Transcript Document 9650456

Matakuliah
: K0252 / Fisika
Dasar II
Tahun : 2007
Dasar–dasar laser
Pertemuan 13
1. LASER
. LASER merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated
.. Emission of Radiation . Pembahasan dalam pertemuan terakhir ini
. akan meliputi atom Bohr , tingkat energi , asal usul LASER , interaksi
. antara materi - cahaya , medium aktif , populasi inversi , keadaan
. metastabil , pemompaan optik , rongga osilator , prinsip kerja laser
. dan macam-macam LASER serta kegunaannya.
.
.
.
.
.
.
.
– Atom Bohr
Akhir abad 18 banyak percobaan yang dilakukan para ahli mengenai atom-atom gas yang ditempatkan dalam medan listrik .
Ternyata atom-atom tersebut memancarkan cahaya yang bila dile- .
watkan celah sempit menghasilkan sederetan garis diskrit dari
berbagai warna atau panjang gelombang . Johann Balmer tahun
1885 merumuskan persamaan dart empat garis nampak dalam
spektrum atom hidrogen dan disebut deret Balmer sebagai berikut:
3
Bina Nusantara
1 1 1
 R 2  2  ; n = 3 , 4 , 5 , 6
 2 n 
…………..(01)
R = 1.0974 x 10 – 7 m - 1 = konstanta Rydberg
.
.
.
.
.
.
Deretan diatas meliputi panjang gelombang 656 nm , 486 nm , 434
nm , dan 410 nm . Kemudian deretan Balmer ini diperluas dengan
panjang gelombang 365 nm . Percabaaan-percobaan kemudian
menunjukkan bahwa selain garis spektrum di atas terdapat pula
perluasan di daerah ultra violet dan infra merah . Perluasan di daerah
ultra violet memberikan deret Lyman yang terdiri atas panjang
gelombang 91 nm dan 122 nm dan memenuhi persamaan :
1
1 1
 R  2  2  ; n = 2 , 3 , ....

1 n 
. Sedangkan untuk daerah infra merah memberikan deret Paschen ….
4
Bina Nusantara
sebagai berikut :
1 1 1
 R  2  2  ; n = 4 , 5 , ......
 3 n 
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Untuk dapat menerangkan adanya spektrum tersebut di atas maka
dikemukakanlah model atom Thomson (model roti kismis); dimana
atom terdiri atas inti yang bermuatan positif dan elektron-elektron
bermuatan negatif tersebar didalamnya seperti roti kismis , Jumlah
muatan inti sama dengan jumlah muatan elektron .
Berdasarkan percobaan dari Ernest Rutherford (1911) ternyata
model ini tidak memberikan hasil yang diharapkan sehingga ditolak .
Rutherford mengemukakan teori bahwa atom terdiri atas inti atom
bermuatan positif dan elektron-elektron bermuatan negatif mengeli
-lingi inti atom seperti halnya planet-planet mengelilingi matahari .
Namun teori ini tidak dapat menjelaskan terjadinya radiasi cahaya .
Model atom Rutherford kemudian direvisi oleh Bohr dengan ……
5
Bina Nusantara
.
.
.
.
.
.
.
dengan mempostulatkan hal-hal berikut :
* Elektron-elektron mengelilingi inti dalam lintasan-lintasan tertentu
* Elektron di setiap lintasan mempunyai energi tertentu dan tidak
memancarkan cahaya (keadaan stasioner). Pemancaran cahaya
terjadi hanya bila suatu keadaan stasioner berpindah ke keadaan
stasioner lain yang lebih rendah energinya .
h f = EI - EF
h = konstanta Planck , f = frekuensi
EI = energi lintasan awal , EF = energi lintasan akhir
* Elektron-elektron mempunyai momentum anguler yang terkuanti.
asi :
L = m v rn = n h/2π , n = 1 , 2 , 3 , ……..
rn = jejari lintasan ke n
6
Bina Nusantara
.
.
Elektron yang bergerak mengelilingi inti dengan jejari rn akan
mengalami gaya sentripetal dan karena inti dan elektron bermuatan
berlawanan maka akan ada gaya Coulumb:
FC 
.
.
1
4 0
 Ze  e 
t
2
; Ze  mua tan int i positif
Z = jumlah muatan positif inti atom (= proton) ,
untuk atom hidrogen Z = 1
Menurut hukum Newton :
F = ma →
m v2
1  Ze  e 
=

