handout emisi i-1011

5/10/2018 Handout Emisi I-1011 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/handout-emisi-i-1011 1/61

1

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.

dum

2

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.

dum

EMISI SPONTAN danEMISI TERANGSANG

Andrianto HandojoTeknik Fisika ITB

4

Laser berpangkal dari atom

Model atom:

RutherfordThomson

Setiap elektron merasakan:

Gaya tarik Coulomb: F C= pq 2 / (4πε0r 2)

Gaya sentrifugal: F s = m ev 2 / r dengan p = nomor atom, q = muatan elementer, r = jari-jari orbit,

m e= massa elektron, v = kecepatan orbit.

Pada keseimbangan: F C = F s→ diperoleh hubungan antara v dan r

→ Energi elektron = Energi Coulomb + Energi kinetik.



5

Tingkat energi dalam atom

E 2

E 1

seperti:

waduk

sungai di kaki bukit

Energi dapat dinaikkan (di-eksitasi) oleh:

- pemanasan- tumbukan mekanik- energi cahaya → disebut absorpsi- dll.

Jari-jari orbit sudah tertentu (eksak harganya, Bohr)

→ jadi setiap elektron dlm atom mempunyai energi yg eksak

besarnya→ begitu juga atom: energinya eksak.

6

Absorpsi

Laju kenaikan:

N 1 = jumlah atom pada tingkat energi E 1 dan W 12 = σ12.F F = fluks cahaya datang

σ12 = penampang absorpsi.

Contoh absorpsi:

garis-garis hitam pada spektrum cahaya matahari.

h ν = E 2 − E 1

h = konstanta Planck= 6,625 × 10−34 J.s

ν = frekuensi cahaya

h ν

E 2

E 1

dum

112

1 N W

dt

dN −=

7

Spektrum cahaya matahari

Matahari:

dum

suhupermukaan

6000 K

gas < 6000 K

8

Penurunan energi

Kecenderungan alamiah: setiap benda / sistem berusahaberada 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) Ketika turun ke bawah, kelebihan energi dikembalikan.

Pengembalian energi bisa dalam bentuk:- pemberian energi mekanik- pengeluaran panas- pemancaran cahaya → disebut emisi.

dum



9

Emisi spontan

Karena atas inisiatif sendiri, dinamai emisi spontan

h ν h ν = E 2 − E 1

h = konstanta Planck ν = frekuensi cahaya

E 2

E 1

2

spontan

2 A.N dt

dN −=

Laju penurunan:

Waktu tinggal rata-rata: A

1τ spontan =

dum

10

Contoh emisi spontan: lampu natrium & reklame

emisi spontan padaλ = 589 nm (kuning)

loncatan listrik darielektroda mengeksitasi

gas natrium ν = (E 2 – E 1)/ h = 5,09 × 1014 Hz

λ = c / ν

dum

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

11

Contoh emisi spontan: spektrum emisi

Jika material dipijarkan:

- timbul emisi dengan spektrum yang spesifik

- spektrum tersebut sama dgn spektrum absorpsi (pada fase gas).

Gejala ini dimanfaatkan utk analisis material

(kegiatannya disebut spektroskopi).

dum

Spektrum absorpsihidrogen

Spektrum emisihidrogen

Spektrum emisibesi

12

Contoh emisi spontan: LED

LED : light emitting diode

Arus pada sambungan ( junction ) menyebabkan

penurunan energi yg menimbulkan cahaya.

p n

ν = (E 2 – E 1)/h

dum

warna LED tergantung padamaterial dioda



13

Contoh (absorpsi dan) emisi spontan (1)

Fluoresensi:

emisi pada panjang

gelombang yang

berbeda dari panjang

gelombang datang.

Contoh fluoresensi:

absorpsi emisi spontan(fluoresensi)

h ν

dum

Cahaya tampak Infra merah ditampilkan14

Contoh (absorpsi dan) emisi spontan (2)

Lampu fluoresensi (TL):

gas merkuri yg dipijarkanmemancarkan UV, lapisan

fosfor pd dinding dalam

lampu ber-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.

dum

15

Contoh emisi spontan: televisi plasma

Elektrode memijarkan campurangas neon & xenon

menjadi plasma→ lapisan fosfor

ber-fluoresensi.

elektrodedepan

elektrodebelakang

layartelevisi

satu pixel

16

Emisi terangsang

E 2

E 1

Sejumlah besar atom di-eksitasi.

h ν

Dengan cahaya pemicu h ν , gumpalan atom runtuh ke bawah

sambil menyemburkan cahaya → emisi terangsang

Seakan terjadi penguatan cahaya

(masuk sedikit, keluar banyak cahaya) → LASER:

Light Amplification by S timulated E mission of R adiation.



5

17

Laju penurunan

Laju penurunan:

dengan dan σ21 = σ12 = penampang transisi

F = fluks foton.

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.

221

terangsang

2.N W

dt

dN −=

.F σ W 2121 =

18

Inversi populasi (1)

Emisi terangsang:

Absorpsi:

Keseluruhan (netto):

dz

F + dF F

segmen bahan laser

.dzσ.F.Nkonstdt

dNdF 2

dzdalam

2terangsang =∝

.dzσ.F.NkonstdtdNdF 1

dzdalam

1absorpsi =∝

( ).dzNNσ.F.konstdF 12 −=

19

Inversi populasi (2)

Statistik Boltzmann:

dengan k = konstanta Boltzmann = 1,381.10-23 J/K

Supaya N 2>N 1 harus terjadi inversi populasi

Usaha untuk memperoleh inversi populasi: pemompaan.

−

−=

k.T

EE exp

N

N 12

e

1

e

2

20

Sistem dua tingkat

Jika N 2 ≈ N 1: two level saturation.

E 2

E 1

emisiterangsang

inversi populasi

dum

Mula-mula

E 2

E 1

tidak ada inversi populasi

Sebentar kemudian



6

21

Sistem tiga tingkat

E 3 langsung ke E 1: dilarang

E 3 ke E 2: tanpa emisi

∆E pemompaan > ∆E laser

E 3

E 1

E 2pemompaan

22

Sistem empat tingkat

Perhatikan:E 3 langsung ke E 0: dilarang

E 3 ke E 2 dan E 1 ke E 0: tanpa emisi

E 1 dalam keadaan biasa kosong.

E 3

E 0

pemompaan

E 2

E 1

E 0

pemompaan

E 2

E 1

E 3

Jika E 3 tidak tajam / tunggaltetapi membentuk pita:

pemompaan lebih mudah.

dum

23

Contoh sistem tingkat energi: laser HeNe

24

Laser HeNe (& laser hijau) sedang menyala

handout emisi i-1011

Documents