Laser

LASER

Kata Laser merupakan akronim dari “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations”,  yang berarti penguatan cahaya dalam radiasi gelombang elektromagnetik  oleh emisi radiasi terangsang. Biasanya dalam bentuk cahaya yang tidak dapat dilihat maupun dapat dilihat dengan mata normal, melalui proses pancaran terstimulasi. Laser merupakan sumber optik yang koheren yang pengoperasiannya menggunakan arus bias yang besarnya diatas arus threshold. Proses pembentukan laser ada 3, yaitu :

- Emisi spontan, dimana mula-mula atom berada pada keadaan tereksitasi di energi konduksi dan cahaya dengan frekuensi f₀ diemisikan secara acak dan spontan tanpa pemicu. Ketika sejumlah besar atom-atom dan molekul berada pada level energi yang tinggi maka fase gelombang yang diradiasikan oleh atom dan molekul yang berbeda tidak saling bergantung. Total intensitas cahaya yang diradiasikan akan berkurang secara eksponensial terhadap waktu. Cahaya yang bisa kita lihat sehari-hari adalah contoh emisi spontan. Misal filmen sebuah bohlam yang atomnya  tereksitasi oleh energi thermal

- Absorpsi foton, proses perpindahan elektron dari energi valensi ke energi konduksi. Cara ini terjadi ketika cahaya dengan frekuensi f₀ dipompakan ke dalam atom dari sumber luar, shingga sebuah atom pada tingkat energi valensi dapat menangkap foton dari cahaya input dan mengalami eksitasi dari tingkat energi valensi ke tingkat energi konduksi. Proses absorpsi dalam atom dipengaruhi oleh populasi elektron pada masing-masing tingkat energi dan proses emisi yang terjadi.

- Emisi terangsang, merupakan proses saart keadaan populasi elektron terksitasi yang mendapat rangsangan (pacu) akan serentak melepaskan foton dalam jumlah banyk. Cara ini hampir sama dengan absorpsi foton, ayitu terjadi ketika sejumlah cahaya dengan frekuensi f₀ dipompakan kedalam atom dari sumber luar, kemudian atom yang berada pada tingkat energi konduksi, dapat diinduksikan unutk mengemisikan sebuah foton cahaya yang memiliki fase dan yang sama dengan cahaya input .(elektron bertransisi ke tingkat dasar setelah mendapatkan rangsangan dari proton lain yang mempunyai energi sama (E₂-E₁)). Cara in merupakan dasar pembuatan laser

Dalam keadaan normal dan alamiah emisi terangsang jarang terjadi, sedangkan kemungkinan terjadinya emisi spontan sangat besar. Waktu rata-rata elektron berada pada tingkat energi yang lebih tinggi sebelum terjadi  proses transisi spontan disebut waktu hidup (life time).

Besarnya laju transisi elektron ke tigkat energi yang lebih tinggi dan transisi elektron ke tingkat di bawahnya harus sama, yang secara matematis dituliskan dengan : 

Laser dikatakan baik jika frekuensi atau panjang gelombang yang dipancarkannya bersifat tunggal. Daya laser dapat dibuat bervariasi dari mulai nano watt untuk laser kontinyu sampai triliunan watt untuk laser pulsa. Laser merupakan komponen utama dalam sistem komunikasi modern saat ini. Secara umum suatu divais laser terdiri dari media penguat berkas cahaya (gain medium), sumber energi pemompa (pumping source), dan resonator optik (optical resonator), yang dapat berupa lensa atau cermin.

ØINVERSI POPULASI

Inversi populasi adalah proses pembalikan jumlah populasi elektron yang berada pada suatu sistem atomik. Atau dengan kata lain, ketika jumlah elektron pada suatu tingkat eksitasi melebihi jumlah elektron pada tingkat energi di bawahnya maka telah terjadi inversi populasi. Berdasar distribusi Boltzman, pada sistem yang berada dalam kesetimbangan termal, jumlah populasi (N₁) pada tingkat yang berenergi E₁ jauh lebih banyak dibanding  dengan jumlah populasi (N₂) yang berenergi E₂ (E₂ > E₁ ). Proses inversi populasi sangat diperlukan sebagai sarana terjadinya emisi terangsang sebagai salah satu faktor untuk dapat terbentuknya cahaya laser. Inversi populasi memerlukan sejumlah energi untuk mengeksitasi atom ke tingkat yang lebih tinggi (E₂).

