LASER

PENDAHULAN

Kata Laser adalah akronim singkatan dari Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation, yang artinya perbesaran intensitas cahaya oleh pancaran

sinaran yang terangsang. Kata kuncinya adalah ”perbesaran” dan ”pancaran

terangsang”.

Laser merupakan sumber cahaya yang koheren yang monokromatik dan amat

lurus. Cara kerjanya mencakup optika dan elektronika. Para ilmuwan biasa

menggolongkan dalam bidang elektronika 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,

lebuh pendek sedikit dibandingkan dengan sinyal TV-UHF. Laser yang

memancarkan sinar tampak tersebut disebut laser optik.

Beberapa jenis laser, seperti laser dye dan laser vibronik benda-padat (solid-

state lasers) dapat memproduksi cahaya lewat jangka lebar gelombang yang

mampu menciptakan detak singkat sangat pendek dari cahaya yaitu dalam jangka

femtometer (10-15 detik). Banyak teori mekanika kuantum dan termodinamika

dapat digunakan kepada aksi laser, meskipun kenyataannya banyak jenis laser

dengan cara trial and error.

SEJARAH

Pada awal perkembangannya, orang tidak menyebut dengan nama laser. Para

ahli masa itu menyebutnya sebagai MASER (Microwave Amplification by the

Stimulated Emission of Radiation. Dan orang yang disebut-sebut pertama kali

mengungkapkan keberadaan maser adalah Albert Einstein antara tahun 1916 -

1917. Ilmuwan yang terkenal eksentrik ini juga yang pertama kali berpendapat

1

bahwa cahaya atau sinar bukan hanya terdiri dari gelombang elektromagnetik, tapi

juga bermuatan partikel dan energi. Dan dikenal lah apa yang disebut sebagai

radiasi. Tapi maser dari Einsten ini baru sebatas teori. Teknologi pada dekade

kedua abad 20 belum mampu mewujudkannya. Disamping itu, banyak ilmuwan

yang menganggap teori dari Eisntein itu sebagai teori yang kontroversial.

Charles H. Townes (1915- ) dilahirkan di Greenville, South Carolina. Ia

belajar di universitas Furman di kota tersebut. Dalam tahun 1939-1947, ia bekerja

di Bell Telephone Laboratories untuk merancang sistem pembon yang

dikendalikan oleh radar. Kemudian Townes bekerja pada jurusan fisika

universitas Columbia. Pada tahun 1951, ia punya gagasan mengenai Maser

(microwave aplication by stimulated emission of radiation) atau penguat mikro

gelombang dengan pemancaran terstimulasi dari radiasi muncul dalam benaknya

suatu cara untuk menghasilkan mikro gelombang berintensitas tinggi, pada tahun

1953, maser yang pertama dimulai bekerja, dalam piranti ini molekul amoniak

(NH3) dinaikkan ke tingkat keadaan vibrasional tereksitasi kemudian dimasukkan

ke dalam resonan, disini seperti juga pada laser, pemancaran tertimulasi

ditimbulkan sehingga menghasilkan kelompok foton yang panjang gelombangnya

sama, dalam hal ini sama dengan 1,25 cm pada spektrum mikro gelombang. ”Jam

atomik” dengan ketelitian yang tinggi dibangun berdasarkan konsep ini, dan

penguatan maser zat padat dipakai juga dalam bidang seperti radio astronomi.

Tahun 1958 Townes dan Arthur Schawlow telah mengambil perhatian

orang melalui makalah yang mengemukakan bahwa skema yang sama juga dapat

dilaksanakan dalam daerah panjang gelombang optis. Sedikit sebelum itu, Gordon

Gould, seorang siswa pasca sarjana Universitas Columbia telah mencapai

kesimpulan yang sama, tetapi ia tidak menerbitkan hasil perhitungannya pada saat

itu juga karena ia mengincar hak paten. Gould mencoba mengembangkan laser

menurut istilahnya dalam industri swasta tetapi depatemen pertahanan AS

memasukkannya dalam proyek rahasia dan tidak mengizinkannya untuk

melanjutkan pekerjaannya. Namun, Akhirnya 20 tahun kemudian Gould berhasil

mengambil haknya dan menerima dua buah paten mengenai laser, walaupun

proses pengadilannya berjalan terus. Laser pertama yang dapat bekerja dengan

baik oleh Theodor Maiman di Hugh Research Laboratories tahun1960. Dalam

2

tahun 1964 Townes bersama-sama dengan dua pioner Rusia Alexander Prokhorov

dan Nikolai Basov menerima hadiah nobel.

Pada masa yang hampir bersamaan juga beberapa ilmuwan lain berhasil

membuat laser dengan menggunakan bahan yang berbeda. Misalnya Ali Javan,

William Bennet dan Donald Herriot yang membuat laser dengan media gas

helium dan neon pada tahun 1960 dan keberhasilannya baru dipublikasikan pada

tahun 1961. Kumar N. Patel membuat laser dengan perantaraan karbondioksida,

nitrogen, dan helium pada tahun 1964. Dan pada tahun yang sama juga (1964),

Earl Bell membuat laser dengan bantuan helium dan merkuri. Para ilmuwan ini

dianggap pembuat untuk laser gas karena bahan-bahan yang mereka gunakan

untuk membuat laser pada umumnya berupa zat gas.

Perkembangan yang cukup penting terjadi pada tahun 1962 ketika seorang

ilmuwan yang bekerja pada perusahaan General Electric, Robert Hall,

menemukan laser semikonduktor berukuran mini dengan biaya murah. Biasanya

mesin atau peralatan pemroduksi sinar laser berukuran besar. Laser buatan Rober

Hall inilah yang hingga kini digunakan pada perangkat vcd dan dvd player, printer

laser, pembaca kode bar, drive pada CPU, sistem komunikasi yang menggunakan

serat optik, dan sebagainya. Pada tahun 1975 laser kuantum pertama kali

dioperasikan yang dibuat oleh J.P. Van der Ziel, R, Dingle, R.C Miller, W.

Wiegmann, and W.A. Nordland, Jr. Pada tahun 1977 R.D. Dupuis, P.D. Dapkus,

N. Holonyak mengajukan paper demonstrasi laser injeksi kuantum pertama. Pada

tahun 1994 laser pancaran kuantum pertama dikembangkan.

SIFAT-SIFAT LASER

1. Cahayanya koheren.

Karena adanya efek amplifikasi maka terdapat hubungan fase yang tetap

diantara berbagai bagian dari sinar laser dan karena itu sangat tahan

terhadap gangguan (interferensi) dengan kata lain semua gelombang

dalam sinar laser beosilasi secara seragam.

2. Monokromatis

Hanya satu panjang gelombang tertentuyang diperkuat atau amplifikasi.

