Transcript Document 9654373

Mata kuliah : K0014 – FISIKA INDUSTRI
Tahun
: 2010
DASAR-DASAR LASER
Pertemuan 26
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 .
1. Interaksi Materi Dengan Cahaya.
Tinjau atom tunggal dengan dua tingkat energi E1 dan E2
E2
E2
foton datang
energi foton
diserap
awal (ground state)
E1
akhir (excited state )
E1
- Foton menumbuk atom, energi foton diserap atom
sehingga tingkat energi atom naik dari E1 menjadi E2
dengan : E2 - E1 = h f
f = frekuensi
h = konstanta Planck
- Atom pindah ke tingkat energi lebih tinggi
Bina Nusantara
Emisi cahaya
* Emisi spontan
E2
E2
foton
E1
E1
excited state
ground state
- elektron pindah kembali secara sepontan ke tingkat
energi terendah (ground state) setelah berada pada
tingkat energi lebih tinggi (excited state E2) selama 10-8
detik sambil melepaskan foton (cahaya) dengan energi
E = hf
Bina Nusantara
Emisi terangsang (stimulated emission)
foton
excited state
foton emisi
ground state
Sebuah foton dengan energi hf menumbuk atom yang
berada pada tingkat energi lebih tinggi, merangsang
atom kembali tingkat dasar dasar sebelum 10-8 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 (E2) dari
pada ground state(E1) dan berada pada tingkat ini lebih
lebih lama. Emisi spontan berkurang dan jumlah
populasi inversi akan meningkat.
Pumping level
E4
panas
E3
metastabil level
foton
foton
pumping
E2
panas
E1
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 cahaya
m = 1 , 2 , ….
Bina Nusantara
Frekuensi resonansi : fm = 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
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 HeliumNeon
- 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 )
Bina Nusantara