Language
Country/Area
No result found
Mengapa "inversi populasi" adalah kunci keajaiban laser?
Dalam fisika, khususnya mekanika statistik, inversi populasi adalah kondisi di mana terdapat lebih banyak atom atau molekul dalam suatu sistem dalam keadaan energi yang lebih tinggi daripada dalam keadaan energi yang lebih rendah. Konsep ini penting dalam ilmu laser, karena menciptakan inversi populasi merupakan langkah yang diperlukan untuk pekerjaan laser standar.
Konsep inversi populasi melibatkan interaksi cahaya dan materi, yang terkait dengan prinsip pengoperasian laser. Tanpa mekanisme yang dapat menempatkan sistem ke dalam keadaan inversi populasi, pembangkitan laser tidak dapat dicapai.
Keseimbangan Panas dan Distribusi Boltzmann
Untuk memahami konsep inversi populasi, pertama-tama Anda perlu memahami sedikit tentang termodinamika dan bagaimana cahaya berinteraksi dengan materi. Misalkan ada sekelompok atom N, setiap atom dapat berada dalam dua keadaan energi: keadaan dasar E1 dan keadaan tereksitasi E2. Ketika atom-atom ini berada dalam kesetimbangan termal, rasio jumlah atom dalam keadaan dasar dan keadaan tereksitasi ditentukan oleh faktor Boltzmann menurut statistik Maxwell–Boltzmann.
Jadi, ketika suatu sistem berada dalam kesetimbangan termal, keadaan energi rendah akan lebih padat daripada keadaan energi tinggi, yang merupakan keadaan normal sistem.
Seiring bertambahnya T, jumlah atom dalam keadaan energi tinggi (N2) bertambah, tetapi N2 tidak akan pernah melebihi N1. Untuk mencapai inversi populasi, sistem harus didorong ke keadaan non-kesetimbangan, yang merupakan kunci operasi laser.
Interaksi cahaya dan materi
Interaksi cahaya dengan sistem atom dapat dibagi menjadi tiga jenis utama: penyerapan, emisi spontan, dan emisi terstimulasi.
Penyerapan
Ketika cahaya dengan frekuensi ν12 melewati sekelompok atom, cahaya tersebut dapat diserap oleh elektron dalam keadaan dasar, sehingga mengeksitasinya ke keadaan energi tinggi. Laju penyerapan sebanding dengan kerapatan radiasi cahaya dan terkait dengan jumlah atom dalam keadaan dasar (N1).
Emisi Spontan
Sebuah atom dalam keadaan tereksitasi akan secara spontan kembali ke keadaan dasarnya, melepaskan foton. Emisi spontan bersifat acak dan tidak memiliki hubungan fase yang tetap, sehingga emisinya tidak koheren.
Emisi Radiasi Terstimulasi
Ketika foton yang datang menyebabkan atom yang tereksitasi melepaskan energinya dan memancarkan foton dengan frekuensi ν21, proses tersebut disebut emisi terstimulasi. Yang terjadi di sini adalah foton berinteraksi sehingga atom yang tereksitasi menghasilkan foton dengan frekuensi dan fase yang sama dengan foton yang datang. Ini adalah kunci perolehan laser.
Jika populasi keadaan energi yang lebih tinggi lebih besar daripada keadaan energi yang lebih rendah, yaitu, N2>N1, radiasi bersih yang ditingkatkan akan tercapai.
Proses pembuatan inversi populasi
Salah satu cara untuk mencapai inversi populasi adalah dengan menggunakan metode tidak langsung, mentransfer atom dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Sistem laser tiga tingkat adalah contohnya. Dalam sistem ini, atom dapat berada dalam tiga keadaan energi. Jika energi atom berenergi tinggi meluruh dengan cepat ke tingkat energi menengah untuk mencapai populasi berenergi relatif rendah, ini akan mengarah pada pembentukan keadaan gabungan.
Laser empat tingkat
Pada laser empat tingkat, tingkat energi ditetapkan lebih masuk akal, sehingga atom dapat menghilangkan sejumlah besar populasi keadaan dasar dalam waktu singkat, sehingga mencapai efek peningkatan laser yang sesuai. Hal ini membuat laser empat tingkat lebih efisien daripada laser tiga tingkat dan lebih umum dalam aplikasi praktis.
Perkembangan teknologi laser telah memungkinkannya memainkan peran yang tak tergantikan dalam bidang-bidang seperti sains, kedokteran, dan komunikasi, semua berkat mekanisme inversi populasi.
Seiring kemajuan teknologi, bagaimana sistem laser akan berkembang di masa depan dan terus mendorong perkembangan masyarakat manusia?