Proses pemberian energi sehingga mampu mengeksitasi atom ke tingakt yang lebih tinggi disebut dengan proses pumping. Energi yang dipompakan dapat berupa arus listrik atau berkas cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda. Untuk pompa energi dalam bentuk cahaya, dapat digunakan lampu flash atau semikonduktor.

Sumber untuk proses pumping seperti energi optical, bombarment elektron, energi kimiawi, injeksi arus. Umumnya pumping dilakukan dengan absorpsi terstimulasi, yakni pemberian energi sebesar perbedaan dari tingkat energi dasar ke tingkat yang diharapkan dapat digunakan untuk aksi laser tingkat tinggi.

Ø  OPTICAL FEEDBACK dan KONDISI THRESHOLD

Laser bila ditinjau dari mekanismenya lebih sama dengan proses osilasi. Positif feeback pada laser dapat dimunculkan dengan menempatkan medium gain (medium akti flaser) dalam pemasangan cermin yang membentuk cavity optik. Kavity optik merupakan salah satu bentuk dari resonator. Kavity mengandung berkas koheren yang dilingkupi oleh permukaan bersifat reflektif yang memungkinkan berkas cahaya tersebut bergerak bolak-balik melewati media penguat.

 Cahaya yang mengalami osilasi dalam kavity mengalami kehilangan daya (loss) yang disebabkan difraksi atau absorpsi. Untuk mengembalikannya ke kondisi terstimulasi, maka harus dipumping kembali. Besarnya energi yang dipompakan harus mempertimbangkan batas ambang dari media penguat dan kehilangan daya di dalam kavity. Jika daya yang dipompakan terlalu kecil, maka emisi yang dihasilkan tidak akan cukup untuk mengimbangi kehilangan daya akibat absorpsi. Sebaliknya, jika terlalu besar maka akan memperpendek usia penggunaannya. Oleh karena itu, diperlukan optimasi batas minimu energi yang dipompakan (lasing threshold), sehingga berkas laser yang dihasilkan cukup signifikan dengan umur pemakaian yang panjang. Kondisi threshold dicapai bila :

Ø  MODUS LASER

Dua cermin laser membentuk cavity resonan dan pola gelombang terdiri terbentuk diantara dua carmin, seperti halny gelombang berdiri pada tali atau pipa organda. gelombang berdiri dapat dinyatakan dengan :

Moda axial terbentuk oleh gelombang bidang yang merambat sepanjang sumbu cavity alser pada garis yang menghubungkan pusat cermin. Sedangkan moda transversal timbul karena gelombang merambat diluar sumbu (off axis), dan karena mereka mempunyai komponen medan elektromagnetik yang merambat transveral tehadap arah rambatan maka disebut dengan moda elektromagnetik transversal (TEM).

Ø  KELOMPOK LASER

Perkembangan yang terjadi pada laser tidak hanya pada penampilan dan karakteristik laser, tetapi juga pada bahan-bahan yang mampu menghasilkan cahaya laser. Bahan media penguat dapat berupa gas, cairan, padatan atau plasma. Media penguat menyerap energi yang dipompakan dan mengakibatkan sejumlah elektron tereksitasi ke tingjat energi yang lebih tinggi.

Laser diklasifikasikan menjadi 4, yaitu :

1)            Laser Doped Insulator (zat padat)

Laser Doped Insulator merupakan laser dengan medium aktiv yang terdiri atas kisi-kisi atom (biasanya dalam bentuk kristal) dengan atom impurity yang ditanamkan selama proses pertumbuhan bahan. Beberapa contoh laser yang menguunakan medium aktif berupa bahan zat padat antara lain :

a. Laser Ruby, menggunakan medium aktiv berupa kristal ruby yakni aluminium oxide dengan 0,05% berat chromium sebagai impurity. Pumping menggunakan white light discharge melalui penyerapan daerah sekitar spektrum biru dan hijau.

b. Laser Nd:YAG, menggunakan medium aktiv yaitu attrium aluminium garnet (Y₃Al₅O₁₂) dengan ketidakmurnian (impurity) berupa ion neodymium Nd^3-. Proses pumping menggunakan flash cahaya putih dari lampu tabung Xenon, tetapi dapat pula di pumping menggunakan laser semikonduktor.

c.  Laser Nd:Glass, menggunakan medium aktiv glass dengan impurity berupa ion neody-mium Nd^3-.

