Emisi Terstimulasi/Terimbas; Bagaimana Sebuah Foton Memicu Penghasilan Foton Lain dan Bagaimana Cahaya Laser Dihasilkan Melalui Proses ini

Emisi terstimulasi atau terimbas adalah salah satu cara foton dihasilkan. Foton yang dihasilkan dari proses emisi terstimulasi berbeda dengan foton yang dihasilkan dari proses emisi spontan, jika foton yang dipancarkan oleh emisi spontan cenderung random atau acak, maka tidak demikian dengan radiasi foton yang diradiasikan pada emisi terstimulasi yang cenderung sefase dan memiliki arah yang sama, polarisasi yang sama dan energy yang sama.

Dalam emisi terstimulasi, foton yang datang akan menstimulasi/memicu terjadinya emisi foton lain dengan cara mengimbas electron pada tingkat energy yang lebih tinggi (E2) untuk “jatuh” menuju tingkat energy yang lebih rendah (E1). Kita mengetahui bersama bahwa foton sesungguhnya merupakan gelombang elektromagnetik, pada saat proses emisi terstimulasi medan listrik dari foton datang akan menggandeng (coupling) electron pada E2 dan karena itu akan mampu mengendalikan/menggerakkan/mendorong-nya dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi foton. Osilasi paksa yang diberikan oleh medan listrik foton pada elektron pada frekuensi f=(E2-E1)/h menyebabkan electron mengemisikan radiasi gelombang elektromagnetik yang medan listriknya sefase dengan foton yang mestimulasinya (mudahnya electron di sini menyamakan frekuensi dengan frekuensi medan listrik dari foton datang). Ketika foton datang tadi meninggalkan tempat terjadinya emisi terstimulasi, electron akan kembali pada tingkat energy E1 karenan telah mengemisikan foton dengan energy hf=(E2-E1) .

                                                              Gambar 1. Emisi terstimulasi

Emisi terstimulasi menjadi dasar untuk mendapatkan penguatan foton karena dalam proses ini sebuah foton datang akan menghasilkan dua foton keluaran dengan fase yang sama. Agar terjadi emisi terstimulasi, foton datang tidak boleh diabsorpsi oleh atom lain di tingkat energi E1. Pada LASER, penguatan foton terjadi tidak dengan sebuah electron/atom tetapi dengan kumpulan atom yang berada pada tingkat energy tinggi E2. Kondisi ini (mayoritas atom berada pada tingkat energy tinggi E2) harus tercapai agar foton datang tidak terserap oleh atom pada tingkat energy rendah E1. Kondisi dimana jumlah atom pada tingkat energy E2 lebih besar daripada jumlah atom di tingkat energy E1 disebut kondisi inverse populasi (population inversion). Harus diketahui juga bahwa kita tidak akan bisa mencapai kondisi inversi populasi dengan hanya dua tingkatan energy karena dalam keadaan tunak (steady state) aliran foton datang akan menyebabkan eksitasi ke atas dan emisi spontan kebawah dengan jumlah sama banyak. Pada sistem tiga tingkat energy, salah satu tingkat energy tepatnya tingkat energy paling tinggi E3, jika terdapat atom-atom padanya maka atom-atom tersebut akan dengan cepat meluruh/ mengalami proses deeksitasi menuju tingkat energy tengah E2. Pada tingkat energy E2, atom-atom akan bertahan lebih lama di tingkat energy ini sehingga menyababkan terjadinya inverse populasi (keadaan ini biasa disebut keadaan metastabil). Jika salah satu atom pada tingkat energy E2 mengalami emisi spontan dan mengemisikan foton, maka foton ini dapat menjadi pemicu atom-atom lain untuk mengalami deeksitasi menuju tingkat energy E1 melalui proses emisi terstimulasi.
Gambar 2. Emisi Terstimulsi pada tiga tingkat energi dan inversi populasi yang terjadi pada                                kedaan metastabil  

Gambar 3. Laser Helium-Neon, salah satu Laser dengan tiga tingkat energi