A. Jenis-jenis Laser
1. Berdasarkan Sumbernya
a. Solid-state laser
Solid-state laser adalah laser yang menggunakan zat padat sebagai mediumnya. Salah satu solid-state laser adalah laser ruby. Laser ruby menghasilkan pulsa cahaya tampak pada panjang gelombang 694,3 nm, yang berwarna merah tua. Salah satu aplikasi pertama untuk laser ruby berada di rangefinding. Pada tahun 1964, laser ruby dengan memutar prisma q-switch menjadi standar untuk pengukur jarak militer, sampai diperkenalkannya pengukur jarak yang lebih efisien satu dekade kemudian. Laser ruby digunakan terutama dalam penelitian.Laser ruby jarang digunakan dalam industri, terutama karena efisiensi yang rendah dan tingkat pengulangannya rendah. Material telah dikuatkan terdistribusi dalam matriks padat (seperti ruby atau neodymium: yttrium-aluminium garnet laser). Laser neodymium yang memancarkan cahaya inframerah pada 1.064 nanometer (nm).
b. Laser Gas
Laser gas adalah laser di mana arus listrik dihantarkan melalui gas untuk menghasilkan cahaya yang koheren. Laser gas merupakan laser cahaya pertama yang kontinu dan beroperasi mengubah energi listrik menjadi sinar laser. Menghasilkan sinar cahaya koheren pada daerah spektrum inframerah 1,15 mikrometer. Helium dan neon, He-Ne, merupakan laser gas yang paling umum, memiliki output utama dari lampu inframerah. CO2 laser memancarkan energi jauh dari inframerah (9,6 pM dan 10,6 m), dan digunakan untuk memotong material keras dan pengelasan. Efisiensi laser CO2 adalah lebih dari 10%. Karbon Monoksida atau "CO" laser memiliki potensi output sangat besar, namun penggunaan jenis laser dibatasi oleh toksisitas ekstrim gas karbon monoksida.
Laser ion Argon memancarkan cahaya dalam kisaran 351-528,7 nm. Tergantung pada optik dan tabung laser dengan nomor yang berbeda dari garis. Paling sering digunakan adalah 458 nm, 488 nm dan 514,5 nm. Laser ion logam adalah laser gas yang biasanya menghasilkan panjang gelombang ultraviolet. Helium - Perak (HeAg) 224 nm, Neon - Tembaga (NeCu) 248 nm, dan Helium - Cadmium (HeCd) 325 nm. Laser ini memiliki osilasi terutama linewidths sempit kurang dari 3 GHz (0,5 picometers). Jenis-jenis laser gas antara lain :
1) Laser CO2
Molekul laser CO2 berosilasi pada 10,6 μm dalam infra merah. Transisi yang utama terjadi diantara tingkat energi fibrasi dari molekul CO2. Laser CO2 mengoperasikan pulsa (Q-switched) secara kontinyu. Bahkan, laser CO2 mampu mengemisikan sebuah gaya sehingga timbullah energi dan dapat memanaskan beberapa material sehingga berpijar dalam waktu yang singkat. Karena pancaran cahaya terhalang, maka penting untuk menggunakan material yang tidak membebaskan bahaya kontaminasi dalam udara. Laser CO2 saat ini digunakan untuk memotong besi, kain dan mengelas besi. Pelepasan listrik yang mengeksitasi sebagian besar laser gas menghasilkan cahaya atau sebuah pancaran yang disebabkan oleh anoda dan katoda pada ujung plasma tipis atau tabung pelepasan. Sebagian kecil laser dieksitasi oleh saluran frekuensi radio. Semua laser beroperasi dengan baik dengan tekanan gas dibawah tekanan atmosfir.
Ada kelas yang lain dari laser gas yang dikenal dengan laser TEA (transversely exchited atmospheric-pressure lasers). Laser TEA biasanya bergetar dan ini tereksitasi oleh sebuah pancaran dengan tekanan atmosfer yang kuat. Arus pada pancaran itu mengalir dalam sudut yang tepat menuju sumbu laser. Banyak laser CO2 yang termasuk laser TEA. Laser-laser tersebut membutuhkan sistem pemeliharaan gas yang relatif sederhana dan juga murah serta mudah dalam perancangannya. Getarannya berulang seperti laser CO2 yang lain yang memperlihatkan tenaga puncak yang tinggi atau tenaga rata-rata yang tinggi.
2) Laser Helium-Neon
Laser Helium-Neon tidak dipompa secara optis, tetapi secara elektrik. Medium aktifnya adalah campuran gas dari helium dan neon dengan perbandingan 5:1 pada tekanan sekitar 3 torr. Helium tereksitasi ke sebuah level tertentu karena tabrakan elektron. Energi ditransfer dengan cepat ke atom neon netral yang mempunyai tingkat energi sedikit dibawah atom helium. Ini adalah level laser yang lebih atas. Transisi laser yang paling penting pada panjang gelombang 633 nm.
