70613533-laser

5/14/2018 70613533-Laser - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/70613533-laser 1/10

LASER

a. Pengertian Laser

Laser (singkatan dari bahasa Inggris: 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 koheren. Laser juga dapat dikatakan efek dari mekanika kuantum.

Dalam teknologi laser, cahaya yang koheren menunjukkan suatu sumber cahaya yang

memancarkan panjang gelombang yang diidentifikasi dari frekuensi yang sama, beda fasa

yang konstandan polarisasinya. Selanjutnya untuk menghasilkan sebuah cahaya yang koheren

dari medium lasing adalah dengan mengontrol kemurnian, ukuran, dan bentuknya. Keluaran

yang berkelanjutan dari laser dengan amplituda-konstan (dikenal sebagai CW atau

gelombang berkelanjutan), atau detak, adalah dengan menggunakan teknik Q-switching,modelocking, atau gain-switching.

Dalam operasi detak, dimana sejumlah daya puncak yang lebih tinggi dapat dicapai. 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, fasa, dan polarisasi; Ini tentunya penting dalam telekomunikasi

serat optik.

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

fasa 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.

Gambar 1. Sinar Laser

b. Prinsip Kerja Laser

Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan amat lurus. Cara kerjanya

mencakup optika dan elektronika. Para ilmuwan biasa menggolongkannya dalam bidangelektronika kuantum. Sebetulnya laser merupakan perkembangan dari MASER, huruf M



disini singkatan dari Microwave, artinya gelombang mikro. Cara kerja maser dan laser adalah

sama, hanya saja mereka bekerja pada panjang gelombang yang berbeda. Laser bekerja pada

spektrum infra merah sampai ultra ungu, sedangkan maser memancarkan gelombang

elektromagnetik dengan panjang gelombang yang jauh lebih panjang, sekitar 5 cm, lebih

pendek sedikit dibandingkan dengan sinyal TV - UHF. Laser yang memancarkan sinar

tampak disebut laser - optik.

Secara umum suatu divais laser terdiri dari media penguat berkas cahaya (gain medium),

sumber energi pemompa ( pumping source), dan resonator optik (optical resonator ).

Media penguat adalah suatu bahan yang mempunyai sifat dapat meningkatkan intensitas

cahaya dengan cara emisi terstimulasi. Sedangkan resonator optic, secara sederhana terdiri

dari susunan cermin yang dipasang berhadapan sehingga berkas cahaya dapat bergerak bolak-

balik. Salah satu cermin bersifat agak transparan, sehingga dapat berfungsi sebagai jalur

keluar berkas laser (output coupler ). 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.

Proses memasukkan energi sebagai syarat untuk terjadinya penguatan daya dinamakandengan pumping (memompa). 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 laser semikonduktor. Selain komponen-komponen utama di

atas, suatu perangkat laser biasanya dilengkapi dengan beberapa komponen pendukung untuk

menghasilkan berkas laser yang tajam.

Bahan media penguat dapat berupa gas, cairan, padatan, atau plasma. Media penguat

menyerap energi yang dipompakan dan mengakibatkan sejumlah elektron tereksitasi ke

tingkat energi yang lebih tinggi. Partikel dapat berinteraksi dengan cahaya melalui cara

mengabsorpsi atau mengemisikan foton. Emisi cahaya dapat terjadi secara spontan atau

dengan cara stimulasi. Ketika jumlah elektron pada suatu tingkat eksitasi melebihi jumlah

elektron pada tingkat energi di bawahnya, maka populasi inversi telah terjadi. Hal tersebut

dapat mengakibatkan terjadinya emisi terstimulasi yang jumlahnya lebih besar daripada yang

diabsorpsi. Dengan demikian cahaya mengalami penguatan. Jika media penguat ini

ditempatkan di dalam resonator optik, maka penguatan cahaya dapat terjadi berkali-kali dan

selanjutnya menghasilkan berkas laser.



Gambar 2. Prinsip Kerja Sinar Laser

c. Jenis-Jenis Laser

Tiga jenis dasar laser yang paling umum digunakan, yaitu :

1. Laser yang dipompa secara optis

Ruby adalah batu permata buatan, terbuat dari Al2O3 dengan berbagai macam

ketakmurnian. Ruby yang digunakan pada laser yang pertama berwarna merah

jambu, memiliki kandungan 0,05 persen ion krom bervalensi tiga ( Cr + 3 ) dalam

bentuk Cr 2O3. ruby berbentuk silinder, kira-kira berdiameter 6 mm dan

panjangnya 4 sampai 5 cm. Gambar 3 memperlihatkan diagram tingkat energi

yang dimiliki ion Cr dalam kristal ruby.

