rugi daya laser

Rugi Daya Laser

Berkas laser umumnya sangat koheren, yang mengandung arti bahwa cahaya yang dipancarkan tidak menyebar dan rentang frekuensinya sempit (monochromatic light). Laser dikatakan baik jika frekuensi atau panjang gelombang yang dipancarkannya bersifat tunggal. Cahaya laser dapat mengalami kehilangan daya (loss). Kehilangan daya ini dapat disebabkan faktor dari dalam device laser itu sendiri (faktor dalam) atau faktor dari luar device (faktor luar).

Gambar 1. Gelombang cahaya koheren Sumber: http://utopia.cord.org

 

A.    Faktor dalam

Gambar 2. Empat bagian fungsional laser Sumber: http://utopia.cord.org Gambar 1. Gelombang cahaya koheren

Empat bagian fungsional diperlukan dalam laser untuk dapat menghasilkan cahaya koheren dari radiasi emisi terstimulasi. Empat bagian itu antara lain:

1.      Active medium (medium aktif)

2.      Excitation Mechanism

(mekanisme eksitasi)

3.      Feedback mechanism

(mekanisme umpan balik)

4.      Output coupler (OC)

Cahaya dalam laser dapat mengalami kehilangan daya (loss) berkaitan dengan empat bagian fungsional di atas.

1.      Active medium (medium aktif)

gambar 3. Diagram energi elektron Sumber: http://utopia.cord.org

Medium aktif adalah kumpulan atom atau molekul yang dapat tereksitasi menuju keadaan inversi populasi. Media aktif bersifat memiliki electron yang mudah tereksitasi. Media aktif dari laser dapat dianggap sebagai penguat optik. Medium aktif dapat berupa gas, cairan, bahan padat, atau gabungan antara semikonduktor.

Sebuah sinar cahaya koheren memasuki salah satu ujung media aktif diperkuat melalui emisi terstimulasi sampai intensitas sinar koheren meningkat meninggalkan ujung media aktif. Penguatan ini secara matematis dapat dirumuskan:

Laser dapat menghasilkan cahaya koheren dengan emisi terstimulasi hanya jika terdapat inversi populasi. Inversi populasi ada ketika terdapat lebih banyak atom  yang berada dalam keadaan tereksitasi daripada atom dalam keadaan energi yang lebih rendah. Apabila dalam medium aktif terdapat lebih banyak elektron dengan tingkat energi yang lebih rendah maka energi dari pemompa akan diserap (absorpsi) dan digunakan untuk menaikkan tingkat energi ke level yang lebih tinggi tanpa menghasilkan foton, namun apabila dalam medium aktif tercapai inversi populasi maka energi dari pemompa akan digunakan elektron untuk menghasilkan foton.

Penguatan (gain) dilambangkan dengan G harus lebih besar dari penyerapan  (absorption) yang dilambangkan dengan A. secara matematis, 

G = N₂σ_se – N₁σ_se dan A = N₁σ_pa – N₂σ_pe

Dengan  G   = penguatan

               A   = penyerapan

               N1 = konsentrasi pusat aktif saat ground state

               N2 = konsentrasi pusat aktif saat tereksitasi

Dengan kata lain, jika tidak terdapat inversi populasi dalam medium aktif maka laser tidak dapat melakukan penguatan untuk menghasilkan cahaya koheren, dengan demikian cahaya dalam laser dapat dikatakan mengalami kehilangan daya (loss). Daya laser dapat dirumuskan :

2.      Excitation Mechanism (mekanisme eksitasi)

Gambar 4. Emisi terstimulasi Sumber: http://utopia.cord.org

Mekanisme eksitasi adalah sumber energi yang dapat mengeksitasi atom-atom dalam medium aktif dari keadaan energi rendah menuju keadaan energi yang lebih tinggi agar tercapai inversi populasi. Besar energi yang dibutuhkan dalam mengeksitasi atom yaitu E = hf dimana h adalah ketetapan planck dan f merupakan frekuensi cahaya dalam Hz.

Mekanisme eksitasi dapat dianggap sebagai “pompa”. Besarnya energi yang dipompakan harus mempertimbangkan batas ambang dari media penguat dan kehilangan daya di dalam kavitas. Jika daya yang dipompakan terlalu kecil, maka emisi yang dihasilkan tidak akan cukup untuk mengimbangi kehilangan daya akibat absorpsi di dalam kavitas sehingga daya yang diberikan tidak akan cukup membuat elektron mencapai level energi dimana ia dapat mengeluarkan foton akibatnya laser mengalami kehilangan daya (loss).

3.      Feedback mechanism (mekanisme umpan balik)

Gambar 5. Mekanisme umpan balik Sumber: http://utopia.cord.org

Mekanisme umpan balik membolak-balikkan sebagian cahaya koheren yang diproduksi dalam medim aktif agar terjadi penguatan untuk menstimulasi eksitasi.