3

3. Penyebaran minimum

Karena sinar yang diperkuat hanyalah sinar yang berada di dekat sumbu

cermin resonator, sinar yang dipancarkan sebagian besar paralel. Dengan

demikian dapat dimungkinkan dengan bantuan lensa atau cermin untuk

memfokuskannya pada titik focus yang sangat kecil (diameter dari 310

panjang gelombang).

4. Intensitasnya sangat besar

Karena bisa menimbulkan kerapatan energi sama dengan kerapatan energi

pada berkas laser, benda yang panas harus bertemperatur 1030 Kelvin.

TEORI DASAR LASER

TINJAUAN TEORI BLACKBODY RADIATION This energy density can be expressed as a function of the electric field, E.t/, and magnetic field,H.t/, according to the formula

where " and _ are, respectively, the dielectric constant and the magnetic Permeability of the medium inside the cavity and where the symbol < > indicates a time average over a cycle of the radiation field.

This is defined as follows: d represents the energy density of radiation in the frequency range from _ to _ C d_. Therelationship between and is obviously

Suppose now that a hole is made in the wall of the cavity. If we let I_ be the spectral intensity of the light escaping from the hole, one can show that I_ is proportional to obeying the simple relation

4

Modes of a Rectangular Cavity

To calculate we begin by calculating the standing e.m. field distributions that can exist in this cavity. According to Maxwell’s equations, the electric field E.x, y, z, t/ must satisfy the wave equation

where r2 is the Laplacian operator and cn is the velocity of light in the medium considered. In addition, the field must satisfy the following boundary condition at each wall:

It can be easily shown that the problem is soluble by separation of the variable. Thus, if we put

and substitute Eq. (2.2.6) in Eq. (2.2.4), we have

where k is a constant. Equation (2.2.7b) has the general solution

5

2.1. Rectangular cavity with perfectly conducting walls kept at temperature T.

where E0 and _ are arbitrary constant and where

We are now left with the task of solving Eq. (2.2.7a), known as the Helmholtz equation,subject to the boundary condition given by Eq. (2.2.5). It can readily be verified that theexpressions

satisfy Eq. (2.2.7a) for any value of ex, ey, ez, provided that

Furthermore, the solution Eq. (2.2.10) already satisfies the boundary condition Eq. (2.2.5) onthe three planes x D 0, y D 0, z D 0. If we now impose the condition that Eq. (2.2.5) shouldalso be satisfied on the other walls of the cavity, we obtain

6

For fixed values of l, m, and n it follows that kx, ky, and kz will also be fixed and, according to Eqs. (2.2.9) and (2.2.11), the angular frequency ! of the mode willl also be fixed and given by

However, Maxwell’s equations provide another condition that must be satisfied bynthe electric field,

The number of points having k between 0 and .2_=cn/can thus be calculated as (1/8) times the volume of the sphere, centered at the origin, and of radius .2_=cn/ divided by the volume of the unit cell of dimensions .=2a, =2a, =L/. Since, as previously noted, there are two modes possible for each value of k, we have

7

If we now define p._/ as the number of modes per unit volume and per unit frequency range, we have

The Rayleigh-Jeans and Planck Radiation Formula

Having calculated the quantity p._/ we can now proceed to calculate the energy density

We can begin by writing __ as the product of the number of modes per unit volume per unitfrequency range, p._/, multiplied by the average energy <E> contained in each mode, i.e

8

From Eq. (2.2.16), Eqs. (2.2.17), and (2.2.18) we then get

In other words, Planck assumed that the energy of the mode could be written as

This minimum quantity that can be exchanged is called a light quantum or photon. According to this hypothesis, the average energy of the mode is now given by

This formula is quite different from the classical expression Eq. (2.2.18). Obviously, forh_ _ kT, Eq. (2.2.21) reduces to Eq. (2.2.18). From Eq. (2.2.16), Eqs. (2.2.17), and (2.2.21)we now obtain the Planck formula,

Lastly, we may notice that the ratio

9

Planck's Hypothesis and Field Quantization

If Ex.r, t/ and Hy.r, t/ are the transverse components of its electric and magnetic fields, the corresponding energy density _ will be given by Eq. (2.2.1) and its energy will be equal to

This is the case of theharmonic oscillator, one of the fundamental examples for the quantum theory of a boundparticle. A harmonic oscillator oscillating e.g. along the x direction, is a mechanical oscillatorwhose total energy is given by

10

Semiklasikalaproach

11

`Dimana

dan

Dengan

Solusi persamaan diferensial

Ketika t0

12

13

14

15

Equations (2.4.13) and (2.3.19) show that the transition rate Wsa, and the spontaneousemission rate A are proportional to j_j2. This indicates that the two phenomena must obeythe same selection rule. Thus the stimulated transition via electric dipole interaction (electricdipole transition) only occurs between states, u1 and u2, of opposite parity. The transitionis then said to be electric dipole allowed. Conversely, if the parity of the two states is thesame, then Wsa D 0 and the transition is said to be electric-dipole forbidden. This doesnot mean, however, that the atom cannot pass from level 1 to level 2 through the influenceof an incident e.m. wave. In this case, the transition can occur, for instance, as a result ofthe interaction of the magnetic field of the e.m. wave with the magnetic dipole moment ofthe atom. For the sake of simplicity, we will not consider this case any further (magneticdipole interaction), but limit ourselves to observing that the analysis can be carried out in asimilar manner to that used to obtain Eq. (2.4.11). We may also point out that a magneticdipole transition is allowed between states of equal parity (even-even or odd-odd transitions).Therefore, a transition that is forbidden by electric dipole interaction is, however, allowedfor magnetic dipole interaction and vice versa. It is also instructive to calculate the order

16

of magnitude of the ratio of the electric dipole transition probability, We, to the magneticdipole transition probability,Wm. Obviously the calculation refers to two different transitions,one being allowed for electric dipole and the other for magnetic dipole interaction. We shallassume that the intensity of the e.m. wave is the same for the two cases. For an allowedelectric dipole transition, according to Eq. (2.4.5), we can write We / ._eE0/2 _ .eaE0/2,where E0 is the electric field amplitude and where the electric dipole moment of the atom_e has been approximated (for an allowed transition) by the product of the electron charge

PRINSIP KERJA LASER

Terjadinya laser sudah diramalkan jauh sebelum dikembangkan mekanika

kuantum. Pada tahun 1917, Albert Einstein mempostulatkan pancaran imbas pada

peristiwa radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yang

sedang menyerap dan memancarkan radiasi.

Menurut Albert Einstein ada 3 proses yang terlibat dalam keseimbangan itu

atau yang kita sebut sebagai interaksi radiasi dengan materi, yaitu : Serapan,

pancaran spontan (disebut flourensi) dan pancaran terangsang (atau lasing dalam

bahasa Inggrisnya, artinya memancarkan laser). Proses yang terakhir biasanya

diabaikan terhadap yang lain karena pada keadaan normal serapan dan pancaran

spontan sangat dominan.