Gambar 3. Diagram tingkat energi kristal Ruby

Laser ini dihasilkan melalui transisi atom dari tingkat metastabil ke tingkat energi

dasar, radiasinya memiliki panjang gelombang 6920 A° dan 6943 A°. Yang paling

terang dan jelas adalah yang 6943 A°, berwarna merah tua.

Pemompaan optisnya dilakukan dengan menempatkan batang ruby di dalam

tabung cahaya ini banyak dipakai sebagai perlengkapan kamera untuk

menghasilkan kilatan

cahaya. Foton-foton yang dihasilkan tabung ini akan bertumbukan dengan ion-ion Cr

dalam ruby, mengakibatkan eksitasi besar-besaran ke pita tingkat energi tinggi.

Dengan cepat ion-ion itu meluruh ke tingkat metastabil, di tingkat ini mereka berumur



kira-kira 0,005 detik, suatu selang waktu yang relatif cukup panjang sebelum mereka

kembali ke tingkat energi dasar. Tentu saja pemompaan terjadi dengan laju yang lebih

cepat dibanding selang waktu tersebut sehingga terjadi inversi populasi. Setelah

terjadi satu saja pancaran spontan ion Cr, maka beramai-ramailah ion-ion yang lain

melakukan hal yang sama, dan mereka semua memancarkan foton dengan energi dan

fase yang sama, yaitu laser.

Jika pada laser ini dibuatkan rongga resonansi optis maka cacah foton yang

dipancarkan dapat dibuat banyak sekali. Rongga resonansinya adalah batang ruby itu

sendiri. Batang tersebut harus dipotong dan digosok rata di kedua ujungnya. Kedua

ujung juga harus betul-betul sejajar, yang satu dilapisi tebal dengan perak dan satunya

lagi tipis-tipis saja. Akibatnya rapat energi foton makin lama makin besar dengan

terjadinya pemantulan berulang-ulang yang dilakukan kedua ujung batang ruby,

sampai suatu saat ujung yang berlapis tipis tidak mampu lagi memantulkan foton yang

datang, sehingga tumpahlah foton-foton dari ujung tersebut sebagai sinar yang kuat,

monokromatik dan koheren yang tidak lain adalah laser.

Pada saat pancaran terangsang berlangsung, tentu saja tingkat metastabil akan cepat

sekali berkurang populasinya. Akibatnya keluaran laser terdiri dari pulsa-pulsa berintensitas tinggi yang selangnya masing-masing sekitar beberapa nanodetik sampai

milidetik. Setelah letupan laser terjadi, proses inversi populasi dan perbesaran rapat

energi foton dimulai dari awal lagi, demikianlah seterusnya sehingga terjadi retetan

letupan-letupan berupa pulsa-pulsa. Keluaran yang kontinu dapat diperoleh yaitu jika

sistem lasernya ditaruh dalam sebuah kriostat agar suhu operasi laser menjadi rendah

sekali.

Gambar 4. Laser Ruby

2. Laser yang dipompa secara elektris

Sistem laser jenis ini dipompa dengan lucutan listrik di antara dua buah elektroda.



Sistemnya terdiri dari satu atau lebih jenis gas. Atom-atom gas itu mengalami

tumbukan dengan elektron-elektron lucutan sehingga memperoleh tambahan

energi untuk bereksitasi. Perkembangan terakhir dalam perlaseran medium gasnya

dapat diganti dengan uap logam, tetapi hal ini akan mengarah pada perkembangan

jenis laser yang lain. Jenis laser uap logam akan dibicarakan secara tersendiri.

Laser gas mampu memancarkan radiasi dengan panjang gelombang mulai dari

spektrum ultra ungu sampai dengan infra merah. Laser nitrogen yang

menggunakan gas N2 merupakan salah satu laser terpenting dari jenis ini, panjang

gelombang lasernya berada di daerah ultra ungu (3371 A° ). Sedangkan laser

karbondioksida yang merupakan laser gas yang terkuat memancarkan laser pada

daerah infra merah (10600 A °). Laser gas yang populer tentu saja laser helium-

neon, banyak dipakai sebagai peralatan laboratorium dan pembaca harga di pasar

sawalayan. Laser yang dihasilkan berada di spektrum tampak berwarna merah

(6328 A° ).