2
rn
4  0 t
h2 0
r1 =
 m e2
……………….(02)
7
Bina Nusantara
.
m = massa elektron = 0.11 x 10 – 31 kg , h = 6.626 x 10 – 34 J s
e = muatan elektron = 1.6 x 19 – 19 C
r1 = 0.529 x 10 – 10 m →
r n = n2 r1
………….(03)
Tenaga potensial elektron :
U= qV = –eV
1 Z e2
U 
4  0 r2
– Tingkat energi
. Tenaga total En dari elektron dalam lintasan rn :
 Z 2e4 m  1
1 2 1 Ze2
En  mv 
 En    2 2  2
2
2
4 0 r
 8 0 h  n
Bina Nusantara
……….(04)
8
Untruk n = 1 disebut keadaan ground state :
 2 e4 m 
E1    2 2   2.17 x 1018 J  13.6 eV
 8 0 h 
Z2
En  2 E1
n
13.6 eV
En 
n2
…………..(05)
Untuk n = 2 maka :
E2 = – 3.40 eV
Untuk n = 3 maka :
E3 = – 1.51 eV
9
Bina Nusantara
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
▪ Interaksi Cahaya Materi
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
terexitasi (-excited states) seperti Gambar A , tetapi keberadaan
nya pada tingkat ini berlangsung hanya 10-8 sekon lalu kembali lagi
ke ground state sambil melepaskan cahaya (foton) , Gambar B :
Gambar A
Bina Nusantara
Gambar B
10
Emisi cahaya yang demikian disebut emisi spontan
Gambar C memperlihatkan simulasi dari emisi spontan yaitu atom .
berada dalam keadaan ground state menyerap energi (foton) dan .
atom naik tingkat energinya tapi kemudian memancarkan lagi foton
.
yang diserap sehingga 1 foton masuk dan keluar lagi satu foton
.
sehingga tidak ada amplikasi . Gambar D atom yang berada dalam
.
keadaan terexitasi 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 dua
Gambar C
Gambar D
11
Bina Nusantara
Ke dua foton yang dipancarkan berfase sama sehingga akan terda. pat kesamaan fase antara foton-foton yang dipancarkan dari atom. atom lain (semua foton saling koheren ).
.
Pada umumnya atom-atom pada suhu kamar berada dalam kea. daan ground state sehingga yang dominan adalah absorbsi . Agar
. yang dominan emisi terangsang perlu diusahakan atom-atom lebih
. banyak berada dalam keadaan terexitasi . Keadaan yang demikian
. ini disebut populasi inversi
▪ Populasi Innversi
Salah satu bahan yang mudah dilakukan populasi inversi adalah
. rubium (batu mrah delima ) yang berbentuk kristal Al2 O3 dimana
. sebagian ion Al 3 + telah di isi oleh ion Cr 3 + yang menjadikan ruby
. berwarna merah delima . Gambar E adalah diagram tingkat energ
. 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……
12
Bina Nusantara
Gambar E
Bina Nusantara
13
.
.
.
.
.
.
.
.
naik ke tingkat ban energi F . Elektron-elektron pada ban energi F
segera mengalami emisi spontan ,turun ke tingkat energi metastabil
E. 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 F .
Gambar F
14
Bina Nusantara
▪ Pemompaan optik (Optical pumping)
Salah satu cara untuk memperoleh populasi inversi .Cahaya luar .
digunakan untuk mengexitasi atom-atom medium aktif ke tingkat
. Energi lebih tinggi (lebih tinggi dari tingkat metastabil) yang kemu. dian meluruh secara spontan ke tingkat metastabil
▪ 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
. terhilang Medium aktif berada dalam resonator seperti yang
. terdapat dalam Gambar G
15
Bina Nusantara
Gambar F
▪
Menurut Ludwig Boltzman ,dalam keadaan kesetimbangan termal
. untuk system yang mempunyai dua tingkat energi , maka banyak. nya keadaan yang mempunyai tingkat energi tertentu adalah :
EX 

