Home / Materi Fisika / Inversi Populasi pada LASER

Inversi Populasi pada LASER

kelas-fisika.com – Inversi Populasi pada LASER

Inversi populasi adalah proses mencapai populasi yang lebih besar dari keadaan energi lebih tinggi dibandingkan dengan keadaan energi yang lebih rendah. Teknik inversi populasi terutama digunakan untuk amplifikasi (penguatan) cahaya. Inversi populasi diperlukan untuk operasi laser.

Pertimbangkan sekelompok elektron dengan dua tingkat energi E1 dan E2.
E1 adalah keadaan energi yang lebih rendah dan E2 adalah keadaan energi yang lebih tinggi.
N1 adalah jumlah elektron dalam keadaan energi E1.
N2 adalah jumlah elektron dalam keadaan energi E2 .
Jumlah elektron per satuan volume dalam keadaan energi adalah populasi dari keadaan energi tersebut.


Inversi populasi tidak dapat dicapai dalam dua sistem tingkat energi. Dalam kondisi normal, jumlah elektron (N1 ) dalam keadaan energi rendah (E1 ) selalu lebih besar dibandingkan dengan jumlah elektron (N2 ) pada keadaan energi tinggi (E2 ).

N1 > N2

Saat suhu meningkat, populasi keadaan energi lebih tinggi (N2 ) juga meningkat. Namun, populasi keadaan energi yang lebih tinggi (N2 ) tidak akan pernah melebihi populasi keadaan dengan energi rendah (N1 ).

Paling baik populasi yang sama dari kedua keadaan (state) dapat dicapai yang tidak menghasilkan keuntungan optik.

N1 = N2

Oleh karena itu, kita membutuhkan 3 atau lebih keadaan energi untuk mencapai inversi populasi. Semakin besar jumlah energi yang semakin besar adalah gain optik.

Ada zat tertentu yang pernah disukai elektron; Mereka tetap berada di tingkat energi yang lebih tinggi atau keadaan tereksitasi untuk waktu yang lebih lama. Sistem semacam itu disebut sistem aktif atau media aktif yang umumnya merupakan campuran unsur yang berbeda.

Ketika campuran tersebut terbentuk, tingkat energi elektronik mereka dimodifikasi dan beberapa di antaranya memperoleh sifat khusus. Jenis bahan semacam itu digunakan untuk membentuk laser 3 level atau laser 4 level.

Laser 3 level

Perhatikan sebuah sistem yang terdiri dari tiga tingkat energi E1 , E2 , E3 dengan jumlah N elektron.

Kita mengasumsikan bahwa tingkat energi E1 kurang dari dari E2 dan E3 , tingkat energi E2 lebih besar dari E1 dan kurang dari E3 , dan tingkat energi E3 lebih besar dari E1 dan E2 .

Ini bisa ditulis begitu sebagai E1 <E2 <E3 . Itu berarti tingkat energi E2 terletak di antara E1 dan E3 .


Tingkat energi E1 dikenal sebagai keadaan dasar atau keadaan energi rendah dan tingkat energi E2 dan E3 dikenal sebagai keadaan tereksitasi. Tingkat energi E2 kadang-kadang disebut sebagai keadaan stabil Meta. Tingkat energi E3 kadang disebut sebagai level pompa atau tingkat pompa.

Jumlah elektron N dalam sistem menempati ketiga tingkat energi ini. Misalkan N1 adalah jumlah elektron dalam keadaan energi E1 , N2 adalah jumlah elektron dalam keadaan energi E2 dan N3 adalah jumlah elektron dalam keadaan energi E3 .

Untuk mendapatkan emisi laser atau inversi populasi, populasi state dengan energi lebih tinggi (E2 ) harus lebih besar daripada populasi state dengan energi lebih rendah (E1 ).

Dalam kondisi normal, semakin tinggi tingkat energi, semakin rendah jumlah populasinya. Sebagai contoh, dalam sistem energi tiga tingkat, keadaan energi rendah E1 sangat padat dibandingkan dengan keadaan energi terner E2 dan E3 . Di sisi lain, keadaan energi tereksitasi E2 sangat padat dibandingkan dengan keadaan energi tereksitasi E3 . Hal ini dapat dituliskan sebagai N1 > N2 > N3 .

Dalam kondisi tertentu, populasi yang lebih besar dari keadaan energi tinggi (E2 ) dibandingkan dengan keadaan energi rendah (E1 ) tercapai. Pengaturan seperti ini disebut inversi populasi.

Mari kita asumsikan bahwa pada awalnya sebagian besar elektron akan berada dalam keadaan energi rendah atau keadaan dasar (E1 ) dan hanya sejumlah kecil elektron yang berada dalam keadaan tereksitasi (E2 dan E3 ).

Ketika kita memasok energi cahaya yang sama dengan perbedaan energi E3 dan E1 , elektron dalam keadaan energi rendah (E1 ) memperoleh energi yang cukup dan melompat ke keadaan energi yang lebih tinggi (E3 ). Proses penyediaan energi ini disebut pemompaan.

Kami juga menggunakan metode lain untuk merangsang elektron keadaan dasar seperti pelepasan listrik dan reaksi kimia. Aliran elektron dari E1 sampai E3 disebut transisi pompa.

Masa pakai elektron dalam keadaan energi E3 sangat kecil dibandingkan dengan umur elektron dalam keadaan energi E2 . Oleh karena itu, elektron di level energi E3 tidak bertahan dalam waktu lama. Setelah sekian lama, mereka dengan cepat jatuh ke keadaan stabil Meta atau keadaan energi E2 dan melepaskan sedikit energi radiasi daripada foton.