Beberapa perbedaan antara pancaran spontan dan pancaran terstimulasi

dirangkum pada Tabel 1 berikut ini.

17

Pancaran Spontan Pancaran Terstimulasi

Tidak ada hubungan fase

antara gelombang-gelombang

(radiasi) elektromagnet yang

dipancarkan oleh atom-atom

(molekul-molekul)

Gelombang (radiasi) elektromagnet

yang dipancarkan oleh atom

(molekul) memiliki fase yang sama

dengan gelombang elektromagnet

yang datang, sehingga saling

memperkuat.

Radiasi elektromagnet (foton)

dipancarkan dalam arah

sembarang

Radiasi elektromagnet (foton) yang

dipancarkan atom (molekul) memiliki

arah yang sama dengan arah foton

datang.

Laju pancaran spontan tidak

bergantung pada rapat tenaga

(intensitas) radiasi datang.

Laju pancaran terstimulasi

bergantung pada rapat tenaga

(intensitas) radiasi datang.

Sebuah atom pada keadaan dasar dapat dieksitasi ke keadaan tingkat energi

yang lebih tinggi dengan cara membuktikannya dengan adanya elektron atau

foton. Setelah beberapa saat berada ditingkat tereksitasi ia secara acak akan segera

kembali ketingkat energi yang lebih rendah, tidak harus ke keadaan semula.

Proses acak ini di kenal sebagai fluoresensi terjadi dalam selang waktu rerata yang

disebut umur rerata, lamanya tergantung pada keadaan dan jenis atom tersebut.

Kebalikan dari umur ini dapat dipakai sebagai ukuran kebolehjadian atom

tersebut terdeeksitasi sambil memancarkan foton yang energinya sama dengan

selisih tingkat energi asal dan tujuan. Foton ini dapat saja diserap kembali oleh

atom yang lain sehingga mengalami eksitasi tetapi dapat pula lolos keluar sistem

sebagai cahaya. Sebetulnya atom-atom yang tereksitasi tidak perlu menunggu

terlalu lama untuk memancar secara spontan, asalkan terdapat foton yang

merangsangnya. Syaratnya foton itu harus memiliki energi yang sama dengan

selisih tingkat energi asal dan tujuan.

Tinjauan dua tingkat energi dalam sebuah atom E1 dan E2, dengan E1< E2.

cacah atom yang berada dimasing-masing tingkat energi adalah N1 dan N2 . Untuk

18

menggambarkan distribusi energi dalam atom-atom itu pada kesetimbangan

termal berlakulah statistik Maxwell- Boltzmann :

(1)

Persamaan ini menunjukan bahwa dalam keadaan setimbang N1 selalu lebih

besar daripada N2, tingkat energi rendah selalu lebih padat populasinya

dibandingkan dengan tingkat yang labih tinggi. Dalam keadaan tak setimbang

terjadilah perpindahan populasi melalui ketiga proses serapan dan pancaran

tersebut diatas.

Gambar 1. Serapan, pancaran spontan dan pancaran terangsang

Atom-atom di E2 dapat saja melompat ke E1 secara spontan dengan keboleh

jadian transisinya A21 persatuan waktu. Apabila terdapat radiasi dengan frekuensi

v dan rapat energi e(v), terjadilah transisi akibat serapan dari E1 ke E2, dengan

kebolehjadian sebut saja B12.(ev) karena terlihat jelas kebolehjadian ini sebanding

pula dengan rapat energi fotonnya. Pancaran spontan ini dapat pula merangsang

transisi dari E1 ke E2 akibat interaksinya dengan atom-atom yang berada dalam

keadaan tereksitasi E2, kebolehjadiaanya B21.e(v) sudah tentu semua transisi yang

terjadi di sini berbanding lurus dengan populasi atom di tingkat energinya masing-

masing. Perubahan N2 secara lengkap

(2)

Perubahan populasi ini disebabkan oleh pertambahan akibat serapan dan

pengurangan akibat pancaran. Setelah tercapai kesetimbangan antara atom-atom

itu dengan radiasinya, pengaruh serapan dan pancaran akan saling meniadakan

dN2 / dt = 0.

19

(3)

Setelah digabungkan dengan persamaan (1), subtitusi E2-E1 = h.v (energi foton

yang dilepaskan pada saat deeksitasi) dan manipulasi aljabar maka didapat

persamaan :

(4)

Jiika persamaan (4) ini dibandingkan dengan distribusi statistik Bose-Einstein,

tampak bahwa foton adalah boson, dan persamaan radiasi Planck dengan harga-

harga :

(5)

Dan

(6)

Persamaan (6) menunjukkan bahwa kebolehjadian atom-atom tersebut

melakukan transisi serapan adalah sama dengan kebolehjadiannya melakukan

transisi akibat pancaran terangsang. Tetapi pada keadaan normal pengaruh

serapanlah yang lebih terasa karena populasi atom lebih besar di tingkat energi

yang lebih rendah.

Dari penjelasan di atas tampaknya ketiga proses : serapan, pancaran spontan

dan terangsang, terjadi melalui suatu persaingan. Laser yang dihasilkan oleh

pancaran terangsang dengan demikian hanya bisa terjadi jika pancaran terangsang

dapat dibuat mengungguli dua proses yang lain.

Nisbah laju pancaran terangsang terhadap serapan dapat dihitung sebagai

berikut :

(7)

Dari persamaan ini terbukti tidaklah mungkin pancaran terangsang dapat

mengungguli serapan pada kesetimbangan termal, karena N1 yang selalu lebih

besar daripada N2. Laser bisa dibuat hanya jika N2>N1 yang tentu saja tidak

alamiah, keadaan terbalik seperti ini disebut inversi populasi. Inversi populasi ini

20

harus dipertahankan selama laser bekerja dan cara-caranya akan dijelaskan di

bagian berikut.

Cara-cara untuk mencapai keadaan inversi populasi ini antara lain adalah

pemompaan optis dan pemompaan elektris. Pemompaan optis adalah

penembakan foton sedangkan pemompaan elektris adalah penembakan elektron

melalui lucutan listrik. Untuk menuju keadaan inversi populasi pemompaan ini

harus melakukan pemindahan atom ke tingkat eksitasi dengan laju yang lebih

cepat dibandingkan laju pancaran spontannya. Hal ini dapat dilakukan jika

dipergunakan medium laser yang atom-atomnya memiliki tingkat energi

metastabil. Sebuah metastabil memerlukan waktu yang relatif lebih lama sebelum

terdeeksitasi dibandingkan dengan umurnya di tingkat eksitasinya yang lain.

Dengan demikian pada saat pemompaan terus berlangsung, terjadilah

kemacetan lalu lintas di tingkat metastabil ini, populasinya akan lebih padat

dibandingkan dengan populasi tingkat energi di bawahnya.