Dalam keadaan normal atom helium berada di tingkat energi dasarnya 1S0, karena

konfigurasi elektron terluarnya adalah 1 s2. Pada saat elektron lucutan

menumbuknya atom helium itu mendapatkan energi untuk bereksitasi ke tingkat

energi yang lebih tinggi seperti 1S0 dan 3S1 dari konfigurasi elektron 1s2s. Begituatom helium tereksitasi ke tingkat-tingkat itu ia tak dapat lagi balik ke tingkat

dasar, suatu hal yang dilarang oleh aturan seleksi radiasi. Suatu hal kebetulan

bahwa beberapa tingkat energi yang dimiliki atom neon hampir sama dengan

tingkat energi atom helium. Akibatnya transfer energi antara kedua jenis atom itu

sangat terbolehjadi melalui tumbukan-tumbukan . Pada gambar 5 dapat dilihat

bahwa atom neon yang ditumbuk oleh atom helium 1S0 akan tereksitasi ke tingkat

1P1, 3P0, 3P1 , 3P2 dari konfigurasi elektron 2p55s. Setelah bertumbukan atom

helium akan segera kembali ke tingkat energi dasar. Oleh karena aturan seleksi

memperbolehkan transisi dari tingkat-tingkat energi ini ke sepuluh tingkat energi

yang dimiliki konfigurasi 2p53p, maka atom neon dapat dipicu untuk

memancarkan laser. Syarat inversi populasi dengan sendirinya sudah terpenuhi,

karena pada kesetimbangan termal tingkat-tingkat di 2p53p atom Ne amat jarang

populasinya.



Gambar 5. Diagram tingkat energi He dan Ne

Laser yang dihasilkan akan memiliki intensitas yang paling jelas di panjang

gelombang 6328 A° tadi. Sebetulnya pancaran laser He-Ne yang terkuat berada di

11523 A° (infra merah dekat) yang ditimbulkan oleh transisi dari satu di antara 4

tingkat di 2p54s atom Ne, yang kebetulan berdekatan dengan tingkat energi 3S1

atom He, ke salah satu dari 10 tingkat energi di 2p53p. Sistem laser ini berbentuk

tabung gas silindris dengan panjang satu meter dan diameter 17 mm. Kedua ujung

tabung ditutup oleh dua cermin pantul yang sejajar, disebut cermin Fabry - Perot,

sehingga tabung gas ini sekaligus berfungsi sebagai rongga resonansi optisnya.

Dua buah elektroda dipasang di dekat ujung-ujungnya dan dihubungkan dengan

sumber tegangan tinggi untuk menimbulkan lucutan dalam tabung. Tekanan He

dan Ne dalam tabung adalah sekitar 1 torr dan 0,1 torr, dengan kata lain atom He

kira-kira 10 kali lebih banyak dibandingkan dengan atom Ne. Cacah He yang lebih

banyak ini mampu mempertahankan inversi populasi secara terus menerus,

sehingga laser yang dihasilkan juga bersifat kontinu, tidak terputus-putus sebagai

pulsa seperti pada laser ruby. Sifat kontinu ini merupakan keunggulan laser gas

dibanding laser ruby. Laser yang kontinu amat berguna untuk transmisi

pembicaraan dalam komunikasi, musik atau gambar-gambar televisi.

Efisiensi laser He-Ne ini juga rendah, hanya sekitar 1 persen, keluaran lasernya

hanya berorde miliwatt. Sedangkan laser CO2 dapat menghasilkan laser kontinu

berdaya beberapa kilowatt dengan efisiensi lebih tinggi.



Gambar 6. Sistem Laser gas

3. Laser semikonduktor

Laser ini juga disebut laser injeksi, karena pemompaannya dilakukan dengan

injeksi arus listrik lewat sambungan PN semikonduktornya. Jadi laser ini tidak lain

adalah sebuah diode dengan bias maju biasa.

Proses laser jenis ini mirip dengan kerja LED biasa. Pancaran fotonnya disebabkan

oleh bergabungnya kembali elektron dan lubang (hole) di daerah sambungan PN-

nya. Bahan semikonduktor yang dipakai harus memiliki gap energi yang langsung,

agar dapat melakukan radiasi foton tanpa melanggar hukum kekekalan momentum.

Oleh sebab itulah laser semikonduktor tidak pernah menggunakan bahan seperti

silikon maupun germanium yang gap energinya tidak langsung. Dibandingkan

dengan LED, laser semikonduktor masih mempunyai dua syarat tambahan.

Yang pertama, bahannya harus diberi doping banyak sekali sehingga tingkat

energy Fermi-nya melampaui tingkat energi pita konduksi di bagian N dan masuk

ke bawah tingkat energi pita valensi di bagian P. Hal ini perlu agar keadaan inversi

populasi di daerah sambungan PN dapat dicapai. Yang kedua, rapat arus listrik maju yang digunakan haruslah besar, begitu besar sehingga melampaui harga

ambangnya. Besarnya sekitar 50 ribu ampere/cm2 agar laser yang dihasilkan

bersifat kontinu. Rapat arus ini luar biasa besar, sehingga diode laser harus ditaruh

di dalam kriostat supaya suhunya tetap rendah ( 77 K ), jika tidak arus yang besar

ini dapat merusak daerah sambungan PN dan diode berhenti menghasilkan laser.

