Nama : Fahmi Masruroh NRP : 1110131003 Kelas : 2D4EA
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), yaitu terjadinya proses penguatan cahaya oleh emisi radiasi yang terstimulasi. Klasifikasi Laser Berdasarkan material aktifnya, antara lain: 1. Zat Padat Laser yang bahan aktifnya memiliki impuritas ion-ion pada material host dielektriknya dalam hal ini berbentuk kristal atau gelas). Ion-ion yang terletak di dalam elemen transisi, khususnya tanah jarang (rare earth, RE) atau ion-ion logam transisi sering digunakan sebagai impuritas aktif. Material yang umum digunakan untuk kristal induk (host) adalah golongan oksida seperti Al 2O3, atau flourida seperti YLiF4 (YLF). Impuritas bahan aktif adalah bahan RE yang memiliki struktur elektronik 4fN5s25p65d06s2
a. Laser Ruby • Terdiri dari kristal alam Al2O3 (corundum), • Jika material Al2O3 tidak dicampur dengan material lain, maka akan membentuk kristal tak berwarna atau disebut safir • material aktif Kristal ditumbuhkan dengan campuran antara Al2O3 dan Cr2O3 (0,05% berat), memberikan warna pink • Pancaran λ = 694,3 nm dan 692,9 nm
b. Laser Neodymium Sebagai material host digunakan kristal Y3Al5O12 (Yttrium Aluminium Garnet, YAG), material lain yang banyak digunakan sebagai host adalah fluoride (YLiF4), vanadate (YVO4), posfat dan gelas silika. Laser Nd:YAG dapat beroperasi kontinu dan pulsa, dipompa oleh lampu atau laser emikonduktor AlGaAs.
c. Laser YAG lain
d. Laser Titanium Safir
e. Laser Cr:LiSAF dan Cr:LiCAF
2. Dye/Cair
3. Semikonduktor • Menggunakan material semikonduktor direct-gap, silikon dan germanium tidak dapat digunakan. • Mayoritas bahan merupakan kombinasi antara golongan IIIA pada Tabel periodik (Al, Ga, In) dan golongan IVA (N, P, As, SB), sehingga membentuk compound III-IV, seperti GaAs, InGaAsP, AlGaAs. • Laser ini memiliki panjang gelombang sekitar 630 nm – 1600 nm. • Laser InDaN dapat memancarkan cahaya pada panjang gelombang biru (~ 400 nm). • Kombinasi golongan II-VI (CdSe, ZnS) memancarkan panjang gelombang daerah hijaubiru. Prinsip Kerja
Aplikasi
4. Gas yang terdiri dari Gas Netral & Ion
a) Laser Gas Netral-Laser Helium-Neon
b) Laser Uap Tembaga
c) Laser Ion • Atom-atom terionisasi dapat dijadikan sebagai medium aktif laser. • Secara umum dibagai kedalam dua katagori : 1). Laser ion gas: gas-gas mulia, seperti Ar+ (515,5 nm dan 488 nm), dan laser Kr+ (647,1 nm), 2). Laser uap ion-metal, yang menggunakan beberapa logam (Sn, Pb, Zn, Cd dan Se), dimana jenis laser ini adalah He:Cd dan He:Se.
a. Laser Argon
b. Laser He:Cd
Aplikasi Laser Banyak sekali aplikasi laser, diantaranya sebagai laser pointer (untuk presentasi), laser untuk pelurus arah tembakan, pemotong atau cutter yang sudah banyak digunakan di industri baja dan elektronik, laser hair Removal untuk menghilangkan rambut. Dan ada juga laser untuk penyembuhan luka. Sedangkan aplikasi lain untuk analisis misalnya: Spektroskopi adalah teknik untuk menganalisa bahan yang sering digunakan dalam aplikasi ini adalah FTIR ( Fourier Transform Infra Red) menggunakan laser infra merah untuk di ukur tingkat serapan suatu bahan. kemudian dicocokan dengan tabel sehingga dapat diketahui bahan apa saja yang terkandung di dalam sampe yang diuji. Material prosessing Biasa digunakan untuk pemotong laser yang sering di gunakan adalah laser CO2. Pengukur Jarak Untuk mengetahui jarak bulan terhadap bumi dilakukan dengan metode ini karena kecepatan cahaya sudah diketahui maka dengan mengukur jeda waktu akan diperoleh besar jaraknya.
Laser Pendingin Laser sebagai pendingin memanfaatkan teknik ini. metode atom trapping. Metode dimana sejumlah atom diperangkap kedalam kotak yang telah dirangkai kedalam medan listrik dan medan magnet kemudian meradiasi panjang gelombang yang keluar, kemudian memperlambat mereka, dan selanjutnya sinar ini menjadi dingin. Proses ini dikenal dengan Bose-Einstein Condensate.
Dua Tingkatan Sistem Laser Sistem laser paling sederhana adalah sistem tingkat dua.
Gambar 47: Sebuah sistem dua tingkat sederhana ini terdiri dari ground state (metastabil) state.
