Pembentukan laser

skenario umum
glossary istilah
Munculnya laser menandai pertama kalinya manusia berhasil menguasai foton. Laser adalah sumber cahaya khusus yang memperkuat cahaya melalui radiasi terstimulasi, dan proses pembentukannya melibatkan beberapa mekanisme fisik seperti mekanika kuantum, resonansi optik, dan eksitasi energi. Berikut adalah faktor utama yang berkontribusi pada pembentukan laser:
I. Emisi terstimulasi dan inversi jumlah partikel
Pembangkitan laser dimulai dengan transisi kuantum antara tingkat energi atom. Ketika elektron menyerap energi dan berpindah ke keadaan energi yang lebih tinggi, sistem berada dalam keadaan tidak stabil. Pada saat ini, elektron melepaskan energi melalui dua cara:
Emission spontan: Elektron secara acak melompat kembali ke keadaan energi yang lebih rendah dan memancarkan foton dengan arah dan fase yang berbeda.
Emission terstimulasi: Ketika energi foton eksternal sesuai dengan perbedaan tingkat energi, itu akan memicu elektron dalam keadaan terangsang untuk secara bersamaan melepaskan foton yang persis sama, yang membentuk dasar dari penguatan optik.
Penguatan optik: Partikel pada tingkat energi tinggi mengalami emisi terstimulasi yang dipicu oleh foton insiden, menghasilkan foton dengan fase dan frekuensi yang sama. Foton-foton ini berayun berulang kali dalam rongga resonansi, memicu reaksi berantai dan membentuk cahaya koheren intensitas tinggi.
Inversi jumlah partikel: Sistem pompa memecah keadaan kesetimbangan termal, memungkinkan zat kerja membentuk tingkat energi metastabil.
Ii. Rongga Resonansi Optik
Umpan balik rongga resonansi: Rongga resonansi optik yang terdiri dari dua cermin memungkinkan foton dalam arah tertentu untuk bergerak bolak-balik beberapa kali. Ketika penguatan melebihi kerugian, loop umpan balik positif akan terbentuk, dan akhirnya sinar koheren akan dikeluarkan.
Seleksi mode: Dengan desain rongga pendek atau umpan balik grating, distribusi mode longitudinal dan transversal dikontrol untuk mencapai output single-frequency dan single-mode.
Konsentrasi energi: Pendeknya panjang efektif zat kerja dan meningkatkan efisiensi output laser.
Iii. Statistik Bose
Foton identik: Foton yang dihasilkan oleh radiasi terstimulasi memiliki frekuensi, fase, dan keadaan polarisasi yang persis sama.
Superposisi fungsi gelombang: Sejumlah besar foton identik membentuk keadaan kuantum makroskopik, memberikan cahaya koherensi sempurna.
Karakteristik laser:
Karah: Sudut divergensi sumber cahaya umum relatif besar, sedangkan sumber cahaya laser relatif kecil dan arahnya tetap.
Monokromatisme: Lebar garis spektral laser lebih sempit daripada sumber cahaya biasa, sehingga memiliki monokromatisme yang lebih baik.
Kecerlangan tinggi: Laser mengeluarkan sinar yang sangat sejajar dan dapat dikeluarkan dengan konsentrasi yang lebih tinggi.
Pembentukan laser adalah kombinasi sempurna antara mekanika kuantum dan rekayasa optik. Inti dari laser terletak pada pencapaian penguatan cahaya yang terkendali melalui inversi jumlah partikel dan radiasi terstimulasi. Pengembangan laser mendorong inovasi di industri seperti manufaktur, kesehatan, dan teknologi informasi.