Populasi tingkat energi dasar kini sudah terlampaui populasi tingkat

metastabil. Bila suatu saat pancaran spontan dipancarkan satu foton saja yang

berenergi sama dengan selisih energi tingkat metastabil dengan tingkat dasar, ia

akan memicu dan mengajak atom-atom lain di tingkat metastabil untuk kembali

ke tingkat dasar.

Gambar 2. tingkat metastabil pada system laser 3-tingkat

Pemompaan bertujuan untuk mencapai kondisi inversi populasi pada suatu

bahan sehingga aksi laser dapat diperoleh. Hal.4 Akibatnya atom-atom itu

melepaskan foton-foton yang energi dan fasenya persis sama dengan foton yang

21

mengajaknya tadi, terjadi laser. Proses demikian inilah yang terjadi pada banyak

jenis laser seperti pada laser ruby dan laser-laser gas.

Pada laser uap tembaga yang terjadi adalah efek radiasi resonansi, inversi

populasi dicapai dengan cara memperpanjang umur atom tereksitasi terhadap

tingkat energi dasar, sedangkan umur terhadap tingkat metastabil tidak berubah.

Dengan demikian inverse populasi terjadi antara tingkat energi tinggi dengan

tingkat metastabil. Setelah laser dihasilkan, atom-atom akan banyak terdapat di

tingkat metastabil.

Koherensi keluaran laser bersifat spasial maupun temporal, semua foton

memiliki fase yang sama. Mereka saling mendukung satu sama lain, yang secara

gelombang dikatakan berinterferensi konstruktif, sehingga intensitasnya

berbanding langsung kepada N2, dengan N adalah cacah foton. Jelaslah

intensitasnya ini jauh lebih besar dibandingkan dengan intensitas radiasi tak

koheren yang hanya sedanding dengan N saja.

Syarat penting lainya untuk menghasilkan laser adalah meningkatkan nisbah

laju pancaran terangsang terhadap laju pancaran spontannya. Nisbah tersebut

mudah sekali didapat .

(8a)

= (8b)

Persamaan 8a menunjukan bahwa rapat energi e (v) harus cukup besar agar

laser dapat dihasilkan. Rapat energi foton ini dapat ditingkatkan dengan cara

memberikan suatu rongga resonansi optic. Di rongga itulah rapat energi foton

tumbuh menjadi besar sekali melalui pantulan yang berulang-ulang pada kedua

ujung rongga dan terjadilah perbesaran intensitas seperti yang ditunjukan oleh

nama laser. Pembuatan rongga resonansi ini merupakan masalah yang

memerlukan penanganan yang paling teliti pada saat membangun suatu sistem

laser.

Persamaan 8b diperoleh dari gabungan dan (4). Kedua jenis pancaran itu akan

sama pentingnya apabila selisih tingkat energi h.v memiliki orde yang sama

22

malahan jauh lebih kecil dibandingkan dengan energi termal k.T. Misalnya saja

pada gelombang mikro pada suhu kamar. Oleh sebab itu, amat sulit dibuat, karena

pancaran spontan yang akan lebih terbolehjadi..

Pemompaan pada sistem dua aras tenaga seperti dibahas di atas tidak dapat

menghasilkan inversi populasi.  Foton-foton datang mengakibatkan transisi

serapan ( 1 ® 2) maupun transisi pancaran terstimulasi (2 ® 1) sehingga kemudian

tercapai suatu keadaan setimbang (steady state) dengan  N2 = N1.  Pada keadaan

ini, serapan dan pancaram terstimulasi saling mengimbangi, sehingga bahan

menjadi transparan.  Keadaan ini disebut sebagai kejenuhan dua aras tenaga (two

level saturation).  Masalah ini kemudian diatasi dengan melakukan pemompaan

pada sistem tiga atau empat aras tenaga.

  Pada skema pemompaan pada sistem tiga aras tenaga ini, aras tenaga 1 sebagai

aras tenaga dasar berpopulasi N1, aras-arass tenaga 2 dan 3 sebagai aras tenaga

tereksitasi berturut-turut dengan populasi N2 dan N3. Atom-atom (molekul-

molekul) pada aras tenaga 1 dipompa ke aras tenaga 3 yang kemudian mengalami

transisi deeksitasi cepat ke aras tenaga 2.  Aras tenaga 2 dipilih aras tenaga

metastabil (atom atau molekul bertahan relatif lama pada aras tenaga tersebut),

sehingga tercapai kondisi inversi populasi antara aras tenaga 1 dan 2.  Proses

pemompaan pada sistem tiga aras tenaga ini ditunjukkan secara skematik oleh.

 

Gambar3 Skema pemompaan pada sistem tiga aras tenaga.

Skema pemompaan pada sistem empat aras tenaga ini, aras tenaga dasar

diacu sebagai aras tenaga 0 (populasi: N0), dan aras-aras tenaga 1, 2, dan 3 sebagai

aras-aras tenaga tereksitasi (populasi: N1, N2, dan N3).  Atom-atom (molekul-

molekul) dipompa dari aras tenaga 0 ke aras tenaga 3 yang kemudian mengalami

23

deeksitasi cepat ke aras tenaga 2.  Aras tenaga 2 dipilih aras tenaga metastabil

sehingga atom-atom (molekul-molekul) akan relatif lama berada pada aras tenaga

2.  Aras tenaga 1 dipilih tak metastabil (seperti aras tenaga 3),  sehingga akan

mengalami deeksitasi cepat  ke aras tenaga 0.  Dengan demikian, kondisi inversi

populasi antara aras-aras tenaga 2 dan 1 dapat tercapai. 

JENIS-JENIS LASER

Saat ini dikenal tiga jenis laser menurut fase bahan aktif laser, yaitu: 

Laser zat padat,  bahan aktifnya berupa zat padat, seperti laser Ruby, Laser

Nd-YAG, laser semikonduktor (dioda);

Laser gas, bahan aktifnya berupa gas, seperti laser N2, laser HeNe, laser

CO2; dan

Laser zat cair, bahan aktifnya berupa zat cair, seperti laser zat warna (dye

lasers)

Terdapat tiga jenis laser dasar laser yang paling umum digunakan. Jenis-jenis

lainya masih dalam tahap perkembangan. Ketiga jenis dasar itu adalah :

(1) laser yang dipompa secara optis

Pada laser jenis ini invers populasi diperoleh dengan cara pemompaan optis.

Laser ruby yang ciptakan pada bulan juli1960 oleh H. Maiman di Hugghes

Research laboratories adalah dari jenis ini. Laser ruby baik sekali diambil sebagai

contoh untuk membicarakan cara kerja laser yang menggunakan pemompaan

optis.

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

kemurnian. Ruby yang digunakan pada laser yang pertama berwarna merah

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

bentuk Cr2O3. Atom alumunium dan oksigen bersifat inert, sedangkan ion

kromnya aktif kristal ruby berbentuk silinder, kira-kira berdiameter 6mm dan

24

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

yang dimliki ion Cr dalam kristal ruby.

