Kristal no. 4/Juni/1991
1
LASER oleh : Sugata Pikatan (Seminar intern FT. Ubaya Januari 1991) Kata LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang artinya perbesaran intensitas cahaya oleh pancaran terangsang. Kata kuncinya adalah “perbesaran” dan “pancaran terangsang” yang akan menjadi jelas kemudian. Dewasa ini, 30 tahun setelah ditemukan, kata laser telah menjadi perbendaharaan kata sehari-hari. Peralatan yang menggunakan komponen laser dapat ditemukan dimana-mana, seperti pembaca kode harga di kasir pasar swalayan, laserprinter, compact - disk player, pemandu pesawat jet dan pertunjukan laser dalam festival musik. Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan amat lurus. Cara kerjanya mencakup optika dan elektronika. Para ilmuwan biasa menggolongkannya 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, lebih pendek sedikit dibandingkan dengan sinyal TV - UHF. Laser yang memancarkan sinar tampak disebut laser - optik. Prinsip kerja laser Terjadinya laser sudah diramalkan jauh hari sebelum dikembangkannya mekanika kuantum. Pada tahun 1917, Albert Einstein mempostulatkan pancaran imbas pada peristiwa radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yangsedang menyerap dan memancarkan radiasi. Menurut dia ada 3 proses yang terlibat dalam kesetimbangan itu, yaitu : serapan, pancarn spontan (disebut fluorensi) 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. Sebuah atom pada keadaan dasar dapat dieksitasi ke keadaan tingkat energi yang lebih tinggi dengan cara menumbukinya dengan elektron atau foton. Setelah beberapa saat berada di tingkat tereksitasi ia secara acak akan segera kembali ke tingkat energi yang lebih rendah, tidak harus ke keadaan dasar semula. Proses acak ini dikenalsebagai 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 atomatom 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.
Kristal no. 4/Juni/1991
2
Tinjauan dua tingkat energi dalam sebuah atom E1 dan E2, dengan E1 < E2. cacah atom yang berada di masing-masing tingkat energi adalah N1 dan N2. Untuk menggambarkan distribusi energi pada atom-atom itu dalam kesetimbangan termal berlakulah statistik Maxwell - Boltzmann : N1 / N2 = exp ( E2 - E1 ) / kT
(1)
Persamaan ini menunjukkan bahwa dalam keadaan stimbang N1 selalu lebih besar daripada N2, tingkat energi rendah selalu lebih padat populasinya dibandingkan dengan tingkat yang lebih tinggi. Dalam keadaan tak setmbang terjadilah perpindahan populasi melalui ketiga proses serapan dan pancaran tersebut di atas.
Gambar 1 : Serapan, pancaran spontan dan pancaran terangsang Atom-atom di E2 dapat saja melompat ke E1 secara spontan dengan kebolehjadian transisinya A21 per satuan waktu. Apabila terdapat radiasi dengan frekuensi ν dan rapat energi e ( ν ), terjadilah transisi akibat serapan dari E1 ke E2, dengan kebolehjadian sebut saja B1 2.e ( ν ) karena terlihat jelas kebolehjadian ini sebanding pula dengan rapat energi fotonnya. Pancaran spontan ini dapat pula merangsang transisi dari E2 ke E1 akibat interaksinya dengan atom-atom yang berada dalam keadaan tereksitasi E2, kebolehjadiannya B21. e ( ν ). Sudah tentu semua transisi yang terjadi di sini berbanding lurus dengan populasi atom di tingkat energi asalnya masing-masing. Perubahan N2 secara lengkap : dN2/dt = B12.e (ν ). N1 - [A21 + B21.e (ν ) ]. N2
(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 (ν ) . N1 = [A21 + B21.e (ν )] . N2
(3)
Setelah digabungkan dengan persamaan (1), substitusi E2 - E1 = h. ν (energi foton yang dilepaskan pada saat deeksitasi) dan manipulasi aljabar biasa didapatlah persamaan :
e (ν ) =
A 21 / B12 exp (h.ν / kT ) − B 21 / B12
Kristal no. 4/Juni/1991
3
Jika persamaan (4) ini dibandingkan dengan distribusi statistik Bose Einstein, tampak bahwa foton adalah boson, dan persamaan radiasi Planck dengan harga-harga : A21/B12 = 8 π h. ν3 / c3
(5)
B21/B12 = 1
(6)
dan
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. Laju pancaran terangsang B21 . e (ν) . N 2 = = N 2 / N1 Laju serapan B12 . e (ν) . N 1
(7)
Dari persamaan ini tebukti 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 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 dengan laju pancaran spontannya. Hal ini dapat dilakukan jika dipergunakan medium laser yang atom-atomnya memiliki tingkat energi yang metastabil. Sebuah tastabil 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 secara spontan dipancarkan satu foton saja yang berenergi sama dengan selisih energi antara tingkat metastabil dengan tingkat dasar, ia akan memicu dan mengajak atom-atom lain di tingkat metastabil untuk kembali ke tingkat dasar.
