LASER (LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION)
INTERAKSI CAHAYA DENGAN MATERIAL 1. ABSORPSI, EMISI SPONTAN DAN EMISI TERSTIMULASI Pandang suatu sistem dengan dua-tingkatan energi E1 dan E2 (E2 > E1) E2 hν hν
hν
hν
hν hν
E1 (a). absorpsi
(b). emisi spontan
(c). emisi terstimulasi
Frekuensi cahaya yang dipancarkan:
E2 − E1 ν 21 = h
h = konstanta Planck = 6,626 x 10-34 J.s
1. Absorpsi : tereksitasinya elektron dari E1 ke E2 akibat penyerapan foton dengan energi hν > (E2 - E1) 2. Emisi spontan : peluruhan elektron dari E2 ke E1 ♦ Emisi radiatif (memancarkan foton dengan energi = E2 – E1) ♦ Emisi non-radiatif ( tidak memancarkan foton) 3. Emisi terstimulasi : elektron yang sudah berada di E2 distimulasi oleh foton yang datang untuk meluruh ke E1 sehingga akan memperkuat energi cahaya yang datang (amplification by stimulated emission of radiation)
Contoh : Bagaimana Laser Rubi bekerja ?
1. Keadaan tidak lasing
2. Cahaya yang mengenai kristal Rubi menyebabkan eksitasi atom
5. Foton yang sefasa, monokromatis akan keluar dari cermin menghasilkan cahaya laser
3. Beberapa atom mengemisi foton atau cahaya
4. Beberapa foton bergerak sejajar dengan sumbu kristal Rubi dan dipantulkan oleh cermin, sehingga menstimulasi emisi oleh atom lain
Bagaimana probabilitas absorpsi dan emisi ? Assumsikan Ni adalah jumlah molekul/atom persatuan volume yang menduduki tingkat energi ke-i pada waktu t (populasi level-i) 2
N2, E2
1
N1, E1
1. Kasus Absorpsi Laju transisi 1 → 2
dN1 = − W12 N1 dt a
W12 = laju absorpsi = σ12 F σ12 = penampang absorpsi F
= fluks foton (cm-2 det-1)
2. Kasus Emisi Spontan Laju transisi 2 → 1
N2 dN 2 = − AN 2 = − τsp dt sp
A = laju emisi spontan/koef. Einstein (det-1) τsp = A-1 = lifetime emisi spontan (det)
Peluruhan non-radiatif:
N2 dN 2 =− τ nr dt nr
τnr = lifetime emisi non-radiatif (det)
Apa perbedaan dari emisi radiatif (spontan) dan non-radiatif ? τsp hanya bergantung pada transisi tertentu, sedangkan τnr bergantung pada transisi tertentu dan keadaan media sekelilingnya.
3. Kasus Emisi Terstimulasi Laju transisi 2 → 1
W21 = laju emisi terstimulasi (det-1)
dN 2 = − W21N 2 dt st
= σ21 F σ21 = penampang emisi terstimulasi
Proses emisi terstimulasi dicirikan oleh emisi terstimulasi dan absorpsi. Menurut Einstein:
g 2 W21 = g1W12 g 2 σ21 = g1σ12 g1 = jumlah degenerasi di tingkatan energi -1 g2 = jumlah degenerasi di tingkatan energi -2
IDE DASAR DARI LASER (Proses emisi terstimulasi) dz 2 F
N2, E2 F + dF N1, E1
1
Sumbu-z Bila suatu foton datang dengan fluks F ke dalam bahan, maka akan terjadi perubahan fluks sebesar dF akibat absorpsi dan emisi terstimulasi Bila foton yang datang mempunyai penampang lintang S, maka perbedaan foton yang datang dan yang keluar dari daerah dz adalah SdF. S dF = perbedaan emisi spontan dan absorpsi di daerah dz persatuan waktu
S dF = (W21N 2 − W12 )S dF
W21 = σ21F =
g1 W12 g2
S dF = (W21N 2 − W12 )S dF dN1 dN 2 = − S dz dt a dt sp
dN SE : 2 = − W21N 2 dt sp dN Abs : 1 = − W12 N1 dt a
g2 dF = σ 21F N 2 − N1 dz g1
Arti fisis dari pers…(1) • Bahan bersifat penguat (amplifier) jika:
dF > 0 maka N 2 > N1 dz
Inversi populasi
• Bahan bersifat penyerap (absorber) jika:
dF < 0 maka N 2 < N1 dz Bahan aktif untuk laser adalah bahan yang memiliki inversi populasi.
..(1)
Komponen Dasar dari LASER Untuk membuat suatu osilator dari amplifier, maka diperlukan suatu feedback positif yang sesuai. Dalam kasus Laser, feedback diperoleh dengan menempatkan bahan aktif diantara dua cermin pemantul (reflecting mirrors), seperti cermin bidang yang sejajar
output
cermin-1
bahan aktif
cermin-2
Gelombang EM menjalar dalam arah yang tegak lurus dari cermin, sehingga terjadi pemantulan oleh kedua cermin, dan dikuatkan pada setiap lintasan melalui bahan aktif. Jika cermin-2 dibuat transparan sebagian, maka berkas cahaya output akan diperoleh dari cermin-2.
