handout emisi i-1011
TRANSCRIPT
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.
5/10/2018 Handout Emisi I-1011 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/handout-emisi-i-1011 2/62
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
5/10/2018 Handout Emisi I-1011 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/handout-emisi-i-1011 3/63
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
5/10/2018 Handout Emisi I-1011 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/handout-emisi-i-1011 4/64
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.
5/10/2018 Handout Emisi I-1011 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/handout-emisi-i-1011 5/6
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
5/10/2018 Handout Emisi I-1011 - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/handout-emisi-i-1011 6/6
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