2)            Laser Gas

Transisi tingkat energi yang dimanfaatkan pada laser gas dapt berupa tingkat energi elektronik dalam atom atau ion atau tingkat energi vibrasi dalam molekul. Beberapa contoh laser gas, yaitu :

a. Laser He-Ne (transisi tingkat atomik), menggunakan medium aktiv berupa campuran 10 bagian helium dan 1 bagian neon. Pumping dilakukan dengan discharge dc tegangan 2-4 kV. Prosesnya, energi dari proses pumping menyebabakan eksitasi atom helium dan transfer energi terjadi karena proses tumbukan dengan atom neon. Dan penyerapan energi yang mengakibatkan transisi elektronik dalam atom neon, sebagian menimbulkan cahaya laser.

b. Laser Argon (transisi tingkat ionik). Atom gas Argon terionisasi ole utmbukan elektron dalam discharge arus tinggi (15-10 A). Contoh laser argon adalah laser krypton.

c.  Laser CO₂ (transisi tingkat molekuler)

Laser jenis ini menggunakann medium aktiv berupa campuran gas CO₂, gas nitrogen dan gas helium dengan perbandingan volume 1:4:5. Gas nitrogen bertindak seperti atom helium pada laser He-Ne. Prosesnya, molekul nitrogen tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi setelah mendapatkan energi dari luar berupa energi pumping. Dan melalui proses tumbukan antar gas campuran terjadi transfer energi ke gas CO₂ sehingga molekul gas tereksitasi dan menghasilkan transisi laser. Fungsi helium dalam laser CO₂ adalah :

-          Menambah konduktivitas termal dinding tabung sehingga mengurangi temperatur dan menambah gain

-          Menambah efisiensi laser

1)            Laser Semikonduktor

2)            Laser Cair (dye laser)

Medium aktiv yang digunakan dalam dye laser adalah larutan bahan celup organik dalam pelarut seperti rhodamien 6G dalam pelarut metanol. Pumping yang digunakan seperti flashtubes, laser nitrogen, laser zat padat, laser ion. Pemilihan pumping tergantung spektrum absorpsi yang diinginkan dan output yang diharapkan. Banyak bahan dye yang digunakan sebagai media laser seperti polyphenyl, stilben, sodium flourescein, oxazine 1, rhodamine 6G, C490. Spektrum keluaran cahaya dye laser cukup lebar, maka laser ini dilengkapi dengan komponen yang dapat mengatur keluaran panjang gelombang yang diradiasikan. Cahya keluaran dye laser dapat diatur (tune) dengan menggunakan prisma, kisi difraksi dan dikombinasikan dengan cermin dan elemendispersi.

-        Bentuk khusus : laser elektron bebas (free-electron laser) adalah bahan aktifnya terdiri dari elektron-elektron bebas dengan bergerak melewati susunan medan magnet yang periodik.

-        Berdasarkan panjang gelombang : UV laser, visible, infra merah

-        Berdasarkan durasi berkas cahaya : kontinu dan pulsa.

Ø  SIFAT CAHAYA LASER

Beberapa sifat cahaya laser dibawah ini, tidak semuanya mempunyai derajat yang sama untuk semua laser. Pemilihan sifat cahaya laser tergantung pada pemakaiannya.

1)  Kesearahan ( Directionality )

Cahaya laser mempunyai kesearahan yang tinggi, berkas cahaya laser terkolimasi dengan sudut divergensi yang kecil, sehingga energi yang dibawa dapat terkumpul dengan mudah dan dapat difokuskan dengan luasan yang kecil. Sedangkan cahaya yang diradiasi oleh sumber konvensional memancar ke segala arah dengan sudut ruang 40 steradian. Tabel dibawah ini menunjukkan sudut divergensi beberapa tipe laser dengan besaran yang dinyatakan dalam milliradian.

