해 유도되어 방출을 할 때 레이저의 조건이 만들어지고 이때 유도되어 나오는 빛을 거울을 사용하여 특정 주파수만 골라내고 편광판을 이용하여 필터링하여 선형편광된 빛만 뽑아냅니다.

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