Laser He-Ne dipompa secara terus menerus, biasanya mnggunakan power suplay DC. Power suplay DC ini khususnya pada rentang 0,3-15 mlwatt atau lebih pada transverse mode 00. Banyak laser He-Ne memakai cermin setengah pada tabung plasma. Keuntungan laser sangat sedikit; sudut Brewster windows esensial untuk mencegah berkurangnya pantulan. Bahkan, kaca keluaran itu mempunyai reflektansi lebih dari 99% dengan tabung plasma sepanjang 15 atau 20 cm. Karena Brewster window, keluarannya menyebar pada bidang vektor elektrik termasuk poros laser dan garis normal Brewster window.
Meskipun laser He-Ne tidak dipompa secara optis, tetapi karakteristik ambang dapat di deskripsikan dengan cukup oleh rate equations. Pada kasus laser ruby, kita telah mengamati fluktuasi yang sangat luas pada keluarannya. Ini menghubungkan ke osilasi pendek dari inversi populasi n dengan ambang batas nilai nt. Pada laser He-Ne n tidak mengalami osilasi, tetapi lebih menerima nilai nt yang tepat. Hasilnya keluaran laser He-Ne kontinu dan stabil.
3) Laser Ion Argon
Laser ion Argon dapat dibuat berosilasi dalam beberapa panjang gelombang pada sepktrum tampak biru dan hijau. Transisi penting berada pada level energi dari spectrum Ar+1. Arus pancaran tinggi akan di produksi dengan jumlah yang cukup dari ionisasi atom Argon tunggal. Selain laser Argon, terdapat krypton-ion laser yang menghasilkan garis merah kuat dibanding yang lain.
Karena cukupnya energi utuk mengionisasi atom dan kemudian meningkatkan ion ke tingkat tereksitasi, efisiensi dari semua pancara laser rendah. Meskipun inversi populasi tertahan, laser ini memiliki keuntungan yang sangat tinggi dan dapat menghasilkan kekuatan output yang terus menerus sampai beberapa watt. Garis laser argon yang paling penting adalah pada panjang gelombang 514,5 nm.
c. Laser Excimer (excited dan dimers)
Laser excimer (laser exciplex) adalah bentuk ultraviolet laser yang umum digunakan dalam produksi perangkat mikroelektronik (semikonduktor sirkuit terpadu atau "chip"), operasi mata, dan micromachining. Umumnya laser excimer terbuat dari jenis gas mulia halide (dimer merujuk kepada sebuah molekul dari dua bagian identik atau serupa).Sebuah laser excimer biasanya menggunakan gas reaktif, seperti klorin dan fluorin, dicampur dengan gas inert seperti argon, kripton atau xenon. Ketika elektrik dirangsang, molekul pseudo (dimer). Ketika laser, dimer menghasilkan cahaya dalam kisaran ultraviolet.
Laser excimer biasanya dioperasikan dengan tingkat pengulangan sekitar 100 Hz dan durasi pulsa ~ 10 ns, meskipun beberapa di antaranya beroperasi pada tingkat pengulangan pulsa setinggi 8 kHz dan beberapa memiliki pulsewidths sebesar 30 ns. Banyak digunakan dalam resolusi tinggi fotolitografi mesin, salah satu teknologi penting yang dibutuhkan untuk mikroelektronik manufaktur chip.
d. Laser Dioda
Diode laser adalah laser yang yang menengah aktif mirip dengan semikonduktor yang ditemukan dalam dioda pemancar cahaya. Jenis yang paling umum dari dioda laser dibentuk dari sambungan pn dan didukung oleh injeksi arus listrik . Perangkat mantan kadang-kadang disebut sebagai dioda injeksi laser untuk membedakan mereka dari dioda laser optik dipompa.
Sebuah dioda laser dibentuk oleh doping lapisan yang sangat tipis pada permukaan wafer kristal. Kristal ini diolah untuk menghasilkan daerah tipe-n dan tipe-p satu di atas yang lain, menghasilkan p - persimpangan n (dioda).
Dioda laser membentuk subset dari klasifikasi yang lebih besar dari semikonduktor p-n dioda junction. Bias maju listrik di dioda laser menyebabkan dua jenis pembawa muatan lubang dan elektron akan disuntik dari sisi yang berlawanan dari p - n persimpangan ke daerah deplesi. Lubang yang disuntikkan dari p-doped, dan elektron dari n-doped semikonduktor. Karena penggunaan injeksi muatan dalam powering dioda laser kelas ini, laser kadang-kadang disebut "laser injeksi," atau "injection dioda laser" (ILD).
Cara lain untuk menyalakan beberapa dioda laser yaitu dengan pemompaan optik. Laser Semikonduktor optik Bergairah (OPSL) menggunakan chip III-V semikonduktor sebagai media keuntungan, dan laser dioda sebagai sumber pompa. OPSL menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan ILDs, terutama dalam pemilihan panjang gelombang dan kurangnya gangguan dari struktur elektroda internal.