1)  Line Width yang sempit

Laser mempunyai kemungkinan untuk dijadikan sumber cahaya yang meradiasi berkas monokromatis, yakni cahaya yang mempunyai panjang gelombang tunggal, sehingga mempunyai lebar garis spektrum yang cukup sempit. Sempitnya lebar garis yang dipunyai cahaya laser menjadikan laser merupakan pilihan sumber cahaya yang digunakan dalam kegiatan eksperimental ilmu pengetahuan seperti photocemistry, spektroskopi, juga dalam komunikasi. Sifat ini dikarenakan :

-          Hanya ada satu frekuensi yang dikuatkan v =

-          Susunan dua cermin yang membentuk cavity- resonant sehingga osilasi hanya terjadi sesuai dengan frekuensi cavity

2)  Koheren

Berkas laser umunya sangat koheren, yang mengandung arti bahwa cahaya yang dipancarkn tidak menyebar dan rentang frekuensinya sangat sempit (monochromatic light). Radiasi dari laser mempunyai derjat koherensi spatial dan temporal yang sangat tinggi, yaitu sifat keserempakan phase gelombang cahaya yang terpancarkan. Sifat koheren cahaya merupakan satu karakteristik yang cukup penting dalam pengukuran interferometrik dan deformasi, termasuk di dalamnya pengukuran dengan holografi dan spekel, yang banyak digunakan dalam metrologi dan analisis vibrasi. Satu variabel yang penting berhubungan dengan sifat koheren cahaya laser adalah panjang koherensi, dengan nilai yang berbeda-beda untuk jenis laser yang tidak sama, sepeti yang ditunjukkan tabel berikut :

1)  Brightness / kecerahan yang tinggi

Brightness didefinisikan sebagai daya persatuan luas persatuan sudut ruang. Berdasar difat kesearahan yang tinggi menyebabkan cahaya laser hampir terkolimasi maka cahaya laser walaupun mempunyai dayan yang rendah mampu memberikan nilai kecerahan yang tinggi.

Ø  KELAS LASER

Berdasarkan daya keluaran, laser dapat dibagi menjadi 4 kelas sebagai berikut :

-       Kelas 1 : Daya keluarannya sangat rendah, sehingga tidak berbahaya

-       Kelas 1A : laser ini tidak boleh langsung mengenai mata (scanner di supermarket).

-       Kelas 2 : Spektrum radiasi merupakan spektrum visibel (400-700 nm), dengan daya keluaran hingga 1mW untuk laser CW (continous wave). Laser kelas ini tidak membahayakan tetapi perlu proteksi mata bila bekerja dengan laser kelas ini. 

-       Kelas 3A : Spektrum yang teradiasi merupakan spektrum visibel, denga daya keluaran hingga 5 mW. Diperlukan proteksi mata, dan berbahaya bila berkas dipandang langsung.

-       Kelas 3B : Spektrum yang teradiasi lebih besar berupa spektrum elektromagnetik (200 nm – 1 mm) dan daya keluaran 500 mW. Berkas cahaya laser ini cukup berbahaya sehingga perlu menghindari berkas langsung.

-       Kelas 4 : Spektrum yang teradiasi adalah spektrum elektromagnetik dengan daya keluaran lebih besar dari 500 mW. Berbahaya jika dilihat dari berbagai kondisi (langsung atau yang terhambur) dan berpotensi menyebabkan kebakaran atau membakar kulit.

Ø  APLIKASI LASER

Banyak sekali aplikasi laser, diantaranya sebagai laser pointer (untuk presentasi), laser untuk pelurus arah tembakan, pemotong atau cutter yang sudah banyak digunakan di industri baja dan elektronik, laser hair removal untuk menghilangkan rambut. Dan juga ada laser untuk penyembuh luka sedangkan aplikasi lain untuk analisis misalnya :

-   Spektroskopi, teknik unutk menganalisa bahan yang sering digunakan dalam aplikasi ini adalah FTIR (Fourier Transform Infra Red) menggunakan laser infra merah untuk di ukur tingkat serapan suatu bahan, kemudian dicocokkan dengan tabel.

-   Material prosessing, biasa digunakan untuk pemotong laser yang sering digunakan adalah laser CO₂.

-   Pengukur jarak, untuk mengetahui jarak bulan terhadap bumi.

Laser pendingin, memanfaatkan metde atom trapping. Metode diamana sejumlah atom dipernagkap ke dalam kotak yang telah dirangkap kedalam medan listrik dan medan magnet kemudian meradiasi panjang gelombang yang keluar, kemudian memperlambat mereka dan -   senlanjutnya sinar ini menjadi dingin. Proses ini dikenal dengan Bose-Einstein Condensate.

-   Dalam bidang medis, laser dapat digunakan untuk mengkitan, rontgen, menghapus tanda lahir, sinar mata dll