DASAR-DASAR LASER Pertemuan 26 Mata kuliah: K0014 – FISIKA INDUSTRI Tahun: 2010

DASAR-DASAR LASER LASER merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Saat ini, aplikasi dari Laser dapat dijumpai pada berbagai bidang, seperti : kesehatan, penelitian, industri, pertahanan, komunikasi dan lainnya. Beberapa sifat sinar laser yang menguntungkan : - Cahaya yang koheren - Cahayanya hampir monokromatik - Berkas sinar laser hampir tidak menyebar - Intensitasnya sangat tinggi.

Bina Nusantara 1. Interaksi Materi Dengan Cahaya. Tinjau atom tunggal dengan dua tingkat energi E 1 dan E 2 E 2 E 2 foton datang energi foton diserap awal (ground state) E 1 akhir (excited state ) E 1 - Foton menumbuk atom, energi foton diserap atom sehingga tingkat energi atom naik dari E 1 menjadi E 2 dengan : E 2 - E 1 = h f f = frekuensi h = konstanta Planck - Atom pindah ke tingkat energi lebih tinggi

Bina Nusantara Emisi cahaya * Emisi spontan E 2 E 2 foton E 1 E 1 excited state ground state - elektron pindah kembali secara sepontan ke tingkat energi terendah (ground state) setelah berada pada tingkat energi lebih tinggi (excited state E 2 ) selama detik sambil melepaskan foton (cahaya) dengan energi E = hf

Emisi terangsang (stimulated emission) foton foton emisi excited state ground state Sebuah foton dengan energi hf menumbuk atom yang berada pada tingkat energi lebih tinggi, merangsang atom kembali tingkat dasar dasar sebelum detik berlalu dengan melepaskan foton berenergi hf, hingga foton yang keluar menjadi 2 buah yaitu: satu yang masuk (merangsang) dan kedua yang berasal dari emisi terangsang. Kedua foton ini mempunyai : frekuensi, arah dan polarisasinya sama ( koherensi spatial), demikian jugadengan fase dan kecepatan keduanya akan sama (koherensi temporal)

2. Elemen Utama Dari laser : (1) Medium aktif Medium aktif merupakan sumber populasi inversi dan medium tempat terjadinya proses emisi distimulasi. Medium aktif merupakan bahan yang atom-atomnya mudah tereksitasi bila terkena cahaya (foton). Beberapa medium aktif yang banyak digunakan pada teknolog laser adalah: gas, zat cair, zat padat dan bahan semi konduktor. Populasi inversi Keadaan dimana atom/molekul/ion lebih banyak berada pada tingkat energi lebih tinggi dari pada di tingkat energi rendah (ground state). Keadaan ini dibutuhkan agar emisi distimulasi dapat efektif, yaitu menghasilkan kondisi sinar laser.

(2)Mekanisme Eksitasi Sumber energi eksitasi dapat berupa : - Secara Optik, seperti : lampu busur, lampu kilat dan laser. Untuk memperoleh populasi inversi, digunakan cahaya luar untuk mengeksitasi atom/molekul/ion dari medium aktif ke tingkat energi lebih tinggi (lebih tinggi dari tingkat metastabil) yang kemudian meluruh secara spontan ke tingkat metastabil sambil mengeluarkan panas. Cara energi eksitasi ini disebut pemompaan optik (Optical pumping) - Secara Listrik, seperti: lucutan listrik, RF(radio frekuensi) Keadaan Metastabil Keadaan metastabil adalah suatu keadaan dimana atom berada pada tingkat energi yang lebih tinggi (E 2 ) dari pada ground state(E 1 ) dan berada pada tingkat ini lebih lebih lama. Emisi spontan berkurang dan jumlah populasi inversi akan meningkat.

Bina Nusantara Pumping level E 4 panas E 3 metastabil level foton foton pumping E 2 panas E 1 ground level Diagram Eksitasi dan deeksitasi atom/molekul/ion

Bina Nusantara (3) Rongga osilator (Resonator cavity) Rongga resonator adalah alat untuk meningkatkan populasi inversi serta menyelaraskan semua foton hasil eksitasi stimulasi agar searah dan berfrekuensi sama serta berfase yang sama. Pada kedua ujungnya terdapat cermin, satu cermin(di bagian belakang) dengan reflektivitas 100%, dan satu lagi ( di bagaian depan) berupa cermin dengan reflektivitas 85-90% dan transmisivitas 10-15%. Semua foton yang tidak koaksial dengan sumbu resonator akan disearahkan menjadi koaksial oleh kedua cermin tersebut. Medium aktif diletakan dalam resonator. Panjang rongga resonator (L) dirancang agar di dalam rongga resonator terbentuk gelombang stasioner, maka : L = m [λ / 2] λ = panjang gelombang c ahaya m = 1, 2, ….

Bina Nusantara Frekuensi resonansi : f m = m [C / 2L] C = kecepatan cahaya Beda frekuensi antara ragam getaran : ∆ f = C / 2L Dalam prakteknya panjang resonator juga ditentukan oleh jenis kedua cermin yang digunakan. 3. Prinsip Kerja Laser Mekanisme eksitasi memberi energi pada atom/ molekul/ion dari medium aktif hingga tereksitasi pada level energi lebih tinggi ( lebih tinggi dari level metastabil). Proses ini berlangsung terus menerus hingga kondisi populasi inversi selalu terpenuhi. Atom/molekul/ion tersebut akan turun ke level energi metastabil secara sepontan sambil memancarkan panas. Atom-atom tersebut selanjutnya turun ke level ang

Bina Nusantara energi lebih rendah sambil meradiasikan energi berupa foton. Foton-foton tersebut dipantulkan bolak-balik dalam rongga rseonator dan oleh kedua cermin resonator dibuat menjadi koaksial dengan sumbu resonator. Foton yang turun secara spontan akan menumbuk atom/molekul/ion yang berada pada level eksitasi hingga turun ke level energi lebih rendah sambil meradiasikan foton (emisi terstimulasi). Foton ini selanjutnya juga akan menstimulasi atom-atom pada tingkat energi lebih tinggi turun ke level energi lebih rendah sambil meradiasikan foton. Dengan demikan pada rongga resonator terjadi emisi (radiasi) spontan dan emisi terstimulasi. Pantulan berulang kali oleh cermin dan adanya.

Bina Nusantara medium aktif di antara kedua cermin menyebabkan terbentuknya gelombang stasioner yang terus membesar. Pada cermin yang refleksitasnya sebagian akan terpancar sinar laser yang koheren dengan intensitas tinggi 4. Macam-macam laser Pada umumnya pengelompokan laser didasarkan pada medium aktif yang digunakan. Maka dikenal beberapa macam laser, yaitu : - Laser gas. Contoh : Laser CO2, laser Argon dan laser Helium- Neon - Laser zat padat. Contoh : Laser Ruby, Nd-YAG dan laser Excimer

Bina Nusantara - Laser cairan contoh : laser Dye - Laser semi konduktor Contoh: Laser dioda (laser GaAs, GaASP )