Kristal no. 4/Juni/1991
4
Gambar 2 : Tingkat metastabil pada sistem laser 3 -tingkat Akibatnya atom-atom itu melepaskan foton-foton yang energi dan fasenya persis sama dengan foton yang mengajaknya tadi, terjadilah 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 umurnya terhadap tingkat metastabil tidak berubah. Dengan demikian inversi 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 sebanding dengan N saja. Syarat penting lainnya untuk menghasilkan laser adalah meningkatkan nisbah laju pancaran terangsang terhadap laju pancaran spontannya. Nisbah tersebut mudah sekali didapat Laju pancaran terangsang B 21 . e (ν) . N 2 c3 e (ν) = = (8a) Laju pancaran spon tan A 21 . N 2 8π . ν3 = [ exp ( h ν /kT ) - 1 ] -1
(8b)
Persamaan (8a) menunjukkan bahwa rapat energi e ( ν ) harus cukup besar agar laser dapat dihasilkan. Rapat energi foton ini dapat ditingkatkan dengan cara memberikan suatu rongga resonansi optik. 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 ditunjukkan 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 (8a) dan (4). Kedua jenis pancaran itu akan sama pentingnya apabila selisih tingkat energi h. ν memiliki orde yang sama malahan jauh lebih kecil dibandingkan dengan energi termal k.T. misalnya saja pada gelombang mikro pada suhu kamar. Oleh sebab itulah laser berenergi tinggi dengan frekuensi yang tinggi pula amat sulit dibuat, karena pancaran spontan akan lebih terbolehjadi.
Kristal no. 4/Juni/1991
5
Jenis-jenis laser Terdapat tiga jenis dasar laser yang paling umum digunakan. Jenis-jenis lainnya masih dalam taraf perkembangan. Ketiga jenis dasar itu adalah : (1) Laser yang dipompa secara optis Pada laser jenis inversi populasi diperoleh dengan cara pemompaan optis. Laser ruby yang diciptakan pada bulan Juli 1960 oleh Theodore H.Maiman di Hughes 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 ketakmurnian. 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 aluminium dan oksigen bersifat inert, sedangkan ion kromnya yang aktif. Kristal ruby berbentuk silinder, kira-kira berdiameter 6 mm dan panjangnya 4 sampai 5 cm. Gambar 3 memperlihatkan diagram tingkat energi yang dimiliki ion Cr dalam kristal ruby.
Gambar 3 : Diagram tingkat energi kristal ruby Laser ini dihasilkan melalui transisi atom dari tingkat metastabil ke tingkat energi dasar, radiasinya memiliki panjang gelombang 6920 A° dan 6943 A°. Yang paling terang dan jelas adalah yang 6943 A°, berwarna merah tua. Pemompaan optisnya dilakukan dengan menempatkan batang ruby di dalam tabung cahaya ini banyak dipakai sebagai perlengkapan kamera untuk menghasilkan kilatan cahaya. Foton-foton yang dihasilkan tabung ini akan bertumbukan dengan ion-ion Cr dalam ruby, mengakibatkan eksitasi besar-besaran ke pita tingkat energi tinggi. Dengan cepat ion-ion itu meluruh ke tingkat metastabil, di tingkat ini mereka berumur kira-kira 0,005 detik, suatu selang waktu yang relatif cukup panjang sebelum mereka kembali ke tingkat energi dasar. Tentu saja pemompaan terjadi dengan laju yang lebih cepat dibanding selang waktu tersebut sehingga terjadi inversi populasi. Setelah terjadi satu saja pancaran spontan ion Cr, maka beramai-ramailah ion-ion yang lain melakukan hal yang sama, dan mereka semua memancarkan foton dengan energi dan fase yang sama, yaitu laser.