Laser ini dihasilkan melalui transisi atom dari tingkat energi dasar, radiasinya

memiliki panjang gelombang 6920A0 dan 6943A0. Yang paling terang dan jelas

adalah 6943A0, berwarna merah tua. Pemompaan optisnya dilakukan dengan

menempatkan batang ruby dideeksitasi dalam tabung cahaya ini banyak dipakai

sebagai pelengkap 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 ketingkat metastabil, di tingkat ini mereka berumur kira-kira

0,005 detik, suatu selang waktu yang relativ cukup panjang sebelum mereka

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

cepat dibanding selang waktu tersebut sehingga terjadi invers populasi. Setelah

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

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

dan fase ynag sama , yaitu laser.

Jika pada laser ini dibuatkan rongga resonansi optis cacah foton yang

dipancarkan dapat dibuat banyak sekali. Rongga resonansinya adalah batag ruby

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

Kedua ujung juga harus benar-benar sejajar, yang satu dilapisi tebal dengan perak

dan satunya lagi tipis saja. Akibatnya rapat energi foton makin lama makin besar

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

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

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

yang kuat, monokromatik dan koheren yang tidak lain adalah laser.

Pada 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 lagi, demikianlah seterusnya sehingga

terjadi retetan letupan-letupan berupa pulsa-pulsa. Keluaran yang kontinu dapat

25

diperoleh yaitu jika sistem lasernya ditaruh dalam sebuah kriostat agar suhu

operasi laser menjadi rendah sekali.

Efisiensi laser ruby sangat rendah, karena terlalu banyak energi yang harus

dipakai untuk mencapai inversi populasinya. Sebagian besar cahaya dari tabung

cahaya tidak memiliki panjang gelombang yang diharapkan untuk proses

pemompaan sehingga merupakan pemborosan energi. Walaupun demikian daya

rerata dari tiap pulsa laser dapat mencapai beberapa kilowatt karena selang

waktunya sangat pendek. Dengan daya sebesar ini laser dapat digunakan untuk

melubangi, memotong maupun mengelas logam.

(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

energi tambahan untuk tereksitasi. Perkembangan terakhir dalam perlaseran

medium gasnya dapat diganti dengan uap logam, tetapi hal ini akan mengarah

pada perkembagan 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 inframerah. Laser nitrogen menggunaka gas

N2 merupakan salah satu laser terpenting dari jenis ini, panjang gelombang

lasernya berada di daerah ultra ungu (3371 Ao).

Sedangkan laser karbondioksida yang merupakan laser gas yang terkuat

memancarkan laser pada daerah inframerah (10600 Ao). Laser gas yang populer

tentu saja laser helium-neon, banyak dipakai sebagai peralatan laboratorium dan

pembaca harga di pasar swalayan. Laser yang dihasilkan berada di spektrum

tampak berwarna merah (6328A0). Laser helium-neon ini merupakan laser gas

yang pertama, diciptakan oleh Ali Javan dkk, dari Bell Laboratories pada tahun

1961. Untuk penjelasan laser gas secara umum laser helium-neon dapat diambil

sebagai contoh.

26

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

karena konfigurasi elektron terluarnya adalah 1s2. Pada saat elektron lucutan

menumbuknya atau helium itu mendapatkan energi untuk bereksitasi ke tingkat

energi yang lebih tinggi seperti 1S0 dan 3S1 dari konfigurasi elektron 1s 2s. Begitu

atom helium tereksitasi ke tingkat-tingkat itu ia tidak 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-atom neon yang ditumbuk atom helium 1S0

akan terkesitasi ke tingkat 1P1, 3P0, 3P1, 3P2 dari konfigurasi elektron 2p5 5s. 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 dimilki konfigurasi 2p5 3p, maka atom

neon dapat dipicu untuk memancarkan laser.

Syarat inversi populasi dengan sendirinya sudah terpenuhi, karena pada

kesetimbangan termal tingkat-tingkat di 2p5 3p atom ne sangat jarang populasinya.

27

Gambar4 Diagram tingkat He-Ne

Laser yang dihasilkan akan memiliki intensitas yang paling jelas di panjang

gelombang 6328 A0 tadi. Sebetulnya pancaran laser He-Ne yang terkuat berada di

11523 A0 (infra dekat) yang ditimbulkan oleh transisi dari suatu di antara 4 tingkat

di 2p5 4s atom Ne yang kebetulan berdekatan dengan tingkat energi 3S1 atom He,

ke salah satu dari sepuluh tingkat energi di 2p5 3p.

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 dibandingkan laser ruby. Laser yang kontinu sangat 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 milliwatt. Sedangkan laser CO2 dapat menghasilkan laser

kontinu berdaya beberapa kilowatt dengan efisiensi lebih tinggi.

Gambar 5. Sistem laser gas

28

Untuk menghasilkan laser sinar-tampak berwarna-warni, beberapa produsen

seperti Laser Science Inc, misalnya, mengembangkan laser cairan yang

dipompanya secara optis oleh sebuah laser nitrogen. Cairan yang dipakai adalah

zat warna yang dilarutkan dalam pelarut semacam metanol dan sebagainya.

Konsentrasi larutan kira-kira 0,001 milar. Contoh larutan ini adalah LD-690 yang

menghasilkan laser merah (6960 A0) dan Coumarin-440 yang menghasilkan laser

ungu (4450 Ao). Jenis ini dapat diubah-ubah sesuai dengan warna yang

dikehendaki.

(3) Laser semikonduktor

Laser ini juga disebut laser injeksi, karena pemompaanya dilakukan dengan

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

lain adalah sebuah diode dengan bias maju biasa.

Laser semikonduktor yang pertama diciptakan secara bersamaan oleh tiga

kelompok pada tahun 1962. Mereka adalah R.H. Reideker dkk (Lincoln Lab

MIT), M.I. Nathan dkk (Yorktown Heights, IBM) dan R.N. Hall dkk (General

Electric Research Lab). Diode-diode yang digunakan adalah galium arsenida-

flosfida GaAsP (sinar-tampak merah).

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

disebabkan oleh bergabungnya kembali elektron dan hole didaerah sambungan

PN-nya. Bahan semi konduktor yang dipakai harus memiliki gap energi yang

langsung , agar dapat melakukan radiasi foton tanpa melanggar hukum kekekalan

momentum. Oleh sebab itu, laser semikonduktor tidak pernah menggunakan

bahan seperti silikon maupun germanium yang gap energinya tidak langsung.

Dibandingkan dengan LED, laser semi konduktor masih mempunyai dua syarat

tambahan.