Ketika sebuah elektron dan lubang berada di wilayah yang sama, mereka dapat bergabung kembali dengan hasil emisi yang spontan yaitu elektron dapat kembali menempati keadaan energi dari lubang, memancarkan foton dengan energi sama dengan perbedaan antara elektron dan lubang yang terlibat. (Dalam dioda junction semikonduktor konvensional, energi yang dilepaskan dari rekombinasi elektron dan lubang terbawa sebagai foton , yaitu getaran kisi bukan sebagai foton). Emisi spontan memberikan dioda laser di bawah ambang batas penguat sifat yang mirip dengan sebuah LED . Emisi spontan diperlukan untuk memulai osilasi laser, tetapi ini adalah salah satu di antara beberapa sumber inefisiensi sekali laser yang berosilasi.
Perbedaan antara laser semikonduktor foton pemancar dan memancarkan fonon-konvensional (non-pemancar cahaya) semikonduktor dioda junction terletak pada penggunaan berbagai jenis semikonduktor, seseorang yang fisik dan struktur atom menganugerahkan kemungkinan untuk emisi foton.
Sifat-sifat silikon dan germanium, yang single-elemen semikonduktor, memiliki bandgaps yang tidak menyelaraskan dengan cara yang diperlukan untuk memungkinkan emisi foton dan tidak dianggap langsung. Bahan lain yang disebut senyawa semikonduktor, memiliki struktur kristal yang hampir identik sebagai silikon atau germanium tetapi menggunakan pengaturan bergantian dari dua spesies atom yang berbeda dalam pola kotak-kotak seperti untuk memecahkan simetri. Transisi antara bahan dalam pola bolak menciptakan "kritis celah pita langsung properti". Gallium arsenide, indium fosfida, antimonide gallium, dan galium nitrida merupakan contoh bahan semikonduktor senyawa yang dapat digunakan untuk membuat dioda junction yang memancarkan cahaya.
Dengan tidak adanya kondisi emisi terstimulasi (misalnya penguat), elektron dan lubang dapat hidup berdampingan dalam jarak satu sama lain tanpa rekombinasi untuk waktu tertentu sebelum mereka bergabung kembali. Kemudian sebuah foton dengan energi dekatnya sama dengan energi rekombinasi dapat menyebabkan rekombinasi oleh emisi terstimulasi. Ini menghasilkan foton lain dari frekuensi yang sama, perjalanan di arah yang sama, dengan polarisasi dan fase yang sama sebagai foton pertama. Ini berarti bahwa emisi terstimulasi menyebabkan kenaikan dalam gelombang optik (panjang gelombang yang benar) di wilayah injeksi, dan keuntungan meningkat sebagai jumlah elektron dan lubang disuntikkan di persimpangan meningkat. Proses emisi spontan dan dirangsang jauh lebih efisien dalam bandgap langsung semikonduktor daripada di celah pita tak langsung semikonduktor, sehingga silikon bukan bahan umum untuk dioda laser.
e. Dye laser
Laser zat warna adalah Laser yang menggunakan pewarna organik kompleks, seperti rhodamine 6g, dalam larutan cair atau suspensi sebagai media penguat biasanya sebagai cairan. Dibandingkan dengan gas dan solid state media ini paling kuat. Dye laser biasanya dapat digunakan untuk berbagai panjang gelombang yang jauh lebih luas. Bandwidth yang lebar membuatnya sangat cocok untuk bergetar. Selain itu, pewarna dapat diganti dengan jenis lain untuk menghasilkan panjang gelombang yang berbeda dengan laser yang sama.
Dye organik mempunyai 4 level yang disebut dengan triplet level, triplet level itu tidak berkontribusi dalam cara kerja laser. Molekul pada level dua turun ke triplet level kira-kira dalam waktu 1 μs. Elektron berada pada level ini lama, sehingga elekton tidak akan kembali ke groundstate (level 1) dalam waktu yang cepat. Gerak laser berhenti ketika sebuah gaya signifikan dari molekul berada dalam level triplet. Untuk meminimalisasi efek dari triplet level, menggunakan pompa flashlamp yang khusus yaitu induktansi kapasitornya rendah dan kadang-kadang flashlamp dirancang spesial untuk mengijinkan penyaluran kapasitor melalui flashlamp dalam beberapa μs atau kurang. Dengan cara demikian dye dibuat untuk menambah efisiensi sebelum molekul hilang ke triplet level.
f. Semikonduktor laser
Laser disebut laser injeksi, karena pemicuannya dilakukan dengan injeksi arus listrik lewat sambungan PN semikonduktornya. Jadi laser ini tidak lain adalah sebuah diode dengan bias maju biasa. Diode – diode yang digunakan adalah galium arsenida-flosfida GaAsP (sinar tampak merah).
Proses laser jenis ini mirip dengan kerja LED biasa. Pancaran fotonnya disebabkan oleh bergabungnya kembali elektron dan lubang (hole) di daerah sambungan PN-nya. Bahan semikonduktor yang dipakai harus memiliki gap energi yang langsung, agar dapat melakukan radiasi foton tanpa melanggar hukum kekekalan momentum. Oleh sebab itu, laser semikonduktor tidak pernah menggunakan bahan seperti silikon maupun germanium yang gap energinya tidak langsung.