nx  C exp 

 kT 
16
Bina Nusantara
dimana nx adalah jumlah keadaan
Ex adalah tingkat energi
T = suhu dalam 0K
k = konstanta Boltzman
= 8.62 x 10-5 eV/ 0K .mol
Perbandingan antara dua keadaan dapat dinyatakan sebagai
. berikut :
  E2  E1  
n2  n1 exp  

  kT  
……………….(06)
Contoh 1:. Sebuah laser He-Ne memancarkan radiasi pada pan- .
.
jang gelombang 632.8 nm.dan mempunyai daya kelua.
ran sebesar 2 mW ..Berapakah jumlah foton per detik
.
yang bersesuaian dengan ini.
Jawaban : E = N h f , N = jumlah foton
17
Bina Nusantara
2mWx(10 3 / m) x(( J / det) / W )
N
6.63x10 34 J det x ((3x108 m / det) /( 632.8 x10 9 m))
N = 6.4 x 1018 foton/s
Contoh 2 : Sebuah laser batu delima memancarkan cahaya pada . .
.
panjang gelombang 694.4 nm. Bila sebuah pulsa laser . .
,,
dipancarkan selama 10 – 1 1 det dan energi yang dilepas
.
-kan per pulsa adalah 0.15 J , berapakah :
.
a). Jarak ruang dari pulsa ,
.
b). Jumlah foton dalam setiap pulsa
Jawaban :
.
a). Jarak ruang dari pulsa = kecepatan cahaya x waktu
.
= 3 x 108 m/s x 10-11 s
.
= 3 mm
.
b). Jumlah foton adalah :
18
Bina Nusantara
N
0.15 J
6.63 x 1034 J .det x ((3 x 108 m / det) /(694.4 x 109 m))
 5.23 x 10 17 foton
• Kondisi ambang
Panjang rongga resonator (L), agar terbentuk gelombang stasioner
maka :
L = m [λ / 2]
λ = panjang gelombang cahaya
m = 1 , 2 , ….
Frekuensi resonansi :
fm = m [C / 2L]
C = kecepatan cahaya
Beda frekuensi antara ragam getaran :
∆ f = C / 2L
19
Bina Nusantara
• Prinsip kerja laser
Cahaya yang diradiasikan saat electron/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 seperti tergambar dalam
. Gambar G . :
b
a
d
C
e
20
Bina Nusantara
Gambar G – a : Medium aktif (ruby) berada dalam rongga osilator
Gambar G – b : Medium aktif disinari dengan cahaya (optical
.
pumping)
Gambar G – c : Medium memancarkan cahaya oleh emisi
..
terangsang
Gambar G – d : Foton-foton yang searah sumbu osilator terpantul
.
bolak balik oleh cermin menyebabkan atom-atom
.
lain tereksitasi dan memperbanyak foton yang
.
searah sumbu osilator
Gambar G – e : Cahaya monokromatik berfase sama(sinar laser
.
keluar dari cermin setengah
Sifat sinar laser yang menguntungkan :
- Cahaya yang koheren dan hampir monokromatik
- Berkas sinar laser hampir tidak menyebar dan intensitasnya
.
sangat tinggi
21
Bina Nusantara
Tabel A
Tipe Laser (Gas) Panjang Gelombang
(nm)
Argon fluoride (UV)
93
Krypton fluoride (UV)
248
Xenon chloride (UV
308
Nitrogen (UV)
337
Argon (blue)
488
Argon (green)
514
Helium neon (green)
543
Helium neon (red)
633
22
Bina Nusantara
▪ Macam-macam Laser
- Laser gas
Contoh : Laser gas CO2 dan laser helium-neon (lihat Tabel A)
- Laser zat padat
Contoh : Laser Ruby , laser GaAs
▪ Aplikasi Laser
- Peralatan presisi
- Bidang kedokteran (pisau operasi,sebagai )
- Fiber optics (penghantar gelombang elektromagnetik )
- Persenjataan perang dan lain-lain .
23
Bina Nusantara
24
Bina Nusantara