Yang pertama, bahannya harus diberi doping banyak sekali sehingga tingkat

energi 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

invers populasi di daerah sambungan PN dapat dicapai. Yang kedua, rapat arus

listrik maju yang digunakan haruslah besar, begitu besar sehingga melampui

harga ambangnya, besarnya sekitar 50 ribu ampere/ cm2 agar laser yang dihasilkan

29

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

di dalam kriostat supaya suhunya tetap rendah (77K). Jika tidak arus yang besar

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

Pada gambar 6 tampak bahwa sebagian daerah deplesi terjadi inverse populasi

jika sambungan PN yang tidak memiliki pembawa muatan listrik bebas. Pada saat

dilakukan injeksi arus lustrik melalui sambungan electron-elektron dipita

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 didaerah

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 lapisan aktif. Kelemahan sistem laser ini adalah sifatnya

yang tidak monokromatik, karena transisi electron yang terjadi bukanlah antar

tingkat energi tapi antar pita energi, padahal pita energi terdiri dari banyak tingkat

energi.

Sambungan yang dijelaskan diatas biasanya disebut homojunction, karena

yang dipisahkan adalah tipe P dan N dari substrat yang sama, yaitu misalnya

GaAs tadi. Tipe P dan GaAs biasanya diberi doping seng (Zn) dan tipe-N nya

telurium (Te). Sebenarnya hanya sebagian kecil electron-electron yang

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

30

Gambar 6. laser semikonduktor beserta diagram energinya

kebanyakan dari mereka berdifusi jauh masuk kedalam daerah P sebelum

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

besarannya rapat arus listrik yang dibutuhkan dalam proses kerja laser

semikonduktor. Tetapi besarnya rapat arus ini dapat diturunkan dengan cara

membatasi gerak electron yang diinjeksikan itu di suatu daerah yang sempit, agar

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

membuat sambungan heterojunction. Heterojunction yang paling 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,

electron-elektron yang diinjeksi 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 kamar

hanya dengan rapat arus minimum sebesar 100 ampere / cm, 500 kali lebih kecil

dibandingkan rapat arus pada laser GaAs yang homo junction .

Keunggulan yang dimiliki laser semi konduktor lebih banyak dibandingkan

dengan kelemahannya. Yang paling nyata adalah dimensi ukurannya, yaitu hanya

sekitar 0,1 X 0.1 X 1,25 mm sehingga sangat cocok untuk peralatan yang dapat

dibawa-bawa. Keunggulan lainya adalah fleksibilitas gap energi bahan-bahan

yang dipakai. Lebar gap dapat diatur sesuai dengan kebutuhan, yang berarti orang

dapat memilih panjang gelombang laser yang dihasilkanya. Misalnya, substrat

indium fosfida (InP) yang dipakai pada laser InGaAsP, laser yang dihasilkan

dapat diatur berpanjang gelombang sekitar 1,3 atau 1,55 mikrometer. Panjang

gelombang dimana gelombang elektromagnetik paling sedikit diserap oleh serat

optic. Hal ini membuat laser InGaSaP menjadi pilihan yang tepat untuk

komusikasi jarak jauh dengan serat optic

31

Jenis laser yang memberikan harapan

Ada tiga jenis laser yang layak disebut di sini. Sekarang ini ketiganya sedang

dikembangkan karena nilainya memiliki potensi untuk memenuhi harapan

manusia, yaitu: Laser yang kuat dan berefisiensi tinggi. Mereka adalah sinar X,

laser elektron bebas dan laser uap logam.

(1) Laser Sinar-x

Perkembangan laser dewasa ini tampaknya menginginkan panjang gelombang

sinar yang semakin pendek, agar tenaga yang dibawa laser juga menjadi semakin

besat. Energi foton memang berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya.

Dari watak-watak medium penghasil laser yang sangat kuat tenaganya semacam

itu. Salah satu produk perkembangan tersebut adalah laser sinar-x, yang berbeda

dengan laser konvensional saja adalah hanya pada panjang gelombangnya saja,

yaitu jauh lebih pendek. Sinar-x adalah bagian dari spektrum gelombang

elektromagnetik yang panjang gelombangnya kira-kira di antara 0,1 Ao dan 100

Ao.

Energi foton dalam laser besarnya sama dengan energi yang dilepaskan oleh

atom medium saat ia meluruh ke keadaan yang lebih rendah. Oleh sebab itu energi

foton yang besar dapat diperoleh jika atom mediumnya memiliki keadaan energi

yang tinggi sekali. Keadaan energi sangat tinggi ini dimiliki oleh ion bermuatan

tinggi, yaitu sebuah atom berat yang digunduli elektron-elektron bagian luarnya.

Sayangnya, energi yang diperlukan untuk mencopot sebuah elektron terluar saja

besarnya sebanding dengan Z2, dimana Z adalah nomor atom yang identik dengan

cacah muatan inti atomnya. Sehingga dengan Z3. Tampaknya energi yang harus

dibayar akan menjadi lebih tinggi dibandinkan dengan laser konvesional. Belum

lagi laju emisi spontan yang sebanding dengan Z4, makin besar Z yang dimiliki

32

Gambar 7. Diagram energi heterojunction

atom medium yang dipakai berarti semakin cepat pemompaan harus dilakukan

agar keadan inversi populasi dapat dicapai.

Kesulitan-kesulitan teknis ini pertama kali teratasi pada tahun 1984 ketika

laser sinar-x yang pertama dibangun di Lawrence Livermore National Lab

(LLNL) Amerika Serikat. Medium yang digunakan adalah lapisan selenium (Se)

Setebal 75 nm, lebarnya beberapa mm dan panjang beberapa cm. Atom-atom

selenium tersebut digunduli 24 elektron luarnya dan dieksitasi ke keadaan

berenergi tinggi dengan tembakan Nova, laser terkuat di dunia yang mampu

membawa daya sebesar 1014 watt dalam sebuah pulsa kurang dari 1 ns (10 -9

detik). Laser dari Nova ini mengenai lapisan Se pada panjangnya selebar 0,1 mm.

Begitu kena, lapisan akan terpanasi dan menguap membentuk plasma silindris

berdiameter 0,1 mm dan panjang ratusan kali lebih besar dibanding panjang

lapisan Se. Plasma ini menyerupai rongga resonansi optis pada laser

konvensional. Perbedaannya adalah pelipatan foton sinar-x di sini hanya terjadi

dengan sekali lewat, karena tentu saja tidak ada cermin yang mampu

memantulkan sinar-x secara total. Laser Se ini memiliki panjang gelombang 200

Ao (sinar-x lunak) dengan daya sekitar 5 juta watt di dalam sebuah pulsa 0,1 ns.

Gambar 8. Laser Sinar-X Selenium

Laser sinar-x lunak yang diinginkan adalah panjang gelombang 44 Ao agar

dapat dipakai untuk membuat citra struktur biologis dengan resolusi tinggi, karena

pada panjang gelombag tersebut kontras antara air dan struktur biologis mencapai

maksimum. Hal ini memungkinkan dibuatnya suatu hologram untuk struktur-

struktur biologis yang ukurannya terlalu kecil untuk diamati dengan cahaya.