Kristal no. 4/Juni/1991
6
Gambar 4 : Skema sebuah laser ruby Jika pada laser ini dibuatkan rongga resonansi optis maka cacah foton yang dipancarkan dapat dibuat banyak sekali. Rongga resonansinya adalah batang ruby itu sendiri. Batang tersebut harus dipotong dan digosok rata di kedua ujungnya. Kedua ujung juga harus betul-betul sejajar, yang satu dilapisi tebal dengan perak dan satunya lagi tipistipis saja. Akibatnya rapat energi foton makin lama makin besar dengan terjadinya pemantulan berulang-ulang yang dilakukan kedua ujung batang ruby, sampai suatu saat ujung yang berlapis tipis tidak mampu lagi memantulkan foton yang datang, sehingga tumpahlah foton-foton dari ujung tersebut sebagai sinar yang kuat, monokromatik dan koheren yang tidak lain adalah laser. Pada saat pancaran terangsang berlangsung, tentu saja tingkat metastabil akan cepat sekali berkurang populasinya. Akibatnya keluaran laser terdiri dari pulsa-pulsa berintensitas tinggi yang selangnya masing-masing sekitar beberapa nanodetik sampai milidetik. Setelah letupan laser terjadi, proses inversi populasi dan perbesaran rapat energi foton dimulai dari awal lagi, demikianlah seterusnya sehingga terjadi retetan letupanletupan berupa pulsa-pulsa. Keluaran yang kontinu dapat diperoleh yaitu jika sistem lasernya ditaruh dalam sebuah kriostat agar suhu operasi laser menjadi rendah sekali. Efisiensi laser ruby ini 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 pemimpaan sehingga merupakan pemborosan energi. Walaupun demikian daya rerata dari tiap pulsa laser dapat mencapai beberapa kilowatt karena selang waktunya yang 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 tambahan energi untuk bereksitasi. Perkembangan terakhir dalam perlaseran medium gasnya dapat diganti dengan uap logam, tetapi hal ini akan mengarah pada perkembangan jenis laser yang lain. Jenis laser uap logam akan dibicarakan secara tersendiri. Laser gas mampu memancarkan radiasi dengan panjang gelombang mulai dari spektrum ultra ungu sampai dengan infra merah. Laser nitrogen yang menggunakan gas N2
Kristal no. 4/Juni/1991
7
merupakan salah satu laser terpenting dari jenis ini, panjang gelombnag lasernya berada di daerah ultra ungu (3371 A° ). Sedangkan laser karbondioksida yang merupakan laser gas yang terkuat memancarkan laser pada daerah infra merah (10600 A °). Laser gas yang populer tentu saja laser helium-neon, banyak dipakai sebagai peralatan laboratorium dan pembaca harga di pasar sawalayan. Laser yang dihasilkan berada di spektrum tampak berwarna merah (6328 A° ). 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 ini dapat diambil sebagai contoh. Dalam keadaan normal atom helium berada di tingkat energi dasarnya 1S0, karena konfigurasi elektron terluarnya adalah 1 s2. Pada saat elektron lucutan menumbuknya ato helium itu mendapatkan energi untuk bereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi seperti 1 S0 dan 3S1 dari konfigurasi elektron 1s2s. Begitu atom helium tereksitasi ke tingkattingkat itu ia tak dapat lagi balik ke tingkat dasar, suatu hal yang dilarang oleh aturan seleksi radiasi. Suatu hal kebetulan bahwa beberapa tingkat energi yang dimiliki atom neon hampir sama dengan tingkat energi atom helium. Akibatnya transfer energi antara kedua jenis atom itu sangat terbolehjadi melalui tumbukan-tumbukan . Pada gambar 5 dapat dilihat bahwa atom neon yang ditumbuk oleh atom helium 1S0 akan tereksitasi ke tingkat 1P1, 3P0 , 3P1 , 3P2 dari konfigurasi elektron 2p55s. Setelah bertumbukan atom helium akan segera kembali ke tingkat energi dasar. Oleh karena aturan seleksi memperbolehkan transisi dari tingkat-tingkat energi ini ke sepuluh tingkat energi yang dimiliki konfigurasi 2p53p, maka atom neon dapat dipicu untuk memancarkan laser. Syarat inversi populasi dengan sendirinya sudah terpenuhi, karena pada kesetimbangan termal tingkat-tingkat di 2p53p atom Ne amat jarang populasinya.