Gambar 7. Laser semikonduktor beserta diagram energinya

Pada gambar tampak bahwa di sebagian daerah deplesi terjadi inversi populasi

jika sambungan PN diberi tegangan maju, daerah ini disebut lapisan aktif. Daerah

deplesi adalah daerah di sekitar sambungan PN yang tidak memiliki pembawa

muatan listrik bebas. Pada saat dilakukan injeksi arus listrik melalui sambungan,



elektron-elektron di pita konduksi pada lapisan aktif dapat bergabung kembali

dengan lubang-lubang di pita valensi.

Untuk arus injeksi yang kecil penggabungan ini terjadi secara acak dan

menghasilkan radiasi, proses ini adalah yang terjadi pada LED. Tetapi apabila arus

injeksinya cukup besar, pancaran terangsang mulai terjadi di daerah lapisan aktif.

Lapisan ini berfungsi pula sebagai rongga resonansi optisnya, sehingga laser akan

terjadi sepanjang lapisan ini.

Pelapisan seperti yang dilakukan pada cermin di sini tidak diperlukan lagi karena

bahan diode sendiri sudah mengkilap (metalik), cukup bagian luarnya digosok agar

dapat memantulkan sinar yang dihasilkan dalam lapisa aktif. Kelemahan sistem

laser ini adalah sifatnya yang tidak monokromatik, karena transisi elektron yang

terjadi bukanlah antar tingkat energi tapi antar pita energi, padahal pita energi

terdiri dari banyak tingkat energi.

Sambungan yang dijelaskan di atas biasa disebut homojunction, karena yang

dipisahkannya adalah tipe P dan N dari substrat yang sama, ayitu misalnya GaAs

tadi. Tipe P GaAs biasanya diberi doping seng ( Zn ) dan tipe N-nya dengandoping telurium (Te). Sebenarnya hanya sebagian kecil elektronelektron yang

diinjeksikan dari daerah N yang bergabung dengan lubang di lapisan aktif,

kebanyakan dari mereka berdifusi jauh masuk ke dalam daerah P sebelum

bergabung kembali dengan lubang-lubang. Efek difusi inilah yang menyebabkan

besarnya rapat arus listrik yang dibutuhkan dalam proses kerja laser

semikonduktor. Tetapi besarny rapat arus listrik ini dapat diturunkan dengan cara

membatasi gerakan elektron yang diinjeksikan itu disuatu daerah yang sempit, agar

merekam tidak berdifusi kemana-mana. Hal ini dapat dilakukan dengan cara

membuat sambungan heterojunction. Heterjunction yang apling umum dipakai

adalah sambungan antara GaAs dan AlGaAs. GaAs memiliki gap energi yang lebih

sempit, sehingga bila ia dijepit oleh dua daerah AlGaAs bertipe P dan N, elektron-

elektron yang diinjeksikan dari daerah N dan lubang-lubang dari daerah P akan

bergabung di GaAs ini, jadi GaAs berfungsi sebagai lapisan aktifnya.



Laser heterojunction GaAs - AlGaAs dapat bekerja secara kontinu pada suhu

kamar hanya dengan rapat arus minimum sebesar 100 ampere/cm2, 500 kali lebih

kecil dibandingkan rapat arus pada laser GaAs yang homojunction.

a. Aplikasi Laser

Aplikasi laser pada komunikasi serat optik, 1 serat optik dapat digunakan untuk menyalurkan

data yang lebih banyak dan lebih jauh dibandingkan dengan kabel tembaga. Teknologi ini

menggunakan piranti yang dapat meminimalisasi waktu proses pengolahan data. Piranti itu

dalam bentuk piranti optoelektronik (piranti pengolah informasi optik yang dikontrol secara

elektronik). Satu chip optik memiliki berbagai funsi seperti penapisan, penyaluran kembali,

penambahan data dan lain-lain yang seluruhnya dikendalikan oleh intensitas cahaya sendiri.

Kelebihan serat optik adalah pelemahan sinyal selama perambatan lebih kecil dari kabel

tembaga.

Gambar 8. Proses yang terjadi pada laser dalam serat optik

TUGAS TEKNIK OPTIK

“ LASER “



Disusun oleh :

FRIESKA ARIESTA S.

2409 100 050

JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2011

70613533-laser

Documents