Pendahuluan Laser
A. Definisi laser
|
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) merupakan mekanisme suatu alat yang memancarkan radiasi elektromagnetik, biasanya dalam bentuk cahaya yang tidak dapat dilihat maupun dapat lihat dengan mata normal, melalui proses pancaran terstimulasi. Pancaran laser biasanya tunggal, memancarkan foton dalam pancaran yang koheren. Sinar laser terbuat dari cahaya yang semuanya terdiri dari panjang gelombang yang sama. Berkas cahaya dalam cahaya biasa mengalir ke arah yang berbeda. Sinar laser bergerak dalam arah yang sama persis. Sinar laser tidak menyebar dan tidak melemah. Medium laser bisa padat, gas, cair atau semikonduktor. Laser biasanya ditentukan oleh jenis bahan yang digunakan oleh penguatnya. Kebanyakan laser dirancang dengan tiga elemen penting, media tambahan (gain media), sumber pemompa (pumping source), dan lubang resonansi (resonant cavity). Gain media adalah keadaan energi yang berperan dalam perangsangan pancaran, pumping source menyediakan energi untuk melengkapi keadaan-keadaan sehingga perangsangan keadaan dapat terjadi, dan resonant cavity menyediakan jalur untuk foton.
B. Sejarah Laser
Pada awal perkembangannya, orang tidak menyebut dengan nama laser. Para ahli masa itu menyebutnya sebagai MASER (Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation). Orang yang disebut-sebut pertama kali mengungkapkan keberadaan MASER adalah Albert Einstein antara tahun 1916 - 1917. Ilmuwan yang terkenal eksentrik ini juga yang pertama kali berpendapat bahwa cahaya atau sinar bukan hanya terdiri dari gelombang elektromagnetik, tapi juga bermuatan partikel dan energi hal ini dikenal sebagai radiasi. Tapi MASER dari Einsten ini baru sebatas teori. Teknologi pada dekade kedua abad 20 belum mampu mewujudkannya. Disamping itu, banyak ilmuwan yang menganggap teori dari Eisntein itu sebagai teori yang kontroversial.
Pada tahun-tahun berikutnya, terlebih pada perang dunia kedua, MASER lebih banyak digunakan untuk kepentingan militer, yaitu untuk pengembangan radar. Hingga akhirnya Charles H. Townes, James Gordon, dan Herbert Zeiger, berhasil membuat MASER dengan menggunakan gas Amoniak, inilah MASER yang pertama kali dibuat oleh ilmuan dan keberhasilan ini dipublikasikan pada tahun 1954. MASER ini merupakan MASER dengan satu tingkat energi. Selanjutnya ide emisi dua tingkat untuk mempertahankan inversi pada MASER telah dikembangkan oleh dua orang ilmuwan Sovyet, Nikolai Basov dan Alexander Prokhorov.
Charles H. Townes memang orang yang berperan penting dalam dunia MASER. Sebelumnya beliau bersama Arthur Schawlow telah meneliti kemungkinan pembuatan MASER optik (yang kemudian berkembang menjadi laser) dan sinar infra merah. Rincian penelitian itu diterbitkan pada bulan Desember 1958, namun mereka berdua masih menemui kesulitan dan pembuatan laser (MASER optik). Hingga akhirnya sebelum memasuki tahun 1960 Theodore Maiman bisa mewujudkan kerja sinar laser. Maiman menggunakan silinder batu Ruby untuk memicu timbulnya laser hingga laser buatannya dikenal sebagai Ruby Laser. Tapi Ruby Laser hanya mampu bekerja pada energi tingkat ketiga. Setelah memasuki tahun 1960, Peter Sorokin dan Mirek Stevenson mulai mengembangkan laser tingkat ke empat yang pertama. Tapi itu pun masih sebatas teori dan tujuan untuk merealisasikannya masih belum tercapai. Namun demikian sejak saat itu lah era laser dimulai.
Sekilas bahwa Theodore Maiman dianggap sebagai orang yang pertama kali berhasil membuat laser (bukan MASER). Tapi sebenarnya ada orang lain yang telah mendahuluinya yaitu Gordon Gould. Pada tahun 1958, Gordon Gould kabarnya telah berhasil membuat MASER optik (laser) bahkan dia juga yang dianggap sebagai orang yang pertama kali menggunakan istilah Laser (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation). Tapi Gordon gagal mendaftarkan paten laser-nya pada tahun 1959. Hingga pada tahun 1977 Gordon memenangkan paten tersebut artinya butuh waktu 8 tahun untuk mendapatkan pengakuan itu.