Gambar 5 : Diagram tingkat energi He dan Ne Laser yang dihasilkan akan memiliki intensitas yang paling jelas di panjang gelombang 6328 A° tadi. Sebetulnya pancaran laser He-Ne yang terkuat berada di 11523 A° (infra merah dekat) yang ditimbulkan oleh transisi dari satu di antara 4 tingkat di 2p54s
Kristal no. 4/Juni/1991
8
atom Ne, yang kebetulan berdekatan dengan tingkat energi 3S1 atom He, ke salah satu dari 10 tingkat energi di 2p53p. Sistem laser ini berbentuk tabung gas silindris dengan panjang satu meter dan diameter 17 mm. Kedua ujung tabung ditutup oleh dua cermin pantul yang sejajar, disebut cermin Fabry - Perot, sehingga tabung gas ini sekaligus berfungsi sebagai rongga resonansi optisnya. Dua buah elektroda dipasang di dekat ujung-ujungnya dan dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi untuk menimbulkan lucutan dalam tabung. Tekanan He dan Ne dalam tabung adalah sekitar 1 torr dan 0,1 torr, dengan kata lain atom He kira-kira 10 kali lebih banyak dibandingkan dengan atom Ne. Cacah He yang lebih banyak ini mampu mempertahankan inversi populasi secara terus menerus, sehingga laser yang dihasilkan juga bersifat kontinu, tidak terputus-putus sebagai pulsa seperti pada laser ruby. Sifat kontinu ini merupakan keunggulan laser gas dibanding laser ruby. Laser yang kontinu amat berguna untuk transmisi pembicaraan dalam komunikasi, musik atau gambar-gambar televisi. Efisiensi laser He-Ne ini juga rendah, hanya sekitar 1 persen, keluaran lasernya hanya berorde miliwatt. Sedangkan laser CO2 dapat menghasilkan laser kontinu berdaya beberapa kilowatt dengan efisiensi lebih tinggi.
Gambar 6 : Sistem laser gas 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, dsb. Konsentrasi larutan kira-kira 0,001 Milar. Contoh larutan ini adalah LD-690 yang menghasilkan laser merah ( 6960 A° ) dan Coumarin-440 yang menghasilkan laser ungu ( 4450 A° ). Jenis larutan dapat diubah-ubah sesuai dengan warna yang dikehendaki. (3) Laser semikonduktor Laser ini juga disebut laser injeksi, karena pemompaannya dilakukan dengan injeksi arus listrik lewat sambungan PN semikonduktornya. Jadi laser ini tidak lain adalah sebuah diode dengan bias maju biasa. Laser semikonduktor yang pertama diciptakan secara bersamaan oleh tiga kelompok pada tahun 1962. Mereka adalah R.H. Rediker dkk. (Lincoln Lab, MIT), M.I. Nathan dkk. (Yorktown Heights, IBM) dan R.N. Hall dkk. (General Electric Research Lab.). Diodediode yang digunakan adalah galiun arsenida-flosfida GaAsP (sinar-tampak merah).
Kristal no. 4/Juni/1991
9
Proses laser jenis ini mirip dengan kerja LED biasa. Pancaran fotonnya disebabkan oleh bergabungnya kembali elektron dan lubang (hole) di daerah sambungan PN-nya. Bahan semikonduktor yang dipakai harus memiliki gap energi yang langsung, agar dapat melakukan radiasi foton tanpa melanggar hukum kekekalan momentum. Oleh sebab itulah laser semikonduktor tidak pernah menggunakan bahan seperti silikon maupun germanium yang gap energinya tidak langsung. Dibandingkan dengan LED, laser semikonduktor masih mempunyai dua syarat tambahan. Yang pertama, bahannya harus diberi doping banyak sekali sehingga tingkat 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 inversi populasi di daerah sambungan PN dapat dicapai. Yang kedua, rapat arus listrik maju yang digunakan haruslah besar, begitu besar sehingga melampaui harga ambangnya. Besarnya sekitar 50 ribu ampere/cm2 agar laser yang dihasilkan bersifat kontinu. Rapat arus ini luar biasa besar, sehingga diode laser harus ditaruh di dalam kriostat supaya suhunya tetap rendah ( 77 K ), jika tidak arus yang besar ini dapat merusak daerah sambungan PN dan diode berhenti menghasilkan laser.
Gambar 7 : Laser semikonduktor beserta diagram energinya Pada gambar 7 tampak bahwa di sebagian daerah deplesi terjadi inversi populasi jika sambungan PN diberi tegangan maju, daerah ini disebut lapisan aktif. Daerah deplesi adalah daerah di sekitar sambungan PN yang tidak memiliki pembawa muatan listrik bebas. Pada saat dilakukan injeksi arus listrik melalui sambungan, elektron-elektron di pita konduksi pada lapisan aktif dapat bergabung kembali dengan lubang-lubang di pita valensi. Untuk arus injeksi yang kecil penggabungan ini terjadi secara acak dan menghasilkan radiasi, proses ini adalah yang terjadi pada LED. Tetapi apabila arus injeksinya cukup besar, pancaran terangsang mulai terjadi di daerah lapisan aktif. Lapisan ini berfungsi pula sebagai rongga resonansi optisnya, sehingga laser akan terjadi sepanjang lapisan ini. Pelapisan seperti yang dilakukan pada cermin di sini tidak diperlukan lagi karena bahan diode sendiri sudah mengkilap (metalik), cukup bagian luarnya digosok agar dapat memantulkan sinar yang dihasilkan dalam lapisa aktif. Kelemahan sistem laser ini adalah sifatnya yang tidak monokromatik, karena transisi elektron yang terjadi bukanlah antar tingkat energi tapi antar pita energi, padahal pita energi terdiri dari banyak tingkat energi.