Karena umur yang lebih pendek, hanya sejumlah kecil elektron yang terakumulasi dalam keadaan energi E3 .

Elektron di keadaan stabil Meta E2 akan tetap berada di sana untuk waktu yang lebih lama karena masa pakai yang lebih lama. Akibatnya, sejumlah besar elektron terakumulasi dalam keadaan stabil Meta. Dengan demikian, populasi keadaan stabil logam akan menjadi lebih besar dari populasi energi keadaan E3 dan E1 .
Hal ini dapat ditulis begitu sebagai N2 > N1 > N3 .

Dalam sistem energi tiga tingkat, kita mencapai inversi populasi antara tingkat energi E1 dan E2 .

Setelah selesainya masa pakai elektron di negara stabil Meta, mereka kembali ke keadaan energi rendah atau ground state E1 dengan melepaskan energi dalam bentuk foton. Proses emisi foton ini disebut emisi spontan.

Ketika foton yang dipancarkan ini berinteraksi dengan elektron di keadaan stabil Meta E2 , elektron akan memaksa elektron untuk kembali ke keadaan dasar. Akibatnya, dua foton dipancarkan. Proses emisi foton ini disebut emisi terstimulasi.

Ketika foton ini lagi berinteraksi dengan elektron dalam keadaan stabil Meta, mereka memaksa dua elektron keadaan stabil  untuk kembali ke keadaan dasar. Akibatnya, empat foton dipancarkan. Demikian juga, sejumlah besar foton dipancarkan.

Akibatnya, jutaan foton dipancarkan dengan menggunakan sejumlah kecil foton.

Kita mungkin ragu, untuk meransang elektron kita memukul elektron dengan foton. Elektron tereksitasi ini kembali memancarkan foton saat jatuh kembali ke keadaan dasar. Lalu bagaimana bisa amplifikasi cahaya atau foton ekstra tercapai.

Kita mungkin juga menggunakan jenis sumber energi lain seperti energi listrik untuk merangsang elektron. Dalam kasus seperti itu, foton tunggal akan menghasilkan sejumlah besar foton. Dengan demikian, amplifikasi cahaya dicapai dengan menggunakan metode inversi populasi. Sistem yang menggunakan tiga tingkat energi ini dikenal dengan laser 3 level.

Dalam laser 3 tingkat, setidaknya setengah populasi elektron harus bersemangat terhadap keadaan energi yang lebih tinggi untuk mencapai inversi populasi. Karena itu, media laser harus dipompa sangat kuat. Hal ini membuat laser 3 tingkat tidak efisien untuk menghasilkan foton atau cahaya. Laser 3 tingkat adalah jenis laser pertama yang ditemukan.

Laser 4 level

Pertimbangkan sekelompok elektron dengan empat tingkat energi E1 , E2 , E3 , E4 .

E1 adalah keadaan energi terendah, E2 adalah energi tinggi berikutnya, E3 adalah keadaan energi berikutnya yang lebih tinggi setelah E2 , E4 adalah keadaan energi berikutnya yang lebih tinggi setelah E3 .

Jumlah elektron dalam keadaan energi rendah atau keadaan dasar diberikan oleh N1 , jumlah elektron dalam keadaan energi E2 diberikan oleh N2 , jumlah elektron dalam keadaan energi E3 diberikan oleh N3 dan Jumlah elektron dalam keadaan energi E4 diberikan oleh N4 .

Kita berasumsi bahwa E1 <E2 <E3 <E4 . Masa pakai elektron dalam keadaan energi E4 dan keadaan energi E2 sangat kurang. Oleh karena itu, elektron di negara bagian ini hanya akan bertahan dalam waktu yang sangat singkat.

Ketika kita menyediakan energi cahaya yang sama dengan perbedaan energi E4 dan E1 , elektron dalam keadaan energi rendah E1 memperoleh energi yang cukup dan melompat ke keadaan energi tinggi E4 .

Masa pakai elektron dalam keadaan energi E4 sangat kecil. Karena itu, setelah sekian lama mereka kembali ke keadaan energi rendah berikutnya E3 dengan melepaskan energi non-radiasi.

Masa pakai elektron dalam keadaan energi E3 sangat besar dibandingkan dengan E4 dan E2 . Akibatnya, sejumlah besar elektron terakumulasi di tingkat energi E3 . Setelah selesainya masa hidup mereka, elektron dalam keadaan energi E3 akan jatuh kembali ke keadaan energi terendah berikutnya E2 dengan melepaskan energi dalam bentuk foton.

Seperti keadaan energi E4 , masa pakai elektron dalam keadaan energi E2 juga sangat kecil. Oleh karena itu, elektron dalam keadaan energi E2 akan dengan cepat jatuh ke keadaan energi rendah berikutnya atau ground state E1 dengan melepaskan energi non-radiasi.

Dengan demikian, inversi populasi dicapai antara keadaan energi E3 dan E2 .

Dalam laser 4 tingkat, hanya beberapa elektron yang bersemangat untuk mencapai inversi populasi. Oleh karena itu, laser 4 tingkat menghasilkan cahaya efisien daripada laser 3 tingkat. Secara praktis, lebih dari empat tingkat energi mungkin terlibat dalam proses laser.

Pada laser 3 tingkat dan 4 tingkat, frekuensi atau energi foton pemompaan harus lebih besar daripada foton yang dipancarkan.

baca selanjutnya

Karakteristik Laser

Check Also

Transformator Tenaga Listrik | Definisi dan Jenis Transformator

kelas-fisika.com – Transformator Tenaga Listrik | Definisi dan Jenis Transformator Definisi Transformator Transformator atau Trafo …

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Powered by themekiller.com