Dibandingkan dengan LED, laser semikonduktor masih mempunyai dua syarat tambahan. Pertama, bahannya harus diberi doping banyak sekali sehingga tingkat energy Fermi-nya melampaui tingkat energi pita konduksi di bagian N dan masuk ke bawah tingkat energi pita valensi di bagian P. Hal ini perlu agar keadaan inversi populasi di daerah sambungan PN dapat dicapai. Kedua, rapat arus listrik maju yang digunakan harus besar, begitu besar sehingga melampaui harga ambangnya. Besarnya sekitar 50 ribu ampere/cm2 agar laser yang dihasilkan bersifat kontinu. Rapat arus ini luar biasa besar, sehingga diode laser harus ditaruh di dalam kriostat supaya suhunya tetap rendah (77 K ) agar arus yang besar ini dapat merusak daerah sambungan PN dan diode berhenti menghasilkan laser.
Keunggulan yang dimiliki laser semikonduktor lebih banyak dibandingkan dengan kelemahannya. Yang paling nyata adalah dimensi ukurannya, yaitu hanya sekitar 0,1x0,1x1,25 mm, sehingga amat cocok untuk peralatan yang dapat dibawa-bawa. Keunggulan lainnya adalah fleksibilitas gap energi bahan-bahan yang dipakai. Lebar gap dapat diatur sesuai dengan kebutuhan, yang berarti orang dapat memilih panjang gelombang laser yang dihasilkannya. Misalnya, substrat indium fosfida (InP) yang dipakai pada laser InGaAsP, laser yang dihasilkan dapat diatur berpanjang gelombang sekitar 1,3 atau 1,55 µm, panjang gelombang dimana gelombang elektromagnetik paling sedikit diserap oleh bahan serat optik. Hal ini membuat laser InGaAsp menjadi pilihan yang tepat untuk komunikasi jarak jauh dengan serat optik.
Kadang-kadang disebut dioda laser, laser yang tidak solid-state. Perangkat elektronik yg menggunakan ini umumnya sangat kecil dan menggunakan daya yang rendah. Mereka dapat dibangun menjadi array yang lebih besar, seperti sumber penulisan dalam beberapa printer laser atau CD player.
2. Jenis Laser Berdasarkan Proses Pemompaannya
a. Laser yang dipompa secara optis
Pada laser jenis inversi populasi diperoleh dengan cara pemompaan optis. Ruby adalah batu permata buatan, terbuat dari Al2O3 dengan berbagai macam ketakmurnian. Ruby yang digunakan pada laser yang pertama berwarna merah jambu, memiliki kandungan 0,05 persen ion krom bervalensi tiga (Cr+3) dalam bentuk Cr2O3. Atom aluminium dan oksigen bersifat inert, sedangkan ion kromnya yang aktif. Kristal ruby berbentuk silinder, kira-kira berdiameter 6 mm dan panjangnya 4-5 cm. Gambar 6 memperlihatkan diagram tingkat energi yang dimiliki ion Cr dalam kristal ruby.
 |
Laser ini dihasilkan melalui transisi atom dari tingkat metastabil ke tingkat energi dasar, radiasinya memiliki panjang gelombang 6920 Å dan 6943 Å (paling terang, jelas dan berwarna merah tua). Pemompaan optisnya dilakukan dengan menempatkan batang ruby di dalam tabung cahaya. Laser ini banyak dipakai sebagai perlengkapan kamera untuk menghasilkan kilatan cahaya. Foton-foton yang dihasilkan tabung ini akan bertumbukan dengan ion-ion Cr dalam ruby, mengakibatkan eksitasi besar-besaran ke pita tingkat energi tinggi. Dengan cepat ion-ion itu meluruh ke tingkat metastabil, di tingkat ini mereka bertahan dalam waktu 0,005 detik, waktu yang relatif cukup panjang sebelum mereka kembali ke tingkat energi dasar. Setelah terjadi satu pancaran spontan ion Cr, ion-ion yang lain melakukan hal yang sama dan memancarkan foton dengan energi dan fase yang sama, yaitu laser.
Jika pada laser ini dibuatkan rongga resonansi (batang ruby) optis maka cacah foton yang dipancarkan dapat dibuat banyak sekali. Batang tersebut harus dipotong dan digosok rata di kedua ujungnya. Kedua ujung juga harus betul-betul sejajar, yang satu dilapisi perak dengan tebal dan satunya tipis. Akibatnya rapat energi foton makin lama makin besar disertai pemantulan berulang-ulang yang dilakukan kedua ujung batang ruby, sampai suatu saat ujung yang berlapis tipis tidak mampu lagi memantulkan foton yang datang, sehingga keluarlah foton-foton dari ujung tersebut sebagai sinar yang kuat, monokromatik dan koheren yang disebut laser.