Pada masa yang hampir bersamaan juga beberapa ilmuwan lain berhasil membuat laser dengan menggunakan bahan yang berbeda. Misalnya Ali Javan, William Bennet dan Donald Herriot yang membuat laser dengan media gas helium dan neon pada tahun 1960 dan keberhasilannya baru dipublikasikan pada tahun 1961. Kumar N. Patel membuat laser dengan perantaraan karbondioksida, nitrogen, dan helium pada tahun 1964. Dan pada tahun yang sama juga (1964), Earl Bell membuat laser dengan bantuan helium dan merkuri. Para ilmuwan ini dianggap pembuat untuk laser gas karena bahan-bahan yang mereka gunakan untuk membuat laser pada umumnya berupa zat gas.
Perkembangan yang cukup penting terjadi pada tahun 1962 ketika seorang ilmuwan yang bekerja pada perusahaan General Electric, Robert Hall, menemukan laser semikonduktor berukuran mini dengan biaya murah. Biasanya mesin atau peralatan pemroduksi sinar laser berukuran besar. Laser buatan Rober Hall inilah yang hingga kini digunakan pada perangkat vcd dan dvd player, printer laser, pembaca kode bar, drive pada CPU, sistem komunikasi yang menggunakan serat optik, dan sebagainya.
Sebuah penemuan yang revolusioner dibuat pada tahun 1970 ketika Charles Kao dan George Hockham berhasil membuat apa yang sekarang disebut serat optik (fiberglass). Mereka berdua memang tidak membuat laser, tapi penemuannya sangat penting dalam penggunaan aplikasi laser. Serat optik banyak digunakan dalam bidang komunikasi, bidang inilah yang memang dianggap sebagai pengguna terbesar aplikasi laser. Laser dan serat optik memang dua penemuan yang sangat saling mendukung.
C. Jenis-jenis Laser
Ada berbagai jenis laser berdasarkan mediumnya, medium tersebut bisa padat, gas, cair atau semikonduktor. Jenis laser biasanya ditentukan oleh jenis bahan yang digunakan oleh penguatnya.
1. Solid-State Laser
Merupakan laser dengan material telah dikuatkan terdistribusi dalam matriks padat (seperti ruby atau neodymium). Laser neodymium memancarkan cahaya inframerah pada 1.064 nanometer (nm).
2. Laser Gas (helium dan helium-neon, hene
|
Merupakan laser gas yang paling umum) memiliki output utama dari lampu inframerah. CO2 laser memancarkan energi jauh dr inframerah, dan digunakan untuk memotong material keras.
3. Laser Excimer (nama ini berasal dari istilah excited dan dimers)
Menggunakan gas reaktif, seperti klorin dan fluorin, dicampur dengan gas inert seperti argon, kripton atau xenon.
4. Dye Laser
Menggunakan pewarna organik kompleks, seperti rhodamine 6g, dalam larutan cair atau suspensi sebagai media penguat.
5. Semiconductor laser
Gambar 3 : Laser semikonduktor beserta diagram energinya
Biasanya disebut dioda laser, laser yang tidak solid-state. Perangkat elektronik yg menggunakan ini umumnya sangat kecil dan menggunakan daya yang rendah.
Sebuah medium laser juga dapat berfungsi sebagai penguat optik ketika di-seed dengan cahaya dari sumber lainnya. Sinyal yang diperkuat dapat menjadi sangat mirip dengan sinyal input dalam istilah panjang gelombang, fase, dan polarisasi.
Sumber cahaya umum, seperti bola lampu incandescent, memancarkan foton hampir ke seluruh arah, biasanya melewati spektrum elektromagnetik dari panjang gelombang yang luas. Sifat koheren sulit ditemui pada sumber cahaya atau incoherens; dimana terjadi beda fase yang tidak tetap antara foton yang dipancarkan oleh sumber cahaya. Secara kontras, laser biasanya memancarkan foton dalam cahaya yang sempit, terpolarisasi, sinar koheren mendekati monokromatik, terdiri dari panjang gelombang tunggal atau satu warna.
