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Stimulated Transitions: The Classical Oscillator Model

2.1 The Classical Electron Oscillator

1) Classical Electron Oscillator

Classical Electron Oscillator

원자의 optical transition을 전자가 equilibrium position 근처에서 진동하는 harmonic oscillator로 근사한 모델이다.

Meaning: 복잡한 atomic transition을 resonance를 갖는 고전적인 oscillator로 단순화한다.

2) Resonance Frequency

electron oscillator는 특정 resonance frequency에서 가장 강하게 반응한다.

실제 atomic transition과 연결할 때 resonance frequency는 transition frequency에 대응한다.

ωaE2E1. \omega_a \approx \frac{E_2-E_1}{\hbar}.

Meaning: 외부 optical field의 frequency가 atomic transition frequency에 가까울수록 원자의 반응이 커진다.

3) Damped Oscillator

실제 oscillator는 radiation과 collision 등의 영향으로 시간이 지나면서 진동이 감소한다.

기본적인 운동방정식은

d2xdt2+γdxdt+ωa2x=emE(t). \frac{d^2x}{dt^2} + \gamma\frac{dx}{dt} + \omega_a^2x = -\frac{e}{m}E(t).

Meaning: atomic response는 resonance뿐 아니라 damping에 의해서도 결정된다.

4) Energy Decay

oscillator의 energy는 시간에 따라 지수적으로 감소한다.

U(t)eγt. U(t) \propto e^{-\gamma t}.

Meaning: γ\gamma는 transition의 energy decay rate를 나타낸다.

5) Radiative and Nonradiative Decay

Radiative Decay

electromagnetic radiation을 방출하면서 oscillator energy가 감소하는 과정이다.

Nonradiative Decay

collision이나 lattice interaction 등을 통해 radiation 없이 energy가 감소하는 과정이다.

전체 decay rate는 여러 decay mechanism의 합으로 생각할 수 있다.

Meaning: 실제 atomic transition의 lifetime은 spontaneous radiation만으로 결정되지 않을 수 있다.


2.2 Dipole Moment and Polarization

1) Electric Dipole Moment

electron displacement가 x(t)x(t)일 때 microscopic electric dipole moment는

μ(t)=ex(t). \mu(t) = -ex(t).

Meaning: optical field에 의해 전자 분포가 움직이면 atomic dipole이 형성된다.

2) Macroscopic Polarization

많은 atomic dipole의 합은 macroscopic polarization을 만든다.

P=1Viμi. P = \frac{1}{V}\sum_i \mu_i.

Meaning: 개별 원자의 optical response가 합쳐져 실제 laser medium의 electromagnetic response가 된다.

3) Coherent Dipoles

여러 dipole이 같은 frequency와 phase로 oscillation하면 서로 coherent하다.

Meaning: dipole들이 같은 phase로 움직이면 macroscopic polarization이 크게 형성된다.


2.3 Collisions and Dephasing Processes

1) Dephasing

Dephasing

각 atomic dipole 사이의 phase 관계가 무작위화되어 collective coherence가 감소하는 과정이다.

Meaning: 각 원자는 계속 oscillation하더라도 서로의 phase가 달라지면 전체 polarization은 감소한다.

2) Collision-Induced Dephasing

atomic collision은 oscillator의 phase를 변화시킬 수 있다.

Meaning: collision이 반복되면 처음에 같은 phase였던 dipole들이 점차 random phase를 갖게 된다.

3) Dephasing Time

Dephasing Time T2T_2

atomic dipole들의 coherent phase relation이 유지되는 characteristic time이다.

dephasing에 의해 coherence는 대략

et/T2 e^{-t/T_2}

형태로 감소한다.

Meaning: T2T_2가 짧을수록 atomic coherence가 빠르게 사라진다.

4) Polarization Decay

individual oscillator의 amplitude decay와 dephasing이 동시에 존재하면 macroscopic polarization은 더 빠르게 감소한다.

대략적인 polarization amplitude decay rate는

γ2+1T2. \frac{\gamma}{2} + \frac{1}{T_2}.

Meaning: energy decay와 phase randomization은 서로 다른 과정이지만 둘 다 optical coherence를 감소시킨다.


2.4 Atomic Susceptibility

1) Electric Susceptibility

Electric Susceptibility

applied electric field에 대해 medium이 얼마나 polarization되는지를 나타내는 양이다.

P(ω)=ϵ0χ(ω)E(ω). P(\omega) = \epsilon_0\chi(\omega)E(\omega).

