광 펌핑

광 펌핑 또는 옵티컬 펌핑(optical pumping)은 빛을 사용하여 원자나 분자의 낮은 에너지 준위에 있는 전자를 더 높은 에너지 준위로 올리는(또는 "펌핑하는") 과정이다. 이는 일반적으로 레이저 제작에서 밀도 반전을 달성하기 위해 활성 레이저 매질을 펌핑하는 데 사용된다. 이 기술은 1966년 노벨 물리학상 수상자인 알프레드 카스틀레르가 1950년대 초에 개발했다.^[2]

호광등(상단)으로 레이저 로드(하단)를 광 펌핑하는 모습. 빨간색: 뜨거움. 파란색: 차가움. 녹색: 빛. 녹색이 아닌 화살표: 물의 흐름. 단색: 금속. 밝은 색: 석영유리.^[1]

광 펌핑은 원자나 분자 내에 묶여 있는 전자를 잘 정의된 양자 상태로 주기적으로 펌핑하는 데도 사용된다. 단일 전자 껍질 전자를 포함하는 원자 종의 가장 간단한 결맞음 2준위 광 펌핑의 경우, 이는 전자가 펌프 레이저의 편광과 양자 선택 규칙에 의해 정의되는 단일 초미세 구조 아준위(${\displaystyle m_{F}\!}$로 표시)로 결맞음 있게 펌핑됨을 의미한다. 광 펌핑 시 원자는 특정 ${\displaystyle m_{F}\!}$ 아준위에 정렬되었다고 하지만, 광 펌핑의 주기적 특성으로 인해 묶인 전자는 실제로 상위 및 하위 상태 아준위 사이에서 반복적인 여기 및 붕괴를 겪게 된다. 펌프 레이저의 진동수와 편광은 원자가 정렬되는 ${\displaystyle m_{F}\!}$ 아준위를 결정한다.

실제로, 전이의 선폭이 파워 브로드닝되고 초미세 구조 트래핑 및 복사 트래핑과 같은 바람직하지 않은 효과로 인해 완벽하게 결맞음 있는 광 펌핑이 발생하지 않을 수 있다. 따라서 원자의 정렬은 레이저의 주파수, 강도, 편광 및 스펙트럼 대역폭뿐만 아니라 흡수 전이의 선폭 및 전이 확률에 더 일반적으로 의존한다.^[3]

광 펌핑 실험은 일반적으로 물리학 학부 실험실에서 루비듐 가스 동위 원소를 사용하여 무선 주파수(MHz) 전자기파가 이러한 동위 원소를 효과적으로 펌핑하고 펌핑 해제하는 능력을 보여준다.

같이 보기

• 원자 결맞음
• 레이저 펌핑
• 광공진기
• 라비 주기