BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada tahun 1917, Albert Einstein mengembangkan teori tentang laser
(pada teori kuantum) berdasarkan turunan dari teori max plank tentang radiasi.
Konsep awal berasal dari kemungkinan adanya koefisien absorbsi, Emisi Spontan
dan emisi yang di stimulasi (di picu) pada radiasi elektromagnetik. kemudian
Rudolf W. Ladenburg (1928) mengumumkan bahwa fenomena ini memang benar
ada.fenomena ini dan juga absorbsi negatif. kemudian pada tahun 1939 Valentin
A. Fabrikant memperkirakan bahwa kemungkinan emisi “short wave” dapat
dikuatkan (bukan gelombang pendek tapi cenderung ke emisi spontan yang
waktunya sangat pendek mungkin dalam orde nanosekon). Pada tahun 1947,
W i l l i s E . Lamb and R. C. Rutherford menemukan spektrum emisi dari atom
hidrogen dan dapat di demonstrasikan ke masyarakat.
Pada 1950, Alfred Kastler mengusulkan untuk dilakukan penelitian tentang
“optical Pumping” atau memompa elektron ke daerah yang memiliki energi lagi
lebih tinggi sehingga saat relaksasi elektron akan di keluarkan foton dan hasil
eksperimennya di laporkan 2 tahun kemudian oleh Brossel, Kastler, dan Winter.
16 May 1960, laser pertama berhasil di fungsikan the Hughes Research
Laboratories.
Kemudian seiring berkembangnya zaman dan teknologi laser dimanfaatkan
dalam berbagai bidang kehidupan, salah satunya dalam elektronika. Dalam bidang
eletronik, telekomunikasi dan komunikasi data, laser digunakan sebagai pemancar
dalam komunikasi optik. Laser digunakan untuk menyimpan dan mengambil data
dari cakera padat dan DVD, termasuk juga sebagai cakera magneto-optik. Sinaran
atau cahaya laser (gambar) digunakan untuk kesan visual yang memeriahkan dan
mengiringi konser-konser musik. Selain itu, laser juga banyak digunakan dalam
bidang kesehatan, misalnya untuk operasi mata (lasik).
1
1.2 Rumusan Masalah
Dari uraian latar belakang diatas timbul beberapa uraian masalah sebagai
berikut :
1. Apa sebenarnya definisi laser itu sendiri?
2. Bagaimana bentuk laser dan prinsip kerjanya ?
3. Bagaiamana bisa terjadinya laser?
4. Apa saja jenis-jenis laser dan bagaimana cara kerjanya?
5. Bagaimana aplikasi laser dalam kehidupan sehari-hari?
1.3 Tujuan Makalah
Adapun tujuan penulis membuat makalah ini adalah :
1. Memberikan pengetahuan dan informasi tentang laser
2. Meningkatkan pengetahuan bagi penulis sendiri terhadap laser
3. Mengetahui bagaimana terbentuknya laser dan prinsip kerjanya
4. Mengetahui pemanfaatan laser dalam kehidupan sehari - hari
2
BAB II
DASAR TEORI LASER
2.1 Pengertian Laser
Laser merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation, yaitu terjadinya proses penguatan cahaya oleh emisi
radiasi yang terstimulasi. Kunci timbulnya laser ialah kehadiran atom yag
memiliki satu atau lebih tingkat eksitasi dengan umur 10-3 s atau lebih umur
biasanya yaitu sekitar 10-8 s. keadaan yang berumur relatif panjang seperti itu
disebut
metastabil.
Tiga jenis
transisi
yang berkaitan dengan
radiasi
elektromagnetik mungkin terjadi antara dua tingkat energi E0 dan E1 dari suatu
atom.
2.2 Bentuk Komponen Dasar Laser
Komponen – komponen dasar laser terdiri dari bahan aktif , resonator,
sumber pemompaan . Seperti terlihat pada gambar 2.1 dibawah ini:
Gambar 2.1
skema dasar laser
 Bahan aktif adalah bahan yang digunakan sebagai media penguat berkas
dimana didalam tersebut terdiri dari begitu banyak atom. Bahan yang
digunakan dapat berupa bahan berebentuk padat,cair, dan gas
 Resonator merupakan rongga optik yang terdiri dari dua cermin yaitu
cermin yang merefleksikan secara keseluruhan dan cermin yang
merefleksikan dan mentransmisikan secara sebagian.
 Sumber pemompaan adalah sumber yang digunakan untuk memompa
bahan aktif didalam laser sehingga terjadinya interaksi antara cahaya
3
dengan materi atau atom. Sumber pemompaan yang digunakan dapat
berupa sumber pemompaan optik,listrik, dan reaksi kimia.
2.3 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 :absorpsi, emisi spontan (disebut
fluorensi) dan emisi terstimulasi 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 energy 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 energy 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 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
4
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.
2.4 Interaksi antara cahaya dan materi
Ada tiga prisip interaksi antara cahaya dan materi atau atom yaitu emisi
spontan, absorpsi dan emisi terstimulasi. Interaksi ini terjadi ketika laser ( bahan
akif ) diberi sumber pemompaan.
1. Absorpsi
Absopsi merupakan proses tereksitasinya elektron yang tereksitasi di
tingkatan energi E1 ke tingkatan energi E2. Perhatikan gambar 2.2 dibawah ini:
