16/11/2011

1

LASER

Nurun Nayiroh, M.Si

Pertemuan ke-10

FISIKA MODERN

Pendahuluan

• LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation), adalah penguatan cahaya melalui pancaran

radiasi yang terstimulasi→Berkas cahaya tersebut dihasilkan

oleh adanya rangsangan (stimulasi) dari luar berupa energi

foton yang diinteraksikan terhadap bahan aktif laser.

• Laser merupakan alat yang menggunakan efek mekanika

kuantum, pancaran terstimulasi, untuk menghasilkan sebuah

cahaya yang koherens dari medium "lasing" yang dikontrol

kemurnian, ukuran, dan bentuknya.

• Daya yang dihasilkan laser antara 1.000 sampai 1.000.000

kali lebih kuat dari bola pijar. Ini menghasilkan panas yang

luar biasa.

16/11/2011

2

Jenis-jenis Laser

Ada tiga jenis laser menurut fase bahan aktif laser, yaitu:

- Laser zat padat, bahan aktifnya berupa zat padat, seperti laser Ruby, Laser Nd-YAG, laser semikonduktor (dioda);

- Laser gas, bahan aktifnya berupa gas, seperti laser N2, laser HeNe, laser CO2; dan

- Laser zat cair, bahan aktifnya berupa zat cair, seperti laser zat warna (dye lasers).

Karakteristik Laser

• Sifat-sifat khas Laser, yaitu :

– Tingkat kemonokromatisan (monochromatic) yang tinggi → cahaya

yang dipancarkan 1 warna atau 1 panjang gelombang

– Koherensi (coherent) yang tinggi → panjang gelombang sinar laser

berada dalam fase ruang dan waktu

– Tingkat keterarahan (directionality) yang tinggi → sinar yang

dipancarkan sebagai sinar yang relatif sempit dalam arah tertentu

– Intensitas (brigthness) yang tinggi, dan

– Durasi yang pendek (short time duration) untuk laser pulsa.

Dari beberapa sifat sinar laser di atas membuatnya

lebih berbahaya dari pada cahaya biasa, karena sinar

laser dapat mendeposit banyak energi dalam area

yang kecil.

16/11/2011

3

Sinar Lampu Pijar vs. Laser

1. Many wavelengths

2. Multidirectional

3. Incoherent

1. Monochromatic

2. Directional

3. Coherent

Komponen Umum untuk Semua Laser

1. Medium Aktif

Medium aktif dapat berupa kristal padat seperti ruby atau Nd:YAG, cairan,

dan gas seperti CO2 or Helium/Neon, atau semikonduktor seperti GaAs.

Medium aktif mengandung atom-atom yang elektron-elektronnya dapat

tereksitasi oleh sumber energi ke tingkat energi metastabil.

2. Mekanisme Eksitasi

Mekanisme pompa energi eksitasi ke dalam medium aktif dengan satu

atau lebih dari tiga metode dasar, yaitu secara optis, listrik dan kimia.

3. Cermin dengan refleksitansi tinggi

Sebuah cermin yang merefleksikan sinar laser 100%.

4. Partially Transmissive Mirror

Sebuah cermin yang merefleksikan sinar laser kurang dari 100% dan

mentransmisikan sisanya.

16/11/2011

4

Laser Gas terdiri dari tabung yang terisi gas yang

ditempatkan pada rongga laser. Sebuah tegangan dipasang

pada tabung untuk mengeksitasi atom-atom dalam gas ke

inversi populasi. Sinar yang dipancarkan dari laser tipe gas

ini biasanya berupa gelombang kontinyu.

• Sebetulnya laser merupakan perkembangan dari MASER, huruf M singkatan dari Microwave, artinya gelombang mikro.

• Cara kerja maser dan laser adalah sama, hanya saja bekerjanya pada panjang gelombang yang berbeda. Laser bekerja pada spektrum infra merah sampai ultra ungu, sedangkan maser memancarkan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang jauh lebih panjang, sekitar 5 cm, lebih pendek sedikit dibandingkan dengan sinyal TV - UHF.

