Komponen Dasar Laser

populasi pada keadaan kesetimbangan termal (ekuilibrium), populasi-populasi digambarkan oleh statistik Boltzmann. Jika e N dan 1 e N2 adalah berturut-turut populasi pada kesetimbangan termal, maka :

dengan k adalah konstanta Boltzmann dan T adalah temperatur absolut dari material. Pada kesetimbangan termal, berlaku 1 e 2 1 e 2 N < g N / g , dimana ini terjadi pada kondisi yang umum/normal. Namun jika kondisi ketidaksetimbangan dicapai ( 1 e 2 1 e N2 > g N / g ), maka material berperilaku sebagai penguat (amplifier), yang berarti terjasi inversi populasi. Sehingga material ini dapat digunakan sebagai bahan aktif dari Laser. Jika frekuensi transisi ν0 = (E2 − E1 )/ kT berada pada daerah gelombang mikro, maka tipe material penguat ini disebut maser amplifier, dan jika berada pada daerah optik, maka disebut laser amplifier. Untuk membuat suatu osilator dari amplifier, maka diperlukan suatu feedback positif yang sesuai. Dalam daerah gelombang mikro, hal ini dilakukan dengan menempatkan bahan aktif dalam resonant cavity yang memiliki frekuensi ν0. Dalam kasus Laser, feedback sering diperoleh dengan menempatkan bahan aktif diantara dua cermin pemantul (reflecting mirrors), seperti cermin bidang yang sejajar.

Dalam kasus ini, gelombang bidang EM menjalar dalam arah yang tegak lurus dari cermin, sehingga terjadi pemantulan oleh kedua cermin, dan dikuatkan pada setiap lintasan melalui bahan aktif. Jika cermin-2 dibuat transparan sebagian, maka berkas cahaya output akan diperoleh dari cermin-2.

Agar dapat diproduksi inversi populasi dalam bahan aktif, maka interaksi antara cahaya dengan material/bahan harus cukup kuat, mungkin dengan menggunakan lampu berintensitas cukup tinggi pada frekuensi ν = ν0. Karena pada kesetimbangan termal ( )( ) 1 1 2 2 N / g > N g , absorpsi lebih dominan daripada emisi terstimulasi, maka cahaya datang akan lebih banyak menghasilkan transisi 1→2 daripada 2→1, sehingga diharapkan akan terjadi inversi populasi. Namun kenyataannya tidak pernah terjadi (setidaknya pada kasus steady state). Jika g2N2 = g1N1, proses absorpsi dan emisi terstimulasi saling mengkompensasi, sehingga material menjadi transparan. Keadaan ini disebut two-level saturation. Populasi inversi tidak akan pernah bisa dihasilkan oleh material dengan dua tingkatan energi (two-level). Agar terjadi inversi populasi, maka harus dilakukan pada three-level atau fourlevel, seperti ditunjukkan pada Gb. 1.4. 

Dalam laser three-level, atom-atom tereksitasi ke tingkatan/level-3, kemudian meluruh dengan cepat ke level-2, sehingga inversi populasi terjadi antara level-2 dan level-1, maka terjadilah laser. Dalam laser four-level, atom-atom tereksitasi dari keadaan dasar (level-0) ke level-3, kemudian meluruh secara cepat ke level-2 dan terjadi inversi populasi antara level-2 dan level-1, sehingga terjadi emisi terstimulasi (laser). Peluruhan cepar dapat terjadi dari level-1 ke level-0 yang umumnya non-radiatif. Jika dibandingkan antara kedua sistem laser diatas, maka jelas, bahwa inversi populasi lebih mudah terjadi pada four-level daripada three-level laser.