Jumlah cahaya koheren yang dihasilkan oleh emisi terstimulasi tergantung pada tingkat inversi populasi dan kekuatan sinyal perangsang (pompa). Mekanisme umpan balik biasanya terdiri atas dua cermin, satu cermin bersifat agak transparan, sehingga dapat berfungsi sebagai jalur keluar berkas laser (output coupler).

Gambar 6. Jenis dua cermin dalam mekanisme umpan balik Sumber: en. Wikipedia.org

Berkas cahaya yang melewati media penguat akan mengalami penguatan daya. Jika daerah sekelilingnya merupakan cermin, maka cahaya akan bergerak bolak-balik dan melewati media penguat berkali-kali. Dengan demikian cahaya akan mengalami penguatan daya beberapa kali lipat. Setelah mengalami penguatan daya, cahaya dapat keluar melewati cermin yang bersifat agak transparan sebagai berkas laser.

Umpan balik dapat dikatakan stabil jika kedua cermin dapat  membolak-balikkan cahaya atau membuat cahaya berosilasi dalam ruang resonansi (medium aktif) dan tidak stabil jika kedua cermin tidak dapat  membolak-balikkan cahaya atau membuat cahaya berosilasi dalam ruang resonansi (medium aktif) sehingga cahaya menyebar keluar ruang resonansi (medium aktif) .  Hal ini berkaitan dengan kelengkungan cermin dan sudut datang atau arah cahaya. Jika kedua cermin sebagai mekanisme umpan balik tidak dapat menguatkan cahaya dan cahaya menyebar keluar  maka laser mengalami kehilangan daya (loss).

4.      Output coupler (OC)

Output Coupler memungkinkan sebagian dari sinar laser yang terdapat antara dua cermin untuk meninggalkan laser dalam bentuk sinar laser. Cermin yang digunakan sebagai cermin keluaran bersifat sebagian transparan, biasanya terbuat dari ZnSe (Zinc Selenide), GaAs (gallium Arsenide), atau CdTe (Cadmium Telluride) untuk laser CO2 dan gabungan BK7 kaca silica  untuk laser YAG. 

Gambar 7. Konstruksi dasar kavitas laser a. stabil b. tak stabil c. stabil dengan candela aerodinamik Sumber: Laser Material Processing, William M. Steen

Pelapisan secara hati-hati diperlukan untuk mendapatkan pemantulan yang diperlukan. Laser yang dihasilkan dapat dikatakan stabil jika bentuknya sama dengan lubang keluarannya dan dikatakan tidak stabil jika bentuk sinar laser seperti tepi cermin keluaran atau berbentuk cincin atau kadang berbentuk persegi. Laser yang tidak stabil mengalami kehilangan daya disekeliling cermin keluaran.

B.     Faktor luar

Kerugian daya dari faktor luar berkaitan dengan transmisi laser setelah keluar dari device. Transmisi laser bisa dilewatkan tanpa pemandu cahaya.

Gambar 8. Pembelokan cahaya laser melewati  media pemantul. Sumber : www.google.image.com

 Transmisi laser yang dilewatkan tanpa pemandu cahaya, biasanya memakai media pemantul (prisma atau kaca planparallel) untuk membantu membelokkan cahaya laser menuju sasaran.

Prisma dapat digunakan sebagai pemantul  jika sudut datang cahaya laser pada prisma cukup curam sehingga terjadi pemantulan internal total dan semua cahaya laser dipantulkan. Jenis prisma yang dapat digunakan untuk memantulkan cahaya disebut prisma reflektif. Misalnya : Pentaprism, Porro prism, Abbe-Koenig prisma, Schmidt-Pechan prisma, Dove prisma, Dichroic prisma, dan Amici atap prisma.

Gambar 9 . Pemantulan cahaya pada porro prism. Sumber : www.google.image.com

Sudut datang laser harus diatur dengan ukuran yang sedemikian sehingga cahaya laser dapat dibelokkan kepada sasaran laser dengan tepat. Bila sudut datang cahaya laser pada media pemantul kurang tepat maka cahaya laser tidak mengenai sasaran. Dengan demikian, dapat dikatakan laser akan kehilangan daya atau loss.

Cahaya laser dapat dipantukan jika sudut datang cahaya laser pada prisma cukup curam atau kurang dari sudut kritis. Sudut kritis Sudut kritis adalah sudut datang dari medium rapat ke medium kurang rapat yang menghasilkan sudut bias 90˚. Nilai sudut kritis bergantung pada indeks bias masing-masing medium.

Gambar 10 . Jalannya cahaya pada prisma. Sumber : www.google.image.com

Perjalanan cahaya dalam prisma mengikuti hukum Snellius. Seperti pada gambar, sudut-sudut pada prisma diberikan oleh:

Dengan

θ’₀ = sudut bias pertama

θ₁ = sudut datang kedua

θ’₁ = sudut bias kedua

θ₂  = sudut deviasi

Gambar 12. Pemantulan cahaya pada porro prisma ganda Sumber : www.google.image.com

Gambar 11 . Pemantulan cahaya pada porro prisma tunggal Sumber : www.google.image.com