D. Prinsip kerja laser
Albert Einstein mempostulatkan 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 dalam kesetimbangan itu, yaitu : serapan, pancarn spontan (disebut fluorensi) dan pancaran terangsang ( atau lasing dalam bahasa Inggrisnya, artinya memancarkan laser). Proses yang terakhir biasanya diabaikan terhadap yang lain karena pada keadaan normal serapan dan pancaran spontan sangat dominan.
Sebuah atom pada keadaan dasar dapat dieksitasi ke keadaan tingkat energi yang lebih tinggi dengan cara menumbukinya dengan elektron atau foton. Setelah beberapa saat berada di tingkat tereksitasi ia secara acak akan segera kembali ke tingkat energi yang lebih rendah, tidak harus ke keadaan dasar semula. Proses acak ini dikenal sebagai fluoresensi terjadi dalam selang waktu yang lamanya tergantung pada keadaan dan jenis atom tersebut.
Foton yang dihasilkan oleh proses fluoresensi dapat diserap kembali oleh atom yang lain sehingga mengalami eksitasi tetapi dapat pula lolos keluar sistem sebagai cahaya. Atom dapat memancarkan secara spontan apabila ada foton yang merangsangnya. Syaratnya foton itu harus memiliki energy yang sama dengan selisih tingkat energi asal dan tujuan. Tinjauan dua tingkat energi dalam sebuah atom E1 dan E2, dengan E1 < E2. Cacah atom yang berada di masing-masing tingkat energi adalah N1 dan N2. Untuk menggambarkan distribusi energi pada atom-atom itu dalam kesetimbangan termal berlakulah statistik Maxwell - Boltzmann :
N1 / N2 = exp ( E2 - E1 ) / kT (1)
Persamaan ini menunjukkan bahwa dalam keadaan stimbang N1 selalu lebih besar daripada N2, tingkat energi rendah selalu lebih padat populasinya dibandingkan dengan tingkat yang lebih tinggi. Dalam keadaan tak setmbang terjadilah perpindahan populasi melalui ketiga proses serapan dan pancaran tersebut di atas.
Gambar 4 : Serapan, pancaran spontan dan pancaran terangsang
Atom-atom di E2 dapat saja melompat ke E1 secara spontan dengan kebolehjadian transisinya per satuan waktu. Apabila terdapat radiasi dengan frekuensi n dan rapat energi e ( n ), terjadilah transisi akibat serapan dari E1 ke E2, dengan kebolehjadian sebut saja B1 2.e ( n ) karena terlihat jelas kebolehjadian ini sebanding pula dengan rapat energy fotonnya. Pancaran spontan ini dapat pula merangsang transisi dari E2 ke E1 akibat interaksinya dengan atom-atom yang berada dalam keadaan tereksitasi E2, kebolehjadiannya B21. e ( n ). Sudah tentu semua transisi yang terjadi di sini berbanding lurus dengan populasi atom di tingkat energi asalnya masing-masing.
Perubahan populasi ini disebabkan oleh pertambahan akibat serapan dan pengurangan akibat pancaran. Setelah tercapai kesetimbangan antara atom-atom itu dengan radiasinya, pengaruh serapan dan pancaran akan saling meniadakan
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. Sebuah tastabil memerlukan waktu yang relative lebih lama sebelum terdeeksitasi dibandingkan dengan umurnya di tingkat eksitasinya yang lain.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.
Populasi tingkat energi dasar kini sudah terlampaui populasi tingkat metastabil. 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.
Gambar 5 : Tingkat metastabil pada sistem laser 3 –tingkat
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. Pada laser uap tembaga yang terjadi adalah efek radiasi resonansi, inversi populasi dicapai dengan cara memperpanjang umur atom tereksitasi terhadap tingkat energi dasar, sedangkan umurnya terhadap tingkat metastabil tidak berubah. Dengan demikian inverse populasi terjadi antara tingkat energi tinggi dengan tingkat metastabil.
Setelah laser dihasilkan, atom-atom akan banyak terdapat di tingkat metastabil. Koherensi keluaran laser bersifat spasial maupun temporal, semua foton memiliki fase yang sama. Mereka saling mendukung satu sama lain, yang secara gelombang dikatakan berinterferensi konstruktif, sehingga intensitasnya berbanding langsung kepada N2, dengan N adalah cacah foton. Intensitasnya ini jauh lebih besar dibandingkan dengan intensitas radiasi tak - koheren yang hanya sebanding dengan N saja.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar