Laser 50474d

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 (solidstate 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 U, 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_. The relationship 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 the expressions

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) on the three planes x D 0, y D 0, z D 0. If we now impose the condition that Eq. (2.2.5) should also 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 unit frequency 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, for h_ _ 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 the harmonic oscillator, one of the fundamental examples for the quantum theory of a bound particle. A harmonic oscillator oscillating e.g. along the x direction, is a mechanical oscillator whose 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 spontaneous emission rate A are proportional to j_j2. This indicates that the two phenomena must obey the same selection rule. Thus the stimulated transition via electric dipole interaction (electric dipole transition) only occurs between states, u1 and u2, of opposite parity. The transition is then said to be electric dipole allowed. Conversely, if the parity of the two states is the same, then Wsa D 0 and the transition is said to be electric-dipole forbidden. This does not mean, however, that the atom cannot from level 1 to level 2 through the influence of an incident e.m. wave. In this case, the transition can occur, for instance, as a result of the interaction of the magnetic field of the e.m. wave with the magnetic dipole moment of the atom. For the sake of simplicity, we will not consider this case any further (magnetic dipole interaction), but limit ourselves to observing that the analysis can be carried out in a similar manner to that used to obtain Eq. (2.4.11). We may also point out that a magnetic dipole transition is allowed between states of equal parity (even-even or oddodd transitions). Therefore, a transition that is forbidden by electric dipole interaction is, however, allowed for 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 magnetic dipole 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 shall assume that the intensity of the e.m. wave is the same for the two cases. For an allowed electric 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

(radiasi)

elektromagnet

gelombang-gelombang (radiasi) yang dipancarkan oleh atom (molekul) elektromagnet dipancarkan

yang memiliki oleh

fase

yang

sama

dengan

atom-atom gelombang elektromagnet yang datang,

(molekul-molekul) sehingga saling memperkuat. Radiasi elektromagnet (foton) Radiasi elektromagnet (foton) yang dipancarkan

dalam

arah dipancarkan atom (molekul) memiliki

sembarang

arah yang sama dengan arah foton datang.

Laju pancaran spontan tidak Laju pancaran terstimulasi bergantung bergantung pada rapat tenaga pada rapat tenaga (intensitas) radiasi (intensitas) radiasi datang.

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 menggambarkan distribusi energi dalam

atom-atom itu pada kesetimbangan

termal berlakulah statistik Maxwell- Boltzmann :

18

N1  e (E2. - E1) / kT N2

(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 E 1 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 masingmasing. Perubahan N2 secara lengkap dN 2  B12 .e(v).N 1   A21  B21 .e(v).N 2 dt

(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.

B12 .e(v).N 1   A21  B21 .e(v).N 2

(3)

19

Setelah digabungkan dengan persamaan (1), subtitusi E 2-E1 = h.v (energi foton yang dilepaskan pada saat deeksitasi) dan manipulasi aljabar maka didapat persamaan :

e(v ) 

A21 / B12

(4)

e ( h.v / kT )  B 21 / B12

Jiika persamaan (4) ini dibandingkan dengan distribusi statistik Bose-Einstein, tampak bahwa foton adalah boson, dan persamaan radiasi Planck dengan hargaharga : A21 8 h.v 3  B12 c3

(5)

Dan B21 1 B12

(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 : N Laju pancaran terangsang B21 .e(v).N 2   2 Laju serapan B12 .e(v).N 1 N1

(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 harus dipertahankan selama laser bekerja dan cara-caranya akan dijelaskan di bagian berikut.

20

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 mengajaknya tadi, terjadi laser. Proses demikian inilah yang terjadi pada banyak jenis laser seperti pada laser ruby dan laser-laser gas.

21

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 . laju pancaran terangsang B21 .e.N 2 c3   e (v ) laju pancaran spontan A21 .N 2 8 .v 3

=  exp(hv / kT  1 1

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

22

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 (molekulmolekul) 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 (molekulmolekul) dipompa dari aras tenaga 0 ke aras tenaga 3 yang kemudian mengalami deeksitasi cepat ke aras tenaga 2. Aras tenaga 2 dipilih aras tenaga metastabil

23

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 Al 2O3 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 panjangnya 4 sampai 5 cm. Gambar 3 memperlihatkan diagram tingkat energi yang dimliki ion Cr dalam kristal ruby.

24

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 pulsapulsa 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 diperoleh yaitu jika sistem lasernya ditaruh dalam sebuah kriostat agar suhu operasi laser menjadi rendah sekali.

25

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. 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

26

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 2p 5 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.

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

27

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 terputusputus 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 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.

28

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 arsenidaflosfida 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/ cm 2 agar laser yang dihasilkan 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.

29

Gambar 6. laser semikonduktor beserta diagram energinya

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, 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

30

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

Gambar 7. Diagram energi heterojunction

Jenis laser yang memberikan harapan

31

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 Z 4, makin besar Z yang dimiliki 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

32

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 strukturstruktur biologis yang ukurannya terlalu kecil untuk diamati dengan cahaya. (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

33

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, 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.

34

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. 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 .

35

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 400 oC) 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 rataratanya 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 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 :

36



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 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.

37



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 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

38

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. 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

40

biru

~ 430 to 500 nm

~ 700 to 600 THz

(violet)

~ 380 to 430 nm

~ 790 to 700 THz

41