Setelah atom berpindah ke tingkat atas, probabilitas stimulus penyerapan atau emisi adalah sama (B12 = B21) sehingga bahkan dengan sangat memompa intens, yang terbaik yang dapat dicapai adalah kesetaraan populasi dari dua tingkat. Sistem ini tidak efisien dan tidak memiliki sistem laser praktis
Sistem laser tiga tingkatan Secara umum, τ umur hidup rata-rata untuk emisi spontan oleh atom exicited adalah sebesar 10-8 s. Ada beberapa tingkatan, namun yang lebih lama τ(10-3 s) - metastabil state. Metastabil state memainkan peran penting dalam operasi laser.
Gambar 48: Tiga dasar- tingkat skema untuk operasi laser. Metastabil state E2 memiliki populasi lebih besar daripada keadaan dasar E1
Atom dari keadaan dasar E1 yang dipompa ke exited state E3. Atom keluar cepat terhadap keadaan E2 energi (metastabil state). Jika kondisi benar, E2 dapat menjadi lebih berat populasi dari E1 inversi populasi. Sebuah foton tersesat dari energi yang tepat maka bisa memicu efek dari stimulus emisi peristiwa cahaya laser.
Sistem laser 4 tingkatan
Gambar 49: Energi tingkat dari sederhana empat-tingkat sistem laser
Atom yang dipompa dari keadaan E0 dasar ke excited state E3 di waktu pendek dari atom di E3 menyebabkan cepat membuat transisi awal untuk keadaan E (metastabil state). Transisi Laser terjadi antara keadaan E2 dan E1 (AntarStatus). Seumur hidup atom pada E1 adalah singkat sedemikian sehingga E1 dengan cepat dihabiskan atom dan pembalikan populasi terjadi antara E2 dan E1. Laser ini Sistem jadilah lebih efisien dibanding sistem tiga tingkat sebab keadaan tenaga yang lebih rendah bukanlah keadaan dasar dan itu adalah mungkin untuk mempunyai situasi di mana n(E1) = 0. Dengan sistem dua tingkat satu tidak dapat mencapai PI sejak probabilitas penyerapan dan emisi terstimulasi adalah sama ketika N2 = N1 sekali tercapai dan tidak ada peningkatan lebih lanjut dari N2 dengan penyinaran mungkin. Dalam sistem tiga tingkat satu pompa t Hird tingkat energi (misalnya: dengan bantuan cahaya flash atau dengan percepatan ion di dalam bahan penguat) yang terbaik benar-benar terdiri dari banyak tingkat energi yang berdekatan untuk membuat efisien memompa sumber yang digunakan akan menyediakan berbagai macam frekuensi. Jika tingkat ketiga menunjukkan pembusukan yang cepat untuk yang kedua tetapi tidak untuk tingkat pertama dan terendah kedua akan mengisi sampai PI. Sebuah sistem tingkat empat berarti bahwa ditambahkan ke "pompa" ada apa yang disebut "tenggelam" E1 ke E0 yang ditandai dengan waktu hidup rendah 10 dan depopulates E1 sehingga meningkatkan rasio N2/N1.
Untuk PI antara tingkat ini dan yang kedua dalam sistem tingkat tiga seseorang harus memompa lebih dari setengah dari semua atom dan PI dengan cepat dihancurkan oleh penguat itu. Tiga tingkat laser (misalnya laser ruby) memberi karena itu pulsa yang cepat. Dalam sistem tingkat empat itu sudah cukup untuk memompa jauh kurang intensif karena tingkat paling bawah menyediakan wastafel dan karena itu dapat masih menjadi negara hampir semua atom. PI untuk tingkat 1 dan 2 hanya membutuhkan sebagian kecil dari semua atom dipompa. Waktu wastafeldecay sangat singkat 10 membuat PI kondisi mapan. Laser tingkat empat (misalnya: He-Nelaser, CO2 laser, Argon-laser dan laser semikonduktor) dapat beroperasi sebagai CW-laser (Wave Continuous). *PI = Inversi Populasi
Jenis-jenis Laser Berdasarkan Pemompaannya (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.
Laser ini dihasilkan melalui transisi atom dari tingkat metastabil ke tingkat energy dasar, radiasinya memiliki panjang gelombang 6920 Adan 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 disbanding selang waktu tersebut sehingga terjadi inversi populasi. Setelah terjadi satu saja pancaran spontan ion Cr, maka beramai-ramailah ion-ion yang lain melakukan hal yang sama, dan mereka semua memancarkan foton dengan energi dan fase yang sama, yaitu laser.