Meaning: χ(ω)\chi(\omega)는 optical field에 대한 laser medium의 frequency-dependent response를 나타낸다.

2) Complex Susceptibility

atomic susceptibility는 일반적으로 complex quantity이다.

χ(ω)=χ(ω)+iχ(ω). \chi(\omega) = \chi'(\omega) + i\chi''(\omega).

Meaning: real part와 imaginary part가 서로 다른 optical property를 나타낸다.

Real Part

χ(ω) \chi'(\omega)

는 주로 refractive response와 phase 변화에 관계된다.

Imaginary Part

χ(ω) \chi''(\omega)

는 absorption 또는 amplification과 관계된다.

3) Resonance Response

atomic response는

ωωa \omega \approx \omega_a

에서 가장 크게 나타난다.

Meaning: laser medium은 모든 frequency에 동일하게 반응하지 않고 atomic resonance 근처에서 강하게 반응한다.

4) Lorentzian Lineshape

damped resonant oscillator의 frequency response는 Lorentzian 형태의 spectral lineshape를 만든다.

Meaning: atomic transition은 정확히 하나의 frequency만 갖는 선이 아니라 일정한 linewidth를 갖는다.

5) Linewidth

Chapter 2의 모델에서 homogeneous linewidth는 energy decay와 dephasing에 의해 결정된다.

Δωa=γ+2T2. \Delta\omega_a = \gamma + \frac{2}{T_2}.

Meaning: 빠른 decay나 강한 dephasing은 atomic transition의 spectral line을 넓힌다.


2.5 Conversion to Real Atomic Transitions

1) Transition Frequency

classical oscillator의 resonance frequency는 실제 atomic transition에서는 energy-level difference로 대체된다.

ωij=EjEi. \omega_{ij} = \frac{E_j-E_i}{\hbar}.

Meaning: classical oscillator model의 resonance를 실제 quantum energy levels와 연결한다.

2) Population Difference

실제 atomic medium의 response는 두 energy level의 population difference에 의존한다.

ΔN=NiNj. \Delta N = N_i-N_j.

Meaning: lower level과 upper level에 원자가 얼마나 존재하는지가 absorption과 gain의 크기를 결정한다.

3) Radiative Decay Rate

classical radiation damping constant는 실제 transition에서는 해당 atomic transition의 decay rate로 대체된다.

Meaning: oscillator model의 damping parameter를 실제 atom의 lifetime과 연결한다.

4) Transition Linewidth

실제 transition linewidth에는 radiative decay뿐 아니라 collision과 dephasing 등의 broadening mechanism이 포함된다.

Meaning: 실제 laser medium의 spectral width는 여러 physical process의 결과이다.

5) Homogeneous Broadening

Homogeneous Broadening

모든 atoms가 동일한 형태의 frequency broadening을 경험하는 경우이다.

대표적인 원인은 decay와 collision-induced dephasing이다.

Meaning: 각 atom의 transition lineshape 자체가 넓어진다.

6) Inhomogeneous Broadening

Inhomogeneous Broadening

서로 다른 atoms가 서로 다른 resonance frequency를 갖기 때문에 전체 transition line이 넓어지는 현상이다.

Meaning: 각각의 atom은 좁은 transition을 가질 수 있지만 ensemble 전체를 보면 넓은 spectrum이 나타난다.


Core Physical Flow

Chapter 2의 핵심 흐름은 다음과 같다.

Atomic TransitionOscillator ModelDipole MomentPolarizationSusceptibilityAbsorption / Gain. \text{Atomic Transition} \rightarrow \text{Oscillator Model} \rightarrow \text{Dipole Moment} \rightarrow \text{Polarization} \rightarrow \text{Susceptibility} \rightarrow \text{Absorption / Gain}.

그리고 실제 medium에서는

Decay + DephasingLinewidth. \text{Decay + Dephasing} \rightarrow \text{Linewidth}.

Essential Study Checklist

  • Classical electron oscillator
  • Resonance frequency
  • Damping
  • Radiative decay
  • Nonradiative decay
  • Electric dipole moment
  • Macroscopic polarization
  • Coherent dipoles
  • Dephasing
  • Dephasing time T2T_2
  • Atomic susceptibility
  • Complex susceptibility
  • χ(ω)\chi'(\omega)
  • χ(ω)\chi''(\omega)
  • Resonance response
  • Lorentzian lineshape
  • Linewidth
  • Population difference
  • Homogeneous broadening
  • Inhomogeneous broadening