Kristal no. 4/Juni/1991
10
Sambungan yang dijelaskan di atas biasa disebut homojunction, karena yang dipisahkannya adalah tipe P dan N dari substrat yang sama, ayitu misalnya GaAs tadi. Tipe P GaAs biasanya diberi doping seng ( Zn ) dan tipe N-nya dengan doping telurium ( Te ). Sebenarnya hanya sebagian kecil elektronelektron yang diinjeksikan dari daerah N yang bergabung dengan lubang di lapisan aktif, kebanyakan dari mereka berdifusi jauh masuk ke dalam daerah P sebelum bergabung kembali dengan lubang-lubang. Efek difusi inilah yang menyebabkan besarnya rapat arus listrik yang dibutuhkan dalam proses kerja laser semikonduktor. Tetapi besarny rapat arus listrik ini dapat diturunkan dengan cara membatasi gerakan elektron yang diinjeksikan itu disuatu daerah yang sempit, agar mereka tidak berdifusi kemana-mana. Hal ini dapat dilakukan dengan cara membuat sambungan heterojunction. Heterjunction yang apling umum dipakai adalah sambungan antara GaAs dan AlGaAs. GaAs memiliki gap energi yang lebih sempit, sehingga bila ia dijepit oleh dua daerah AlGaAs bertipe P dan N, elektron-elektron yang diinjeksikan dari daerah N dan lubang-lubang dari daerah P akan bergabung di GaAs ini, jadi GaAs berfungsi sebagai lapisan aktifnya. Lihat gambar 8.
Gambar 8 : Diagram energi heterojunction Laser heterojunction GaAs - AlGaAs dapat bekerja secara kontinu pada suhu kamar hanya dengan rapat arus minimum sebesar 100 ampere/cm2, 500 kali lebih kecil dibandingkan rapat arus pada laser GaAs yang homojunction. Keunggulan yang dimiliki laser semikonduktor lebih banyak dibandingkan dengan kelemahannya. Yang paling nyata adalah dimensi ukurannya, yaitu hanya sekitar 0,1 x 0,1 x 1,25 mm, sehingga amat cocok untuk peralatan yang dapat dibawa-bawa. Keunggulan lainnya adalah fleksibilitas gap energi bahan-bahan yang dipakai. Lebar gap dapat diatur sesuai dengan kebutuhan, yang berarti orang dapat memilih panjang gelombang laser yang dihasilkannya. Misalnya, substrat indium fosfida ( InP ) yang dipakai pada laser InGaAsP, laser yangdihasilkan dapat diatur berpanjang gelombang sekitar 1,3 atau 1,55 mikrometer, panjang gelombang dimana gelombang elektromagnetik paling sedikit diserap oleh bahan serat optik. Hal ini membuat laser InGaAsp menjadi pilihan yang tepat untuk komunikasi jarak jauh dengan serat optik. Jenis laser yang memberikan harapan Ada tiga jenis laser yang layak disebutkan disini. Sekarang ini ketiganya sedang dikembangkan karena dinilai memiliki potensi untuk memenuhi harapan manusia, yaitu
Kristal no. 4/Juni/1991
11
laser yang kuat dan berefisiensi tinggi. Mereka adalah laser sinar -X, laser elektron bebas dan laser uap logam. Penulis akan membahasnya satu per satu pada edisi KRISTAL yang akan datang. Rujukan : 1. University Physics, vol. III, chap.13, Alonso-Finn, Assion Wesley, 1968 2. The Story of the LASER, J.M. Carroll, FP Dutton & Co, Inc., 1970 3. Elementary Solid State Physics, chap.7,M.A.Omar, Addison-Wesley, 1975 4. Solid State Electronic Divices, 2nd ed., chap.10, B.Streetman, Prentice/Hall International, Inc., 1980 5. Fundamentals of Optics, 4th ed., chap.29-30, Jenkins-White, Mc. Graw-Hill, 1981 6. Frontiers in Science and Technology, chap.7, WH Freeman & Co, 1983