E2
hυ
E1
Gambar 2.2 proses absorpsi
Kita tinjau dua tingkatan level energi misalnya E1 dan E2 , pada saat keadaan
normal elektron berada pada pada tingkatan energi E1 atau disebut juga keadaan
ground state. Ketika diberikan sumber energi sebesar hυ maka elektron yang akan
tereksitasi atau naik dari tingkatan energi E1 ke E2 akibat adanya perubahan energi
pada elektron yang menyebabkan keadaannya menjadi termal.
2. Emisi spontan
Emisi spontan merupakan proses meluruhnya elektron dari
tingkatan energi E2 ke E1 . perhatikan gambar 2.3 dibawah ini :
5
E2
hυ
E1
Gambar 2.3 proses emisi spontan
Ketika elektron berada pada tingkat energi E2 secara alami elektron tersebut akan
turun ke tingkat energi yang paling rendah dan melepaskan emisi sebesar hυ.
Keadaan elektron seperti ini disebut juga keadaan metastabil.
3. Emsisi terstimulasi
Emisi terstimulasi merupakan adalah proses yang melibatkan
elektron-elektron yang sudah berada di E2 distimulasi/dirangsang oleh foton
yang datang untuk meluruh ke E1, sehingga akan memperkuat energi cahaya
yang datang.
E2
hυ
hυ
hυ
hυ
E1
Gambar 2.4 proses emisi terstimulasi
Kita tinjau tingkat energi E1 dan E2 seperti gambar diatas, ketika elektron berada
pada tingkat tereksitasi, elektron tersebut diberikan energi dari luar agar dapat
turun ke tingkat energi yang paling rendah dan melepaskan emisi sebesar hυ.
Akibat adanya ransangan energi dari luar besarnya energi yang dilepaskan
menjadi lebih besar.
Asumsikan Ni adalah jumlah molekul/atom persatuan volume yang
menduduki tingkat energi ke-i pada waktu t (populasi level-i), maka
probabilitas/kemungkinan terjadinya proses absorpsi dan emisi adalah sebagai
berikut :
(1). Absorpsi
6
Laju transisi polulasi dari tingkatan energi-1 ke tingkatan energi-2 :
( 1.1 )
dengan W12 adalah laju absorpsi yang didefinisikan sebagai :
W F 12 = σ12 F
(1.2)
dimana σ12 adalah penampang absorpsi, dan F adalah fluks foton (cm-2 det-1)
(2). Emisi Spontan
Emisi spontan merupakan laju transisi populasi dari tingkatan energi-2 ke energi-1
(1.3)
dengan A adalah laju emisi spontan atau disebut juga koefisien Einstein (det-1),
dan τsp = A-1 = lifetime emisi spontan (det). Untuk emisi non-radiatif berlaku :
(1.4)
dimana τnr = lifetime emisi spontan (det).
Perbedaan antara emisi spontan dan emisi non-radiatif adalah pada lifetimenya,
dimana nilai τsp hanya bergantung pada transisi tertentu, sedangkan τnr
bergantung pada transisi tertentu dan keadaan media sekelilingnya.
(2). Emisi Terstimulasi
Emisi terstimulasi sama dengan emisi spontan, dimana terjadi laju transisi dari E2
ke E1 :
(1.5)
dengan W21 adalah laju emisi terstimulasi (det-1) yang didefinisikan sebagai :
7
W F 21 = σ21 F
(1.6)
dimana σ21 adalah penampang emisi terstimulasi, dan F adalah fluks foton (cm
-2
det -1).
Proses emisi terstimulasi dicirikan oleh emisi terstimulasi dan absorpsi, dimana
menurut Einstein:
g2W21 = g1W12
g2σ21 = g1 σ12
(1.7)
dengan g1 adalah jumlah degenerasi di tingkatan energi-1, dan g2 adalah jumlah
degenerasi di tingkatan energi E2 .
2.5 Inversi Populasi
Inversi populasi merupakan peristiwa dimana elektron harus lebih banyak
pada tingkat energi yang lebih besar dibandingkan tingakt energi yang lebih
rendah. Agar dapat diproduksi inversi populasi dalam bahan aktif, maka interaksi
antara cahaya dengan material/bahan harus cukup kuat, mungkin dengan
menggunakan lampu berintensitas cukup tinggi pada frekuensi ν = ν0. Karena
pada kesetimbangan termal (N1 / g1) > (N2 g2) , absorpsi lebih dominan daripada
emisi terstimulasi, maka cahayadatang akan lebih banyak menghasilkan transisi
1→2 daripada 2→1, 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 twolevel 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, seperti ditunjukkan pada gambar 2.5
dibawah ini :
8
Gambar 2.5 Skema laser (a). three-level, dan (b). four-level dalam laser
Dalam laser three-level, atom-atom tereksitasi ke tingkatan/level-3,
kemudian meluruh dengan cepat ke level-2, sehingga inversi populasi terjadi
antara level-2 dan level-1, maka terjadilah laser. Dalam laser four-level, atomatom tereksitasi dari keadaan dasar (level-0) ke level-3, kemudian meluruh secara
cepat ke level-2 dan terjadi inversi populasi antara level-2 dan level-1, sehingga
terjadi emisi terstimulasi (laser). Peluruhan cepar dapat terjadi dari level-1 ke
level-0 yang umumnya non-radiatif. Jika dibandingkan antara kedua sistem laser
diatas, maka jelas, bahwa inversi populasi lebih mudah terjadi pada four-level
daripada three-level laser.
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 relative 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
9