Efisiensi laser ruby sangat rendah, karena terlalu banyak energi yang harus dipakai untuk mencapai inversi populasinya serta sebagian besar cahaya dari tabung cahaya tidak memiliki panjang gelombang yang diperlukan untuk proses pemimpaan (pemborosan energi). Daya rerata dari tiap pulsa laser dapat mencapai beberapa kilowatt karena selang waktunya yang sangat pendek. Dengan daya sebesar ini laser dapat digunakan untuk melubangi, memotong maupun mengelas logam.
b. Laser yang dipompa secara elektris
Laser ini dipompa dengan lucutan listrik di antara dua buah elektroda. Sistemnya terdiri dari satu atau lebih jenis gas. Atom-atom gas itu mengalami tumbukan dengan elektron-elektron lucutan sehingga memperoleh tambahan energi untuk bereksitasi. Laser gas mampu memancarkan radiasi dengan panjang gelombang mulai dari spektrum ultra ungu sampai dengan infra merah.
Laser nitrogen yang menggunakan gas N2 merupakan salah satu laser terpenting dari jenis ini, panjang gelombnag lasernya berada di daerah ultra ungu (3371 Å). Sedangkan laser karbondioksida yang merupakan laser gas yang terkuat memancarkan laser pada daerah infra merah (10600 Å). Laser gas yang populer adalah laser helium-neon berada di spektrum tampak berwarna merah (6328 Å).
Dalam keadaan normal atom helium berada di tingkat energi dasarnya 1S0, karena konfigurasi elektron terluarnya adalah 1 s2. Pada saat elektron lucutan menumbuknya atom helium mendapatkan energi untuk bereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi seperti 1S0 dan 3S1 dari konfigurasi elektron 1s2. Begitu atom helium tereksitasi ke tingkat-tingkat itu ia tak dapat lagi balik ke tingkat dasar, suatu hal yang dilarang oleh aturan seleksi radiasi.
Pada gambar 8 dapat dilihat bahwa atom neon yang ditumbuk oleh atom helium 1S0 akan tereksitasi ke tingkat 1P1, 3P0, 3P1, 3P2 dari konfigurasi elektron 2p55s. Setelah bertumbukan atom helium akan segera kembali ke tingkat energi dasar. Oleh karena aturan seleksi memperbolehkan transisi dari tingkat-tingkat energi ini ke sepuluh tingkat energi yang dimiliki konfigurasi 2p53p, maka atom neon dapat dipicu untuk memancarkan laser.
Pancaran laser He-Ne yang terkuat berada di 11523 Å (infra merah dekat) yang ditimbulkan oleh transisi dari satu di antara 4 tingkat di 2p54s atom Ne, yang kebetulan berdekatan dengan tingkat energi 3S1 atom He, ke salah satu dari 10 tingkat energi di 2p53p. Sistem laser ini berbentuk tabung gas silindris dengan panjang satu meter dan diameter 17 mm. Kedua ujung tabung ditutup oleh dua cermin pantul yang sejajar, disebut cermin Fabry - Perot, sehingga tabung gas ini sekaligus berfungsi sebagai rongga resonansi optisnya.
Dua buah elektroda dipasang di dekat ujung-ujungnya dan dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi untuk menimbulkan lucutan dalam tabung. Tekanan He dan Ne dalam tabung adalah sekitar 1 torr dan 0,1 torr, atom He kira-kira 10 kali lebih banyak dibandingkan dengan atom Ne. Cacah He yang lebih banyak mampu mempertahankan inversi populasi secara terus menerus, sehingga laser yang dihasilkan juga bersifat kontinu, tidak terputus-putus sebagai pulsa seperti pada laser ruby. Sifat kontinu ini merupakan keunggulan laser gas dibanding laser ruby. Laser yang kontinu amat berguna untuk transmisi pembicaraan dalam komunikasi, musik atau gambar-gambar televisi. Efisiensi laser He-Ne rendah sekitar 1%, keluaran lasernya hanya berorde miliwatt. Sedangkan laser CO2 dapat menghasilkan laser kontinu berdaya beberapa kilowatt dengan efisiensi lebih tinggi.
Gambar 9 Sistem laser gas
Untuk menghasilkan laser sinar-tampak berwarna-warni, beberapa produsen seperti Laser Science Inc. misalnya, mengembangkan laser cairan yang dipompanya secara optis oleh sebuah laser nitrogen. Cairan yang dipakai adalah zat warna yang dilarutkan dalam pelarut semacam metanol. Konsentrasi larutan kira-kira 0,001 Milar. Contoh larutan ini adalah LD-690 yang menghasilkan laser merah (6960 Å) dan Coumarin-440 yang menghasilkan laser ungu (4450 Å). Jenis larutan dapat diubah-ubah sesuai dengan warna yang dikehendaki.