16/11/2011

5

Proses Pemancaran Sinar Laser

1. Energi diberikan pada medium aktif untuk menaikkan elektron-elektron ke tingkat energi yang tidak stabil.

2. Atom-atom itu secara spontan hilang ke energi lebih rendah, keadaan metastabil.

3. Sebuah inversi populasi tercapai ketika mayoritas atom-atom telah mencapai keadaan metastabil.

4. Aksi pemancaran terjadi ketika sebuah elektron secara spontan kembali ke keadaan dasar dan menghasilkan foton.

5. Jika energi dari foton ini adalah panjang gelombang yang tepat, maka akan merangsang produksi foton lain yang mempunyai panjang gelombang yang sama dan menghasilkan efek pancaran.

6. Cermin refleksi tinggi dan cermin refleksi sebagian meneruskan reaksi dengan mengarahkan foton kembali melalui sepanjang medium di sepanjang sumbu laser.

7. Cermin reflkesi sebagian mentransmisikan sejumlah kecil sinar koheren yang kita amati sebagai “sinar” (laser).

8. Sinar Laser akan kontinyu selama terdapat energi yang diberikan pada medium penguat.

10

Lasing Action Diagram

Ene

rgy

Introduc

tion

Ground State

Excited State

Metastable State

Spontaneous Energy Emission

Stimulated Emission of Radiation

16/11/2011

6

11

16/11/2011

7

13

Argon fluoride (Excimer-UV)

Krypton chloride (Excimer-UV)

Krypton fluoride (Excimer-UV)

Xenon chloride (Excimer-UV)

Xenon fluoride (Excimer-UV)

Helium cadmium (UV)

Nitrogen (UV)

Helium cadmium (violet)

Krypton (blue)

Argon (blue)

Copper vapor (green)

Argon (green)

Krypton (green)

Frequency doubled

Nd YAG (green)

Helium neon (green)

Krypton (yellow)

Copper vapor (yellow)

0.193

0.222

0.248

0.308

0.351

0.325

0.337

0.441

0.476

0.488

0.510

0.514

0.528

0.532

0.543

0.568

0.570

Helium neon (yellow)

Helium neon (orange)

Gold vapor (red)

Helium neon (red)

Krypton (red)

Rohodamine 6G dye (tunable)

Ruby (CrAlO3) (red)

Gallium arsenide (diode-NIR)

Nd:YAG (NIR)

Helium neon (NIR)

Erbium (NIR)

Helium neon (NIR)

Hydrogen fluoride (NIR)

Carbon dioxide (FIR)

Carbon dioxide (FIR)

0.594

0.610

0.627

0.633

0.647

0.570-0.650

0.694

0.840

1.064

1.15

1.504

3.39

2.70

9.6

10.6

Key: UV = ultraviolet (0.200-0.400 µm)

VIS = visible (0.400-0.700 µm)

NIR = near infrared (0.700-1.400 µm)

WAVELENGTHS OF MOST COMMON LASERS

Wavelength (µµµµm)Laser Type

Prinsip kerja laser

• Mekanisme laser melibatkan 3 proses dasar interaksi radiasi dengan materi, yaitu serapan, pancaran spontan (fluorensi), dan pancaran terstimulasi/terangsang

• Prinsip kerja laser di atas berdasarkan postulat Einsten (1917): “pancaran imbas pada peristiwa radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yang sedang menyerap dan memancarkan radiasi. Menurut dia ada 3 proses yang terlibat dalamkesetimbangan itu, yaitu : serapan, pancaran spontan (disebut fluorensi) dan pancaran terangsang ( atau lasing dalam bahasa Inggrisnya, artinya memancarkan laser)

16/11/2011

8

1. Absorbtion (serapan)

• Mula-mula sistem atom (atau molekul) berada pada

keadaan dasar (energi tingkat 1). Jika radiasi

elektromagnet (foton) yang berfrekuensi:

(bertenaga hѵ) mengenai atom (molekul) tersebut,

maka atom akan tereksitasi ke energi tingkat 2. Proses

ini dikenal sebagai serapan dan dapat ditulis sebagai:

h ѵ (foton) + A →→→→ A*

dengan A dan A* berturut-turut mewakili sebuah atom(molekul) pada keadaan dasar dan pada keadaan tereksitasi.

