dum

dum

Pengantar (1)Bidang optik secara konvensional: kacamata, mikroskop, kamera, teleskop,.. Pada masa sekarang telah dikembangkan: - laser dan aplikasinya - serat optik dan aplikasinya - holografi dan pengolahan citra optik - optika non linier - material fotonik - optika atmosfir dan ruang angkasa - dll.1

Pengantar (2)Kuliah yang diberikan: Laser dan Serat Optik (dulu + Pemusat Cahaya Matahari) Peluang penggunaan pengetahuan & kemampuan yang diperoleh: - industri lensa kamera - industri lensa intra-okular - perusahaan cetak sekuriti - industri serat optik - instrumentasi optik untuk berbagai industri dan kebutuhan teknik - dll.2

Laser berpangkal dari atom

EMISI SPONTAN dan EMISI TERANGSANG

Model atom:

Thomson

Rutherford

Andrianto HandojoTeknik Fisika ITB

Setiap elektron merasakan: Gaya tarik Coulomb: FC= pq2 / (40r2) Gaya sentrifugal: Fs = mev2 / rdengan p = nomor atom, q = muatan elementer, r = jari-jari orbit, me= massa elektron, v = kecepatan orbit.

Pada keseimbangan: FC = Fs diperoleh hubungan antara v dan r Energi elektron = Energi Coulomb + Energi kinetik.4

1

dum

Tingkat energi dalam atomJari-jari orbit sudah tertentu (eksak harganya, Bohr) jadi setiap elektron dlm atom mempunyai energi yg eksak besarnya begitu juga atom: energinya eksak. E2seperti:waduk

AbsorpsiE2h

h = E2 E1 h = konstanta Planck = 6,625 1034 J.s = frekuensi cahayadN 1 = W12 N 1 dt

E1 Laju kenaikan:sungai di kaki bukit

E1 Energi dapat dinaikkan (di-eksitasi) oleh: - pemanasan - tumbukan mekanik - energi cahaya disebut absorpsi - dll.

N1 = jumlah atom pada tingkat energi E1 dan W12 = 12.F F = fluks cahaya datang 12 = penampang absorpsi. Contoh absorpsi: garis-garis hitam pada spektrum cahaya matahari.5 6

dum

dum

Spektrum cahaya matahariMatahari:

Penurunan energiKecenderungan alamiah: setiap benda / sistem berusaha berada pd tingkat energi terendah - air mengalir ke bawah - panas mencari tempat yang lebih dingin. Begitu pula atom yg tereksitasi: tidak betah, ingin turun(pada keadaan normal, atom cenderung berada pada tingkat dasar)

suhu permukaan 6000 K gas < 6000 K

Ketika turun ke bawah, kelebihan energi dikembalikan. Pengembalian energi bisa dalam bentuk: - pemberian energi mekanik - pengeluaran panas - pemancaran cahaya disebut emisi.

7

8

2

dum

Emisi spontanKarena atas inisiatif sendiri, dinamai emisi spontan

Contoh emisi spontan: lampu natrium & reklame

dum

E2h

h = E2 E1 h = konstanta Planck = frekuensi cahaya

emisi spontan pada = 589 nm (kuning) loncatan listrik dari elektroda mengeksitasi gas natrium

E1 Laju penurunan:

= (E2 E1)/h = 5,09 1014 Hz = c/

dN 2 = A.N 2 dt spontan spontan = 1 A9

Lampu reklame: neon (merah jingga), argon (biru-ungu) dll.

Waktu tinggal rata-rata:

10

Contoh emisi spontan: spektrum emisi

dum

Contoh emisi spontan: LEDLED : light emitting diode

dum

Jika material dipijarkan: - timbul emisi dengan spektrum yang spesifik - spektrum tersebut sama dgn spektrum absorpsi (pada fase gas).Spektrum absorpsi hidrogen Spektrum emisi hidrogen

Arus pada sambungan (junction) menyebabkan penurunan energi yg menimbulkan cahaya.

p

n

Gejala ini dimanfaatkan utk analisis material (kegiatannya disebut spektroskopi).Spektrum emisi besi

= (E2 E1)/h11

warna LED tergantung pada material dioda12

3

Contoh (absorpsi dan) emisi spontan (1)Fluoresensi: emisi pada panjang gelombang yang berbeda dari panjang gelombang datang. Contoh fluoresensi:

dum

Contoh (absorpsi dan) emisi spontan (2)Lampu fluoresensi (TL): gas merkuri yg dipijarkan memancarkan UV, lapisan fosfor pd dinding dalam lampu ber-fluoresensi.

dum

absorpsi

h

emisi spontan (fluoresensi)

Penyalaan awal membutuhkan tegangan agak tinggi pada lampu TL konvensional dimungkinkan oleh ballast dan starter. Penyempurnaan lampu TL terutama pada penggunaan sistem penyala elektronik menghasilkan lampu hemat energi.

Cahaya tampak

Infra merah ditampilkan

13

14

Contoh emisi spontan: televisi plasmaElektrode memijarkan campuran gas neon & xenon menjadi plasma lapisan fosfor ber-fluoresensi.

Emisi terangsangSejumlah besar atom di-eksitasi. Dengan cahaya pemicu h, gumpalan atom runtuh ke bawah sambil menyemburkan cahaya emisi terangsang

elektrode belakang elektrode depan

E2h

E1layar televisi satu pixel

Seakan terjadi penguatan cahaya (masuk sedikit, keluar banyak cahaya) LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.15 16

4

Laju penurunanLaju penurunan:

Inversi populasi (1) dN 2 = W21.N 2 dt terangsangF segmen bahan laser

F + dF dz

dengan

W21 = 21.F

dan 21 = 12 = penampang transisi F = fluks foton. Emisi terangsang: Absorpsi:

Perbedaan emisi spontan dan emisi terangsang Emisi spontan: - terjadi dengan sendiri - ke segala arah Emisi terangsang: - ada cahaya pemicu, terjadi penguatan - arah dan fasa emisi sama dgn cahaya pemicu.17

dFterangsang

dN 2 dt

= konst .F.N 2 .dzdalam dz

dFabsorpsi

dN1 dt

= konst .F.N1 .dzdalam dz

Keseluruhan (netto):

dF = konst .F.(N 2 N1 ) .dz

18

Inversi populasi (2)Statistik Boltzmann:N2 E E1 = exp 2 e k.T N1 e

dum

Sistem dua tingkatinversi populasi tidak ada inversi populasi

E2emisi terangsang

E2

dengan k = konstanta Boltzmann = 1,381.10-23 J/K Supaya N2>N1 harus terjadi inversi populasi Usaha untuk memperoleh inversi populasi: pemompaan.E1 Mula-mula

E1 Sebentar kemudian

Jika N2 N1: two level saturation.

19

20

5

dum

Sistem tiga tingkatE3pemompaan

Sistem empat tingkatE3 E2 E2pemompaan pemompaan

E3 E2 E1 E0

E1 E1 E0

E3 langsung ke E1: dilarang E3 ke E2: tanpa emisi Epemompaan > Elaser21

Perhatikan: E3 langsung ke E0: dilarang E3 ke E2 dan E1 ke E0: tanpa emisi E1 dalam keadaan biasa kosong.

Jika E3 tidak tajam / tunggal tetapi membentuk pita: pemompaan lebih mudah.

22

Contoh sistem tingkat energi: laser HeNe

Laser HeNe (& laser hijau) sedang menyala

23

24

6