33

(2) Laser elektron bebas (FEL)

Laser FEL merupakan radiasi koheren oleh elektron bebas yang bergerak

dalam vakum, bukan elektron yang terikat pada suatu atom seperti pada medium

penghasil laser konvensional. Akibatnya radiasi ini tidak terkuantisasi, sehingga

panjang gelombangnya dapat diatur sesuai dengan kehendak pemakai. Gambar 9

memberikan gambaran skematik FEL yang dibuat untuk pertama kalinya pada

tahun 1975 oleh MJ Madey.

Disini laser dihasilkan oleh interaksi antara tiga unsur : berkas elektron

berenergi tinggi, gelombang elektromagnetik yang merambat searah dengan gerak

electron, dan medan magnet yang periodic dalam ruang, medan ini dihasilkan oleh

piranti magnetic yang disebut wiggler. FEL buatan Madey menggunakan wiggler

berbentuk heliks, berkas elektronnya disuntikan ke dalam wiggler dari sebuah

pemercepat linier, besar arus elektronya 2,6 A dengan energi sebbesar 43MeV . di

sini wiggler berperan sebagai rongga laser, tempat electron-elektron berenergi

tinggi memberikan tenaganya kepada gelombang elektromagnetik yang merambat

searah dengannya dalam FEL Medey gelombang elektromagnetik yang akan

diperkuat tenaganya dihasilkan oleh laser CO2 dengan panjang gelombang 10.6

mikrometer.

Gambar 9. Skema Laser Elektron Bebas

Medan gelombang elektromagnetik yang akan diperkuat tenaganya

berinterferensi dengan medan magnet periodik milik wigller. Hasil interferensinya

disebut dengan gelombang pukul yang frekuensinya sama dengan frekuensi

gelombang semula tetapi merambat dengan angka gelombang yang lebih besar,

34

karena angka gelombang kedua medan yang berinterferensi saling menjumlahkan.

Berkas electron yang dimasukkan akan berinteraksi dengan gelombang pukul.

Apabila sebuah electron bergerak lebih cepat daripada gelombang pukul ia

akan diperlambat dan menyerahkan sebagian energinya kepada gelomnang pukul.

Proses perbesaran energi pada gelombang akan berakhir pada saat elektron tadi

mencapai suatu keadan dimana ia terjebak lembah gelombang pukul.

Keunggulan FEL dibandingkan laser konvensional sudah pernah disinggung,

yaitu panjang gelombang yang dihasilkan dapat diatur sesuai keinginan.

Disamping itu efesiensi perubahan energi masukan menjadi keluarannya cukup

tinggi, dapat mencapai 69%. FEL yang ada di LLNL mengubah 35% energi

berkas electron menjadi radiasi gelombang mikro 8 mm dengan daya puncak satu

milyar watt. Daya ini sangatlah besar, sehingga pada masa depan FEL dapat

digunakan untuk memicu sebuah reaktor fusi nuklir seperti reaktor tokamak yang

membutuhkan radiasi berdaya rata-rata 20 juta watt pada panjang gelombang

lebih kecil daripada 1 mm. Para perancang perang bintang juga telah memasang

FEL ini sebagai pangkalan laser yang mampu menembak sasaran seperti rudal

musuh dengan bantuan cermin-cermin yang mengorbit di angkasa luar.

3.) Laser uap tembaga

Jenis laser ini menggunakan uap tembaga (Cu) atau mangan (Mn) sebagai

medium. Laser yang dihasilkan berada di daerah cahaya tampak, sehingga

diharapkan dapat berkembang untuk piranti-piranti laser yang praktis, efisien dan

sekaligus kuat. Panjang gelombang lasernya 5106 Ao dan 5782 Ao , yaitu warna

hijau dan kuning. Keluaranya berupa pulsa berdaya puncak 40 watt dalam selang

waktu 16 ns.

Gejala laser ini pertama kali diamati pada tahun 1965, medium yang

digunakan adalah uap logam tembaga dan beroperasi pada suhu tinggi ( 1500o

C) , suhu operasi yang sama sekali tidak menguntungkan , versi baru yang lebih

baik kemudian ditemukan oleh CJ Chen, Nerheim dan Russell pada tahun 1973,

mereka menggunakan kuproklorida (CuCl) sebagai medium menggantikan

medium tembaga murni. Suhu operasinya dapat turun sampai 400 oC yang praktis

lebih mudah dicapai.

35

Sistem lasernya amat mirip dengan sistem laser gas. Rongga lasernya berupa

tabung lucutan dan pemompaanya dilakukan secara listrik dengan lucutan

electron. Atom penghasil lasernya disini adalah tembaga. Seperti biasa, laser

terjadi hanya jika terjadi inverse populasi, atom di tingkat energi tinggi cacahnya

harus melebihi atom-atom yang berada ditingkat energi rendah. Ada perbedaan

penting antara terjadinya inverse populasi di laser uap tembaga .

Transisi-transisi yang digambarkan disertai dengan umur rata-rata, yaitu

waktu rata-rata yang diperlukan atom tingkat tingginya sebelum meluruh

ketingkat yang lebih rendah. Umur yang berada dalam kurung menunjukan

pemanjangan umur oleh efek jebakan radiasi resonansi, sebuah efek yang

diramalkan oleh Holstein.

Versi kedua yang menggunakan CuCl sebagai medium biasanya juga disebut

laser uap-tembaga lucutan ganda. Hal ini disebabkan karena lucutan yang

diberikan berupa pulsa ganda berurutan. Lucutan pertama dimaksudkan untuk

memecah molekul uap CuCl (CuCl berupa uap pada suhu 400oC) dengan

tumbukan electron, menghasilkan ion-ion Cu+ yang kemudian bergabung sebentar

dengan electron yang menumbuknya menjadi atom Cu. Lucutan berikutnya tidak

boleh terlalu lama jaraknya dengan lucutan yang pertama dimaksudkan untuk

memompa agar atom-atom Cu tereksitasi ke tingkat energi tinggi, misalnya ke

tingkat 2p. Bila selang waktu antara keduanya terlalu lama, atom Cu yang sudah

terpisah dengan Cl melalui tumbukan-tumbukan dapat bergabung kembali

membentuk CuCl. Pada saat keadaan ambang, baik suhu ambang maupun

kerapatan ambang populasi tingkat energi dasarnya, terjadilah efek jebakan radiasi

resonansi. Akibat efek ini, misalnya transisi dari tingkat 2p ke 2s, umur rata-

ratanya mulur menjadi belasan mili detik, padahal dalam keadaan biasa umurnya

itu hanya beberapa nano detik. Dengan pemanjangan umur ini persaingan

dimenangkan transisi dari 2p ke 2 D yang umurnya hanya ratusan nanodetik. Jadi,

invers populasi akan terjadi antara tingkat 2p dan 2D. terlihat dari gambar 3 bahwa

laser dengan panjang gelombang 5100A dan 5782 A akan dominan melalui

transisi antara kedua tingkat energi itu.