Gambar 1. Proses serapan foton oleh atom (molekul)

Laju perubahan populasi (cacah atom/molekul per satuan volume)energi tingkat 1 akibat proses serapan dapat dituliskan sebagai:

dengan W12 adalah laju serapan. Laju serapan W12 bergantung padarapat tenaga radiasi elektromagnet yang datang ρ (ν) dan dapat

ditulis sebagai:

dengan B12 adalah koefisien serapan Einstein, dan rapat tenaga

radiasi elektromagnet mengikuti rumusan Planck, yaitu

16/11/2011

9

2. Pancaran Spontan (Spontaneous Emission)

• Mula-mula atom (molekul) berada pada keadaan

tereksitasi (energi tingkat 2). Karena E2 > E1, maka

atom (molekul) dapat mengalami transisi deeksitasi

ke energi dasar (energi tingkat 1) secara radiatif

(memancarkan foton). Proses ini terjadi tanpa

pengaruh dari luar (lingkungan sistem) dan disebut

sebagai pancaran spontan.

• Proses ini dapat dituliskan sebagai:

A* → A + hѵ (foton)

Laju perubahan populasi energi tingkat 2 akibat pancaran spontandapat dituliskan sebagai:

dengan A21 adalah laju pancaran spontan atau disebut juga koefisien

pancaran spontan Einstein.

Gambar 2. Proses pancaran spontan dari suatu atom (molekul)

16/11/2011

10

3. Pancaran Terstimulasi (Stimulated Emission)

• Mula-mula atom (molekul) berada pada keadaan

tereksitasi (energi tingkat 2). Pada keadaan ini, jika

sebuah foton dengan frekuensi seperti persamaan (1)

mengenai atom (molekul) ini, maka foton ini cenderung

merangsang (menstimulasi) atom untuk mengalami

deeksitasi ke energi tingkat 1 sambil memacarkan foton

yang berfrekuensi sama.

• Proses ini dapat dituliskan sebagai:

hѵ (foton) + A* → A + 2 hѵ ( 2 foton)

Gambar 3. Proses pancaran

terstimulasi dari sebuah atom (molekul).

• Laju perubahan populasi energi tingkat 2 akibat pancaran terstimulasi dapat ditulis sebagai:

dengan W21 adalah laju pancaran terstimulasi.

• Laju pancaran terstimulasi juga bergantung pada rapat tenga radiasi elektromagnet yang datang r (n) dan dapat ditulis sebagai:

dengan B21 adalah koefisien pancaran spontan Einstein.

• Diketahui bahwa serapan dan pancaran terstimulasi memiliki kebolehjadian yang sama, yaitu bahwa W12 = W21 = W dan B12 = B21 = B.

16/11/2011

11

• Beberapa perbedaan antara pancaran spontan dan pancaran

terstimulasi dirangkum pada Tabel 1 berikut ini:

Pancaran Spontan Pancaran Terstimulasi

Tidak ada hubungan fase antara

gelombang-gelombang (radiasi)

elektromagnet yang dipancarkan oleh

atom-atom (molekul-molekul)

Gelombang (radiasi) elektromagnet

yang dipancarkan oleh atom

(molekul) memiliki fase yang sama

dengan gelombang elektromagnet

yang datang, sehingga saling

memperkuat.

Radiasi elektromagnet (foton)

dipancarkan dalam arah sembarang.

Radiasi elektromagnet (foton) yang

dipancarkan atom (molekul)

memiliki arah yang sama dengan

arah foton datang.

Laju pancaran spontan tidak

bergantung pada rapat tenaga

(intensitas) radiasi datang.

Laju pancaran terstimulasi

bergantung pada rapat tenaga

(intensitas) radiasi datang.

• Cara-cara untuk mencapai keadaan inversi populasi ini antara

lain adalah pemompaan optis dan pemompaan elektris.

• Pemompaan optis adalah penembakan foton, sedangkan

pemompaan elektris adalah penembakan elektron melalui

lucutan listrik.

• Untuk menuju keadaan inversi populasi pemompaan ini harus

melakukan pemindahan atom ke tingkat eksitasi dengan laju

yang lebih cepat dibandingkan dengan laju pancaran

spontannya. Hal ini dapat dilakukan jika dipergunakan

medium laser yang atom-atomnya memiliki tingkat energi

yang metastabil.

• Dengan demikian pada saat pemompaan terus berlangsung,

terjadilah kemacetan lalu lintas di tingkat metastabil ini,

populasinya akan lebih padat dibandingkan dengan populasi

tingkat energi di bawahnya.

16/11/2011

12

• Syarat penting lainnya untuk menghasilkan laser adalah meningkatkan nisbah laju pancaran terangsang terhadap laju pancaran spontannya. Nisbah tersebut mudah sekali didapat

• Persamaan di atas menunjukkan bahwa rapat energi e ( ѵ ) harus cukup besar agar laser dapat dihasilkan.