antara tingkat metastabil dengan tingkat dasar, ia akan memicu dan mengajak
atom-atom lain di tingkat metastabil untuk kembali ke tingkat dasar.
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.
2.6 Sifat-sifat Berkas Cahaya Laser
Sifat cahaya laser dicirikan oleh monokromatik, koheren, terarah dan
brightness.
1. Monokromatik
Monokromatis artinya hanya satu frekuensi yang dipancarkan. Sifat ini
diakibatkan oleh :
• Hanya satu frekuensi yang dikuatkan [ν = (E2-E1)/h]
• Susunan dua cermin yang membentuk cavity-resonant sehingga osilasi hanya
terjadi pada frekuensi yang sesuai dengan frekuensi cavity.
2. Koheren
(a). Koheren ruang (spatial coherence)
Pandang dua buah titik P1 dan P2 dimana pada waktu t = 0 terletak pada
bidang muka gelombang cahaya/EM yang sama. Andaikan E1(t) dan E2(t) adalah
10
medan-medan listrik pada kedua titik tadi. Pada t = 0 perbedaan fasa kedua medan
ini adalah nol. Jika perbedaan fasa ini dapat dipertahankan pada t > 0, maka
dikatakan koheren ruang sempurna (perfect spatial coherence). Jika titik P1 dan
P2 terletak pada beberapa titik memiliki korelasi fasa yang baik (perbedaan
fasanya kecil), maka disebut koheren ruang sebagian (partial spatial cohenrence).
(b). Koheren waktu (temporal coherence)
Pandang medan listrik suatu gelombang EM pada titik P pada waktu t dan
t + τ. Jika pada sembarang waktu τ yang diberikan, perbedaan fasa antara dua
medan tetap sama seperti pada waktu t, maka dikatakan terjadi koheren waktu
sepanjang waktu τ. Jika hal ini terjadi pada sembarang nilai τ, maka gelombang
EM dikatakan koheren waktu sempurna (perfect temporal coherence). Jika hanya
terjadi untuk waktu delay τ, dimana 0 < τ < τ0, maka gelombang EM dikatakan
koheren waktu sebagian dengan waktu koherense τ0. Contoh suatu gelombang
EM dengan waktu koherensi τ0 ditunjukkan pada Gb. 1.5, dimana medan listrik
mengalami lompatan fasa pada interval waktu τ0.
3. Keterarahan (Directionality)
Merupakan konsekuensi langsung ditempatkannya bahan aktif dalam
cavity resonant, dimana hanya gelombang yang merambat dalam arah yang tegak
lurus terhadap cermin-cermin yang dapat dipertahankan dalam cavity.
(a). Kasus koheren ruang sempurna
Pada jarak tertentu masih terjadi divergensi akibat difraksi seperti
ditunjukkan pada Gb 2.6 dibawah ini :
Gambar 2.6 Difraksi berkas cahaya laser untuk kasus koheren ruang
sempurna.
11
BAB III
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 3.1 Diagram tingkat energi kristal rubi
Laser ini dihasilkan melalui transisi atom dari tingkat metastabil ke tingkat
energy 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
12
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 besarbesaran 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
pancaranspontan 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.
Gambar 3.2 Skema sebuah laser rubi
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
13
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 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. 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 helium-neon, banyak dipakai
sebagai peralatan laboratorium dan pembaca harga di pasar sawalayan.
14
Laser yang dihasilkan berada di spektrum tampak berwarna merah (6328
A° ). Laser helium-neon ini merupakan laser gas yang pertama, 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 1S0 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 3.3 Diagram tingkat energi He dan Ne
15
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.
Gambar 3.4 Sistem laser gas
16
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 (Lincoln Lab, MIT), M.I. Nathan (Yorktown Heights, IBM) dan R.N.
Hall (General Electric Research Lab.). Dioda -dioda
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
17
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 3.5 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 pitakonduksi 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.
18
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 difusiinilah yang menyebabkan
besarnya rapat arus listrik yang dibutuhkan dalam proses kerja laser
semikonduktor. Tetapi besarnya rapat arus listrik ini dapat diturunkan dengan cara
membatasi gerakan elektron yang diinjeksikan itu disuatu daerah yang sempit,
agar dilakukan dengan cara membuat sambungan mereka tidak berdifusi kemanamana.
Hal ini dapat 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 dibawah ini :
Gambar 3.6 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
19
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.
BAB IV
20
PENUTUP
4.1. Kesimpulan
Dari penjelasan sebelumnya tentang laser maka dapat diambil beberapa
kesimpulan sebagai berikut:

Laser merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation, yaitu terjadinya proses penguatan cahaya oleh
emisi radiasi yang terstimulasi.

Komponen – komponen dasar laser terdiri dari bahan aktif , resonator dan
sumber pemompaan.

Ada tiga prisip interaksi antara cahaya dan materi atau atom yaitu emisi
spontan, absorpsi dan emisi terstimulasi.

Laser terjadi pada proses emisi terstimulasi karena adanya rangsangan
elektron dari luar yang menyebabkan emisi radiasi elektron yang
dikeluarkan lebih banyak.

Agar terjadinya laser elektron harus lebih banyak pada tingkatan level
energi dua dan tiga atau disebut juga inversi populasi.

Sifat cahaya laser yang dihasilkan adalah monokromatik, koheren dan
keterarahannya tinggi.

Tipe-tipe laser antara lain : laser yang dipompa optis, laser rubi dan laser
semikonduktor.
4.2 . Saran
Diharapkan makalah ini dapat bermanfaat bagi yang membaca terutama
bagi penulis sendiri. Dan dengan adanya makalah ini bisa membantu memberikan
informasi dan pengetahuan sekilas tentang laser bagi mereka yang berminat
tentang laser.
21
DAFTAR PUSTAKA
B.E.A. Saleh, and M.C. Teich, “ Fundamentals of Photonics”, John Wiley & Sons
Inc., NY, 1991.
Carroll, J.M. 1970. The Story of the LASER. FP Dutton & Co, Inc
O. Svelto,”Principle of Lasers ; 4th Edition”, Plenum Press, New York, 1998.
W. Koechner, “Solid-State Laser Engineering”, Springer Verlag, Berlin 1999
22