c. Laser Semikonduktor
Laser disebut laser injeksi, karena pemompaannya dilakukan dengan injeksi arus listrik lewat sambungan PN semikonduktornya. Laser ini adalah sebuah diode dengan bias maju biasa. Proses laser jenis ini mirip dengan kerja LED biasa. Pancaran fotonnya disebabkan oleh bergabungnya kembali elektron dan lubang (hole) di daerah sambungan PN-nya. Bahan semikonduktor yang dipakai harus memiliki gap energi yang langsung, agar dapat melakukan radiasi foton tanpa melanggar hukum kekekalan momentum. Oleh sebab itulah laser semikonduktor tidak pernah menggunakan bahan seperti silikon maupun germanium yang gap energinya tidak langsung. Dibandingkan dengan LED, laser semikonduktor masih mempunyai dua syarat tambahan. Pertama, bahannya harus diberi doping banyak sekali sehingga tingkat energi Fermi-nya melampaui tingkat energi pita konduksi di bagian N dan masuk ke bawah tingkat energi pita valensi di bagian P. Hal ini perlu agar keadaan inversi populasi di daerah sambungan PN dapat dicapai. Kedua, rapat arus listrik maju yang digunakan haruslah besar, begitu besar sehingga melampaui harga ambangnya. Besarnya sekitar 50 ribu ampere/cm2 agar laser yang dihasilkan bersifat kontinu. Rapat arus ini luar biasa besar, sehingga diode laser harus ditaruh di dalam kriostat supaya suhunya tetap rendah (77 K), jika tidak arus yang besar ini dapat merusak daerah sambungan PN dan diode berhenti menghasilkan laser.
Gambar 10 Laser semikonduktor beserta diagram energinya
Pada gambar 10 tampak bahwa di sebagian daerah deplesi terjadi inversi populasi jika sambungan PN diberi tegangan maju, daerah ini disebut lapisan aktif. Daerah deplesi adalah daerah di sekitar sambungan PN yang tidak memiliki pembawa muatan listrik bebas. Pada saat dilakukan injeksi arus listrik melalui sambungan, elektron-elektron di pita konduksi pada lapisan aktif dapat bergabung kembali dengan lubang-lubang di pita valensi. Untuk arus injeksi yang kecil penggabungan ini terjadi secara acak dan menghasilkan radiasi, proses ini adalah yang terjadi pada LED. Tetapi apabila arus injeksinya cukup besar, pancaran terangsang mulai terjadi di daerah lapisan aktif. Lapisan ini berfungsi pula sebagai rongga resonansi optisnya, sehingga laser akan terjadi sepanjang lapisan ini.
Pelapisan seperti yang dilakukan pada cermin di sini tidak diperlukan lagi karena bahan diode sendiri sudah mengkilap (metalik), cukup bagian luarnya digosok agar dapat memantulkan sinar yang dihasilkan dalam lapisa aktif. Kelemahan sistem laser ini adalah sifatnya yang tidak monokromatik, karena transisi elektron yang terjadi bukanlah antar tingkat energi tapi antar pita energi, padahal pita energi terdiri dari banyak tingkat energi.
Sambungan yang dijelaskan di atas biasa disebut homojunction, karena yang dipisahkannya adalah tipe P dan N dari substrat yang sama, yaitu misalnya GaAs tadi. Tipe P GaAs biasanya diberi doping seng (Zn) dan tipe N-nya dengan doping telurium (Te). Sebenarnya hanya sebagian kecil elektron-elektron yang diinjeksikan dari daerah N yang bergabung dengan lubang di lapisan aktif, kebanyakan dari mereka berdifusi jauh masuk ke dalam daerah P sebelum bergabung kembali dengan lubang-lubang. Efek difusi inilah yang menyebabkan besarnya rapat arus listrik yang dibutuhkan dalam proses kerja laser semikonduktor. Tetapi besarnya rapat arus listrik ini dapat diturunkan dengan cara membatasi gerakan elektron yang diinjeksikan itu disuatu daerah yang sempit, agar mereka tidak berdifusi kemana-mana. Hal ini dapat dilakukan dengan cara membuat sambungan heterojunction.
Heterjunction yang paling umum dipakai adalah sambungan antara GaAs dan AlGaAs. GaAs memiliki gap energi yang lebih sempit, sehingga bila ia dijepit oleh dua daerah AlGaAs bertipe P dan N, elektron-elektron yang diinjeksikan dari daerah N dan lubang-lubang dari daerah P akan bergabung di GaAs ini, jadi GaAs berfungsi sebagai lapisan aktifnya.
Gambar 11 Diagram energi heterojunction
Laser heterojunction GaAs - AlGaAs dapat bekerja secara kontinu pada suhu kamar hanya dengan rapat arus minimum sebesar 100 ampere/cm2, 500 kali lebih kecil dibandingkan rapat arus pada laser GaAs yang homojunction. Keunggulan yang dimiliki laser semikonduktor lebih banyak dibandingkan dengan kelemahannya. Yang paling nyata adalah dimensi ukurannya hanya sekitar 0,1x 0,1x 1,25 mm, sehingga amat cocok untuk peralatan yang dapat dibawa-bawa. Keunggulan lainnya adalah fleksibilitas gap energi bahan-bahan yang dipakai. Lebar gap dapat diatur sesuai dengan kebutuhan, artinya orang dapat memilih panjang gelombang laser yang dihasilkannya. Misalnya, substrat indium fosfida (InP) yang dipakai pada laser InGaAsP, laser yang dihasilkan dapat diatur pada panjang gelombang sekitar 1,3 atau 1,55 mikrometer, panjang gelombang dimana gelombang elektromagnetik paling sedikit diserap oleh bahan serat optik. Hal ini membuat laser InGaAsp menjadi pilihan yang tepat untuk komunikasi jarak jauh dengan serat optik.