APLIKASI DAN MANFAAT LASER

36

Banyaknya bidang terapan dan manfaat laser itu terutama karena berkas

laser memiliki sifat-sifat yang khas, yaitu tingkat kemonokromatisan yang tinggi,

koherensi ruang dan waktu yang tinggi, tingkat keterarahan (directionality) yang 

tinggi,  intensitas (brigthness) yang tinggi, dan durasi yang pendek (short time

duration) untuk laser pulsa.

Laser memiliki banyak bidang terapan dan manfaat :

Di bidang spektroskopi Khusus dalam bidang spektroskopi, spektroskopi

atom dengan laser merupakan metode eksperimen yang memberikan hasil

yang relatif akurat dan dengan resolusi yang tinggi mengenai struktur

atom.

Di bidang sains, laser juga dipakai sebagai detektor super sensitif pada

banyak laboratorium penelitian fisika dan kimia. Dan laser juga sudah

digunakan pada bidang lain, misalnya medis. Bisa dilihat pada

penggunaan laser untuk operasi medis modern. Misalnya seperti yang

dilakukan oleh Dr. Steven Trokel saat membuat sambungan kornea mata

saat mengoperasi pasiennya pada tahun 1987 di New York. Ini merupakan

operasi mata dengan menggunakan laser yang pertama kali. Sebuah

operasi medis yang membutuhkan presisi yang sangat tinggi. Dengan laser

operasi medis seperti itu menjadi sangat mungkin untuk dilakukan.

Laser digunakan pula dalam berbagai teknik interferometri. Kegunaan lain

termasuk penginderaan jarak jauh atmosfera, dan kajian fenomena optik

tidak lurus. Teknik holografik menggunakan laser turut menyumbang

kepada pelbagai teknik ukuran. Laser juga telah digunakan di atas kapal

angkasa saintifik Cassini-Huygens.

Di bidang komunikasi, sebagai transmisi menggunakan serat optic untuk

telekomunikasi dan internet.

Di bidang industri, pemotongan laser digunakan bagi memotong logam ln.

Tingkat energi garis laser digunakan untuk pengukuran. Laser juga

digunakan bagi penunjuk pesawat. Laser juga digunakan bagi sesetengah

jenis reaktor pelakuran termonuklir

Di bidang kedokteran, sebagai alat untuk pembedahan, misalnya untuk

koagulasi, pemotongan dan penguapan jaringan. Kemudian lase energi

37

rendah digunakan untuk ortopedi, akupuntur, neurologi, rematologi,

rehabilitasi medik dermatologi (jenis laser yang digunakan oleh

dermatologi termasuk delima (694 nm), alexandrite (755 nm), denyutan

diod tersusun (810 nm), Nd:YAG (1064 nm), Ho:YAG (2090 nm), dan

Er:YAG (2940 nm)), dan sebagainya.

Di bidang militer, digunakan untuk senjata, pendeteksi, radar dan

penyimpanan informasi. 

Laser karbondioksida akan menguapkan molekul air di dalam dan di luar

sel, dan merusak jaringan disekitarnya sehingga sel kulit akan merespon

dengan memproduksi kolagen, yang kemudian mengisi jaringan yang

keriput tadi.

Para ahli kulit telah mencari berbagai alternatif karena proses tersebut

dapat memutihkan warna kulit atau menyebabkan bidang-bidang gelap

yang tidak rata. Hal ini juga dapat menyebabkan terjangkitnya virus herpes

simplex, yang menyebabkan demam dan pendarahan pada kulit.

EFEK SINAR LASER PADA JARINGAN

1. Efek fisiomaterialis

a. Absorbsi

Sinar laser diabsorbsi dalam bagian derajat oleh berbagai jenis jaringan

yang hidup yang sesuai dengan komposisi jaringan.cermin dunia

kedokteran No. 79, 1992 57 jumlah air yang dikandungnya dan

sebagainya. Banyak tergantung pada panjang gelombang yang

digunakannya. Efek berikut akan berturut-turut tergantung pada output

generator laser, panjang radiasi dan sifat jaringan yang diradiasi :

pemanasan local jaringan : percepatan dari proses fisiologis dan

peningkatan kecepatan pembelahan sel dan lain-lain. Dehidrasi dan

konstruksi jaingan : proses ini umumnya reversible. Destruksi

irreversible dari protein (koagulasi ) termolisis (karbonisasi).

Penguapan jaringan.

b. penyebaran

Karena jaringan mempunyai sifat opik yang berbeda maka sinar laser

tidak bergerak sebagai garis lurusseperti diudara, tetapi yimbul proses

38

penyebarab sehingga arah sinar sering berubah. Penyebaran ini

mempunyai akibat bahwa meskipun hanya daerah terbatas yang

diradiasi namun, jaringan disekitarnya akan selalu terpengaruh dalam

batas tertentu.

2. Efek fisiobiologik

Ditemukan bahwa sinar laser energi rendah seperti He Ne dapat digunakan

untuk mempercepat penyembuhan ulkus yang resisten secara bermakna.

Hal ini mungkin dapat diterangkan dengan teori yang dikembangkan oleh

A Popp dinyatakannya bahwa sinar dan suara bertanggung jawab untuk

distribusi dan sebagian besar informasi yang dibutuhkan oleh system sel

sibernetik , internal dan eksternal dalam organisme bersangkutan .

pertukaran informasi demikian hanya dapat terjadi secara optikdalam

range merah atau inframerah, dimana substansi sel mempunyai transparasi

terbesar .Oleh koherensi dan kemudahan kontrol kemurnian dan

selektivitasnya .sinar lasser dapat membantu merestorasi struktur.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. Manfaat Laser. http://www.fisika.undip.ac.id/index.php?

option=com_content&task=view&id=278&Itemid=2 [06 Maret 2010]

Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern Edisi Keempat. Terjemahan

dari Concepts Of Modern Physics. Penerjemah : The Houw Liong. Jakarta :

Penerbit Erlangga.

Kranne, Kenneth. 1990. Fisika Modern. Jakarta : Penerbit Erlangga

Pikatan, Sugata. 1991. Laser. Dalam Seminar FT Ubaya

39

LAMPIRAN

1.Diagram Panjang Gelombang Laser yang dihasilkan Oleh masing-masing

bahan Dasar

2. Tabel Spektral output beberapa jenis laser.

40

Color Jarak panjang gelombang Jarak frekuensi

merah ~ 625 to 740 nm ~ 480 to 405 THz

kuning bata ~ 590 to 625 nm ~ 510 to 480 THz

kuning ~ 565 to 590 nm ~ 530 to 510 THz

hijau ~ 520 to 565 nm ~ 580 to 530 THz

(cyan) ~ 500 to 520 nm ~ 600 to 580 THz

biru ~ 430 to 500 nm ~ 700 to 600 THz

(violet) ~ 380 to 430 nm ~ 790 to 700 THz

 

41