Jika pada laser ini dibuatkan rongga resonansi optis maka cacah foton yang dipancarkan dapat dibuat banyak sekali. Rongga resonansinya adalah batang ruby itu sendiri. Batang tersebut harus dipotong dan digosok rata di kedua ujungnya. Kedua ujung juga harus betul-betul sejajar, yang satu dilapisi tebal dengan perak dan satunya lagi tipis-tipis saja. Akibatnya rapat energi foton makin lama makin besar dengan terjadinya pemantulan berulang-ulang yang dilakukan kedua ujung batang ruby, sampai suatu saat ujung yang berlapis tipis tidak mampu lagi memantulkan foton yang datang, sehingga tumpahlah foton-foton dari ujung tersebut sebagai sinar yang kuat, monokromatik dan koheren yang tidak lain adalah laser. Pada saat pancaran terangsang berlangsung, tentu saja tingkat metastabil akan cepat sekali berkurang populasinya. Akibatnya keluaran laser terdiri dari pulsa-pulsa berintensitas tinggi yang selangnya masing-masing sekitar beberapa nanodetik sampai milidetik. Setelah letupan laser terjadi, proses inversi populasi dan perbesaran rapat energy foton dimulai dari awal lagi, emikianlah seterusnya sehingga terjadi retetan letupanletupan berupa pulsa-pulsa. Keluaran yang kontinu dapat diperoleh yaitu jika system 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 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 heliumneon, banyak dipakai sebagai peralatan laboratorium dan pembaca harga di pasar sawalayan. Laser yang dihasilkan berada di spektrum tampak berwarna merah (6328 A). Laser heliumneon 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 atom helium itu mendapatkan energi untuk bereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi seperti 1S0 dan 3S1 dari konfigurasi elektron 1s2s. Begitu atom helium tereksitasi ke tingkat-tingkat itu ia tak dapat lagi balik ke tingkat dasar, suatu hal yang dilarang oleh aturan seleksi radiasi. Suatu hal kebetulan bahwa beberapa tingkat energi yang dimiliki atom neon hamper 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
Laser yang dihasilkan akan memiliki intensitas yang paling jelas di panjang gelombang 6328 A° tadi. Sebetulnya pancaran laser He-Ne yang terkuat berada di 11523 A° (infra merah dekat) yang ditimbulkan oleh transisi dari satu di antara 4 tingkat di 2p54s atom Ne, yang kebetulan berdekatan dengan tingkat energi 3S1 atom He, ke salah satu dari 10 tingkat energi di 2p53p. Sistem laser ini berbentuk tabung gas silindris dengan panjang satu meter dan diameter 17 mm. Kedua ujung tabung ditutup oleh dua cermin pantul yang sejajar, disebut cermin Fabry - Perot, sehingga tabung gas ini sekaligus berfungsi sebagai rongga resonansi optisnya. Dua buah elektroda dipasang di dekat ujung-ujungnya dan dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi
untuk menimbulkan lucutan dalam tabung. Tekanan He dan Ne dalam tabung adalah sekitar 1 torr dan 0,1 torr, dengan kata lain atom He kira-kira 10 kali lebih banyak dibandingkan dengan atom Ne. Cacah He yang lebih banyak ini mampu mempertahankan inversi populasi secara terus menerus, sehingga laser yang dihasilkan juga bersifat kontinu, tidak terputus-putus sebagai pulsa seperti pada laser ruby. Sifat kontinu ini merupakan keunggulan laser gas dibanding laser ruby. Laser yang kontinu amat berguna untuk transmisi pembicaraan dalam komunikasi, musik atau gambar-gambar televisi. Efisiensi laser He-Ne ini juga rendah, hanya sekitar 1 persen, keluaran lasernya hanya berorde miliwatt. Sedangkan laser CO2 dapat menghasilkan laser kontinu berdaya beberapa kilowatt dengan efisiensi lebih tinggi.
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). Proses laser jenis ini mirip dengan kerja LED biasa. Pancaran fotonnya disebabkan oleh bergabungnya kembali elektron dan lubang (hole) di daerah sambungan PN-nya. Bahan semikonduktor yang dipakai harus memiliki gap energi yang langsung, agar dapat melakukan radiasi foton tanpa melanggar hukum kekekalan momentum. Oleh sebab itulah laser semikonduktor tidak pernah menggunakan bahan seperti silikon maupun germanium yang gap energinya tidak langsung. Dibandingkan dengan LED, laser semikonduktor masih mempunyai dua syarat tambahan. Yang pertama, bahannya harus diberi doping banyak sekali sehingga tingkat energy Fermi-nya melampaui tingkat energi pita konduksi di bagian N dan masuk ke bawah tingkat energi pita valensi di bagian P. Hal ini perlu agar keadaan inversi populasi di daerah sambungan PN dapat dicapai. Yang kedua, rapat arus listrik maju yang digunakan haruslah besar, begitu besar sehingga melampaui harga ambangnya. Besarnya sekitar 50 ribu ampere/cm2 agar laser yang dihasilkan bersifat kontinu. Rapat arus ini luar biasa besar, sehingga diode laser harus ditaruh di dalam kriostat supaya suhunya tetap rendah (77 K ), jika tidak arus yang besar ini dapat merusak daerah sambungan PN dan diode berhenti menghasilkan laser.
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. 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 tellurium ( 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.
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.