B. Dasar-dasar Transmisi Cahaya
Refleksi dan transmisi gelombang cahaya terjadi karena frekuensi gelombang cahaya tidak cocok dengan frekuensi alami dari getaran benda. Ketika frekuensi gelombang cahaya ini menyerang objek, elektron dalam atom-atom objek mulai bergetar. Tapi bukannya bergetar dalam resonansi di amplitudo yang besar, elektron bergetar untuk waktu yang singkat dengan amplitudo getaran kecil, kemudian energi yang dipancarkan kembali sebagai gelombang cahaya. Jika objek yang transparan, maka getaran elektron diteruskan kepada atom tetangga melalui sebagian besar materi dan dipancarkan kembali pada sisi berlawanan dari objek. Frekuensi seperti gelombang cahaya dikatakan ditransmisikan. Jika objek adalah buram, maka getaran dari elektron tidak lulus dari atom ke atom melalui sebagian besar materi. Alih-elektron dari atom-atom pada permukaan material tersebut bergetar untuk jangka waktu yang singkat dan kemudian energi sebagai gelombang cahaya yang dipantulkan. Frekuensi seperti cahaya dikatakan tercermin.
Pada proses transmisi cahaya berlaku hukum snellius apabila perambatan cahaya melewati dua medium yang berbeda jenis. Bila sebuah gelombang cahaya menumbuk sebuah antar muka (interface) halus yang memisahkan dua material transparan, maka pada umumnya gelombang sebagian direfleksikan dan sebagaian direfraksikan.
 | ||||
| ||||
Cahaya selalu berjalan lebih lambat pada suatu material daripada jika ia bergerak di ruang hampa, sehingga nilai n dalam medium apapun selain ruang hampa selalu lebih besar daripada satu (Untuk ruang hampa n=1).
Pada kasus di samping medium b memiliki indek refraksi (nb) yang lebih 
besar dari medium a (na), akibatnya kecepatan cahaya dalam medium b berkurang (hal ini ditunjukan dengan sinar dibiaskan mendekati garis normal). Bila indek bias n1 dari medium pertama lebih kecil dari indek bias medium kedua, maka sinar akan dibiaskan pada media berindeks bias rendah dengan sudut i2 terhadap garis normal, hubungan antara sudut datang i1 dan sudut bias i2 terhadap indeks bias dielektrik yang dinyatakan oleh hukum Snell:
|
Frekuensi cahaya tidak pernah berubah bila melewati material yang berbeda (siklus gelombang yang datang persatuan waktu harus sama dengan siklus yang meninggalkan material persatuan waktu); Ini menunjukan bahwa permukaan yang mempunysi na > nb dapat mencipta atau menghancurkan gelombang. Padahal; v=λ.f dan v selalu lebih kecil dari c, maka panjang gelombang (λ) cahaya jika melewati material lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya pada ruang hampa.
Pemanduan cahaya dalam laser seperti halnya dalam serat optik, yaitu menggunakan pantulan internal total yang terjadi pada bidang batas antara 2 medium dengan indek bias yang berbeda yaitu n1 dan n2.
Meskipun secara umum sinar akan direfleksikan sekaligus direfraksikan jika melewati dua medium berbeda, kita dapat membuat refleksi total (semua sinar terefleksikan, tidak ada yang direfraksikan). Jika sebuah sinar memasuki antarmuka dengan material kedua yang indeks refraksinya lebih kecil daripada indeks refraksi material pertama dengan sudut lebih besar daripada sudut kritis, maka akan terjadi refleksi internal total. Besarnya sudut kritis dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
 |
C. Prinsip Kerja Laser
Prinsip dasar dari pada Laser adalah adanya emisi terstimulasi dan keadaan metastabil dari bahan laser. Atom-atom selalu berada dalam keadaan bergetar, bertranslasi dan berotasi. Pada umumnya atom-atom berada dalam keadaan tingkat energi terendah (ground state) dan bila padanya disuplai energi yang cukup maka atom-atom akan menyerap energi tersebut dan beralih ke tingkat energi yang lebih tinggi yang disebut tingkat tereksitasi (excited states) seperti Gambar 15, tetapi keberadaannya pada tingkat ini berlangsung hanya 10-8 sekon lalu kembali lagi ke ground state sambil melepaskan cahaya (foton), seperti yang terlihat pada Gambar 16. Emisi cahaya yang demikian disebut emisi spontan.
Pada gambar 17 memperlihatkan simulasi dari emisi spontan yaitu atom berada dalam keadaan ground state menyerap energi (foton) dan atom naik tingkat energinya, tetapi kemudian memancarkan lagi foton yang diserap sehingga 1 foton masuk dan keluar lagi satu foton sehingga tidak ada amplikasi. Pada gambar 18, atom yang berada dalam keadaan tereksitasi sebelum terjadi proses emisi spontan disentil dengan sebuah foton sehingga segera kembali ke ground state dengan memancarkan dua foton, berarti terjadi amplifikasi foton yang masuk satu dan yang keluar du
|
|
|
Ke dua foton yang dipancarkan berfase sama sehingga akan terdapat kesamaan fase antara foton-foton yang dipancarkan dari atom-atom lain (semua foton saling koheren). Pada umumnya atom-atom pada suhu kamar berada dalam keadaan ground state sehingga yang dominan adalah absorbsi. Agar yang dominan adalah emisi terangsang, perlu diusahakan atom-atom lebih banyak berada dalam keadaan tereksitasi. Keadaan yang demikian ini disebut populasi inversi.