• •
•
• •
Agar terjadi emisi terstimulasi, maka harus ada inversi populasi. Pada kesetimbangan termal, absorpsi lebih dominan daripada emisi terstimulasi, sehingga diharapkan akan terjadi inversi populasi. Namun kenyataannya tidak pernah terjadi (setidaknya pada kasus steady state). Jika g2N2 = g1N1, proses absorpsi dan emisi terstimulasi saling mengkompensasi, sehingga material menjadi transparan. Keadaan ini disebut two-level saturation. Populasi inversi tidak akan pernah bisa dihasilkan oleh material dengan dua tingkatan energi (two-level). Agar terjadi inversi populasi, maka harus dilakukan pada three-level atau fourlevel fast decay
fast decay
2
2 pumping
pumping
laser
1
laser
fast decay
1 (a)
0 (b)
Skema laser (a). three-level, dan (b). four-level
Sifat-sifat cahaya LASER Sifat cahaya laser dicirikan oleh monokromatis, koheren, terarah dan brightness A. Monokromatis Monokromatis artinya hanya satu frekuensi yang dipancarkan. Sifat ini diakibatkan oleh: 1. Hanya satu frekuensi yang dikuatkan [ν = (E2-E1)/h] 2. Susunan dua cermin yang membentuk cavity-resonant sehingga osilasi terjadi hanya pada frekuensi yang sesuai dengan frekuensi cavity. B. Koheren B.1. Koheren ruang (spatial coherence) B.2. Koheren waktu (temporal coherence)
C. Keterarahan (directionality) Merupakan konsekuensi langsung ditempatkannya bahan aktif dalam cavity resonant.
Hanya gelombang yang merambat dalam arah yang tegak lurus terhadap cermin2 yang dapat dipertahankan dalam cavity. C.1. Koheren ruang yang sempurna Pada jarak tertentu masih terjadi divergensi akibat difraksi θd D
layar
Prinsip Huyghens : muka-muka gelombang pada layar dapat diperoleh akibat superposisi dari gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap titik di apertur D
βλ θd = D
λ = panjang gelombang D = diameter berkas/celah β = koefisien numerik
Suatu berkas cahaya dimana divergensinya dapat diungkapkan dalam bentuk θd diatas disebut diffraction limited.
C.2. Koheren ruang parsial Divergensi lebih besar daripada nilai minimum untuk difraksi
θ=
βλ (Sc)1/ 2
Sc = luas koherensi yang berperilaku sebagai apertur batas terjadinya superposisi koheren dari wavelets elementer.
Kesimpulan: berkas output laser harus dibuat dalam batas difraksi (diffraction limited)
D. Brightness Brightness suatu sumber cahaya didefinisikan sebagai daya yang dipancarkan persatuan luas permukaan persatuan sudut ruang.
O’
θ r O
n
dΩ
Daya yang dipancarkan dP oleh permukaan luas dS ke sudut ruang dΩ di sekitar titik OO’:
dP = B cos θ dS dΩ
Faktor cos θ secara fisis merupakan proyeksi dS para bidang ortogonal terhadap arah OO’. B adalah brightness sumber pada titik O dalam arah OO’. Besaran ini bergantung pada koordinat θ. Bila B merupakan suatu konstanta, maka sumber cahaya dikatakan isotropik (sumber Lambertian)
O’
θ
r n
θ
D
O dS Berkas laser dengan daya P mempunyai diameter berkas D dan divergensi θ (biasanya θ <<), maka cos θ ≈ 1 Luas berkas: D Sudut emisi: Maka brightness:
B=
πD2 A= 4
πθ2
dP 4P = cos θ dS dΩ (πDθ)2
Bila berkas adalah limit difraksi θ = θD, maka brightness maksimum: 2
2 B = P βπλ
Brightness merupakan parameter yang sangat penting. Secara umum brightness dari sumber cahaya: Ip
d
Ip =
π (NA )2 B 4
NA = numerical apertur dari lensa.
−1 D L NA = sin tan F D ≈ L f DL = diameter lensa f = fokus lensa
Suatu berkas laser bahkan dengan daya yang sedang (mW) mempunyai brightness beberapa orde yang lebih tinggi dibandingkan dengan sumber cahaya konvensional. Hal ini diakibatkan oleh sifat keterarahan yang tinggi.
Tipe-tipe cahaya LASER ♦ Berdasarkan bentuk fisik bahan aktif: laser zat padat, zat cair dan gas. Bentuk khusus : laser elektron bebas (free- electron LASER) adalah bahan aktifnya terdiri dari elektron-elektron bebas dengan bergerak melewati susunan medan magnet yang periodik. ♦ Berdasarkan panjang gelombang yang dipancarkan : UV laser, visible, infra-merah ♦ Berdarkan durasi berkas cahaya: kontinu dan pulsa
Klasifikasi LASER LASER diklasifikasikan kedalam 4-kelas berdasarkan pada potensi kerusakan organ biologi. Class I Class I.A. Class II Class IIIA
Class IIIB Class IV
: Tidak berbahaya. : Laser ini tidak boleh langsung mengenai mata (scanner di supermarket). Batas atas dayanya 4.0 mW. : Laser cahaya tampak berdaya rendah. Daya maksimum 1 mW. : Laser berdaya sedang (cw: 1-5 mW), yang hanya berbahaya jika mengenai mata secara langsung. (contoh : laser pointer). : Laser berdaya sedang. : Laser berdaya tinggi (cw: 500 mW, pulsed: 10 J/cm2). Berbahaya jika dilihat dari berbagai kondisi (langsung atau yang terhambur) dan berpotensi menyebabkan kebakaran atau membakar kulit. Laser ini memerlukan penanganan khusus.
