Emisi Terstimulasi dan Penguatan Optik

Emisi terstimulasi memungkinkan satu foton menginduksi atom tereksitasi untuk memancarkan foton identik, dan medium dengan inversi populasi mengubah ini menjadi penguatan optik bersih.

Definition

Proses di mana foton insiden menstimulasi atom tereksitasi untuk memancarkan foton kedua yang identik, dan amplifikasi cahaya bersih yang dihasilkan, atau penguatan optik, dicapai ketika lebih banyak atom menempati tingkat energi atas daripada tingkat energi bawah.

Scope

Topik ini mencakup dasar mikroskopis dari aksi laser. Ini mencakup tiga proses radiatif: absorpsi, emisi spontan, dan emisi terstimulasi, yang dihubungkan oleh koefisien Einstein; persyaratan inversi populasi untuk amplifikasi bersih dan mengapa hal itu tidak dapat terjadi dalam kesetimbangan termal; koefisien penguatan dan ketergantungannya pada inversi, penampang, dan bentuk garis; saturasi penguatan pada intensitas tinggi; dan skema pemompaan, terutama sistem tiga tingkat dan empat tingkat, yang digunakan untuk menciptakan dan mempertahankan inversi. Ini menjelaskan bagaimana suatu medium memperkuat cahaya secara koheren.

Core questions

• Bagaimana absorpsi, emisi spontan, dan emisi terstimulasi saling berhubungan?
• Mengapa inversi populasi diperlukan untuk penguatan optik?
• Apa yang menentukan besarnya koefisien penguatan?
• Bagaimana skema pemompaan menciptakan dan mempertahankan inversi populasi?

Key concepts

• absorpsi
• emisi spontan
• emisi terstimulasi
• koefisien Einstein
• inversi populasi
• koefisien penguatan
• saturasi penguatan
• pemompaan tiga dan empat tingkat

Key theories

Koefisien Einstein A dan B

Einstein menunjukkan pada tahun 1917 bahwa laju emisi spontan, emisi terstimulasi, dan absorpsi dihubungkan oleh rasio tetap; keberadaan emisi terstimulasi mengikuti dari persyaratan konsistensi dengan radiasi termal.

Inversi populasi dan saturasi penguatan

Amplifikasi bersih memerlukan lebih banyak atom pada tingkat atas daripada tingkat bawah, yang hanya dapat dicapai dengan pemompaan; seiring dengan meningkatnya intensitas optik, hal itu mengurangi inversi, menjenuhkan penguatan dan menstabilkan keluaran laser.

Clinical relevance

Penguatan optik adalah dasar dari setiap laser medis, dan fisika emisi terstimulasi yang sama, yang sengaja dikurangi, mendasari mikroskopi super-resolusi stimulasi-emisi-depletion (STED) yang digunakan dalam penelitian biomedis.

History

Makalah Einstein tahun 1917 tentang teori kuantum radiasi memperkenalkan emisi terstimulasi dan koefisien yang menyandang namanya. Gagasan ini diwujudkan menjadi perangkat pada tahun 1950-an ketika Townes dan, secara independen, Basov dan Prokhorov menyadari amplifikasi melalui emisi terstimulasi gelombang mikro, sebuah karya yang diakui oleh Hadiah Nobel Fisika tahun 1964.

Key figures

• Albert Einstein
• Charles H. Townes
• Nikolay Basov
• Aleksandr Prokhorov

Seminal works

• salehteich2019
• svelto2010

Frequently asked questions

Mengapa material normal dalam kesetimbangan tidak dapat memperkuat cahaya?

Dalam kesetimbangan termal, lebih banyak atom menempati tingkat energi yang lebih rendah daripada yang lebih tinggi, sehingga absorpsi lebih besar daripada emisi terstimulasi dan cahaya dilemahkan; amplifikasi membutuhkan inversi populasi non-kesetimbangan yang dihasilkan oleh pemompaan.

Apa yang istimewa dari foton terstimulasi?

Foton yang dipancarkan oleh emisi terstimulasi cocok dengan foton penstimulasi dalam frekuensi, arah, fase, dan polarisasi, itulah sebabnya cahaya yang diperkuat bersifat koheren.