Populasi Inversi
Salah satu bahan yang mudah dilakukan populasi inversi adalah rubium (batu merah delima) yang berbentuk kristal Al2O3 dimana sebagian ion Al3+ telah diisi oleh ion Cr3+ yang menjadikan ruby berwarna merah delima. Gambar 19 adalah diagram tingkat energi ion-ion. Cahaya yang dipergunakan adalah cahaya lampu tabung gas xenon. Spektrum daerah hijau dan biru lampu xenon diserap oleh atom-atom krom sehingga tingkat energi elektron-elektron naik ke tingkat ban energi F. Elektron-elektron pada ban energi F segera mengalami emisi spontan, turun ke tingkat energi metastabil. Energi panas yang dipancarkan diserap sebagai panas oleh atom-atom ruby. Keadaan metastabil E bertahan selama 4 x 10–3 sekon. Secara bertahap akan terjadi emisi spontan dari tingkat energi E ke ground state sambil memancarkan foton berpanjang gelombang 649.3 nmn, foton-foton ini mengenai ion-ion krom yang lain sehingga secara beruntun akan menghasilkan pelipat gandaan foton seperti pada Gambar 20.
|
|
Pemompaan optik (Optical pumping)
Salah satu cara untuk memperoleh populasi inversi. Cahaya luar digunakan untuk mengeksitasi atom-atom medium aktif ke tingkat energi lebih tinggi (lebih tinggi dari tingkat metastabil) yang kemudian meluruh secara spontan ke tingkat metastabil.
pada saat proses pumping terus berlangsung, terjadilah “kemacetan” lalu lintas atom di tingkat metastabil ini, sehingga populasinya akan lebih padat dibandingkan dengan populasi tingkat energi di bawahnya. Pada keadaan ini, populasi tingkat energi dasar sudah terlampaui.
Bila suatu saat secara spontan dipancarkan satu foton saja yang berenergi sama dengan selisih energi antara tingkat metastabil dengan tingkat dasar, ia akan memicu dan mengajak atom-atom lain di tingkat metastabil untuk kembali ke tingkat dasar. Akibatnya atom-atom itu melepaskan foton-foton yang energi dan fasenya persis sama dengan foton yang mengajaknya tadi, terjadilah laser. Proses demikian inilah yang terjadi pada banyak jenis laser seperti pada laser ruby dan laser-laser gas.
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 fase yang sama. Pada kedua ujungnya terdapat cermin, yang satu cermin penuh, yang lainnya cermin setengah tembus cahaya. Semua foton yang tidak koaksial dengan sumbu resonator akan terhalang. Medium aktif berada dalam resonator seperti yang terdapat dalam Gambar 21.Cahaya yang diradiasikan saat elektron/atom pindah dari tingkat energi metastabil ke tingkat energi lebih rendah, dibuat melintasi suatu medium aktif berulang kali dalam suatu rongga resonator yang di kedua ujungnya terdapat cermin.
D. Pembentukan Cahaya pada Laser
Medium aktif yang berada dalam rongga osilator disinari dengan cahaya sehingga elektron-elektron dalam medium tersebut tereksitasi dan memancarkan cahaya yang disebut dengan foton. Foton hasil eksitasi stimulasi harus searah, berfrekuensi sama serta mempunyai fase yang sama agar dapat membentuk cahaya laser. Di ujung-ujung medium aktif, terdapat cermin yang berfungsi untuk memantulkan foton-foton secara bolak-balik. Foton-foton searah sumbu osilator yang terpantul bolak balik inilah yang menyebabkan atom-atom lain tereksitasi dan memperbanyak foton yang searah sumbu osilator, hingga akhirnya cahaya laser dapat dihasilkan. Hukum Snellius berlaku pada saat ini. Jika foton yang dihasilkan dari atom yang tereksitasi tidak memenuhi syarat pemantulan cahaya, maka foton dalam medium aktif tidak dapat terpantul, akibatnya cahaya laser tidak akan terbentuk.
| Gambar | Keterangan |
 | Medium aktif (ruby) berada dalam rongga osilator |
 | Medium aktif disinari dengan cahaya (optical pumping) |
 | Medium memancarkan cahaya oleh emisi terangsang |
 | Foton-foton yang searah sumbu osilator terpantul bolak balik oleh cermin menyebabkan atom-atom lain tereksitasi dan memperbanyak foton yang searah sumbu osilator |
 | Cahaya monokromatik berfase sama(sinar laser keluar dari cermin setengah |
gambar pada teks box tidak muncul
BalasHapus