Bab-1. Laser

LASER(LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATEDEMISSION OF RADIATION)

INTERAKSI CAHAYA DENGAN MATERIAL1. ABSORPSI, EMISI SPONTAN DAN EMISI TERSTIMULASIPandang suatu sistem dengan dua-tingkatan energi E 1dan E 2(E 2> E 1)E 2hν hν hνhνhνhνE 1(a). absorpsi(b). emisi spontan(c). emisi terstimulasiFrekuensi cahaya yang dipancarkan:ν21=E21− Ehh = konstanta Planck= 6,626 x 10 -34 J.s

1. Absorpsi : tereksitasinya elektron dari E 1ke E 2akibat penyerapan fotondengan energi hν > (E 2- E 1)2. Emisi spontan : peluruhan elektron dari E 2ke E 1♦ Emisi radiatif (memancarkan foton dengan energi = E 2– E 1)♦ Emisi non-radiatif ( tidak memancarkan foton)3. Emisi terstimulasi : elektron yang sudah berada di E 2distimulasi oleh foton yangdatang untuk meluruh ke E 1sehingga akan memperkuatenergi cahaya yang datang (amplification by stimulatedemission of radiation)

Contoh : Bagaimana Laser Rubi bekerja ?1. Keadaan tidak lasing 2. Cahaya yang mengenai kristal Rubimenyebabkan eksitasi atom3. Beberapa atom mengemisi fotonatau cahaya5. Foton yang sefasa, monokromatis akan keluardari cermin menghasilkan cahaya laser4. Beberapa foton bergerak sejajar dengansumbu kristal Rubi dan dipantulkan olehcermin, sehingga menstimulasi emisi olehatom lain

Bagaimana probabilitas absorpsi dan emisi ?Assumsikan Ni adalah jumlah molekul/atom persatuan volume yang mendudukitingkat energi ke-i pada waktu t (populasi level-i)2N 2, E 21N 1, E 11. Kasus AbsorpsiLaju transisi 1 → 2⎛⎜⎝dNdt⎞1⎟ = −W12N1⎠aW 12= laju absorpsi= σ 12Fσ 12= penampang absorpsiF = fluks foton (cm -2 det -1 )

2. Kasus Emisi SpontanLaju transisi 2 → 1 A = laju emisi spontan/koef. Einstein (det -1 )⎛⎜⎝dNdt2 ⎞N2⎟ = −AN2= −⎠spτspτ sp= A -1 = lifetime emisi spontan (det)Peluruhan non-radiatif:⎛⎜⎝dNdt2 ⎞ N2⎟⎠nr= −τnrτ nr= lifetime emisi non-radiatif (det)Apa perbedaan dari emisi radiatif (spontan) dan non-radiatif ?τ sphanya bergantung pada transisi tertentu, sedangkan τ nrbergantungpada transisi tertentu dan keadaan media sekelilingnya.

3. Kasus Emisi TerstimulasiLaju transisi 2 → 1 W 21= laju emisi terstimulasi (det -1 )⎛⎜⎝dNdt⎞2⎟ = −W21N2⎠st= σ 21Fσ 21= penampang emisi terstimulasiProses emisi terstimulasi dicirikan oleh emisi terstimulasi dan absorpsi.Menurut Einstein:g22W2121gg11Wg 1= jumlah degenerasi di tingkatan energi -1g 2= jumlah degenerasi di tingkatan energi -2gσ==σ1212

IDE DASAR DARI LASER (Proses emisi terstimulasi)dz2N 2, E 2FF + dF1N 1, E 1Bila foton yang datang mempunyai penampang lintang S, maka perbedaan fotonyang datang dan yang keluar dari daerah dz adalah SdF.S dF = perbedaan emisi spontan dan absorpsi di daerah dz persatuan waktu( W N W ) SdFSdF= 21 2 − 12Sumbu-zBila suatu foton datang dengan fluks F ke dalam bahan, maka akan terjadiperubahan fluks sebesar dF akibat absorpsi dan emisi terstimulasi

W121 = σ21F= W12SdF = ( W21N2 − W12)g2SE :Abs :⎛ dN⎜⎝ dt2⎛ dN⎜⎝ dt1⎞⎟⎠⎞⎟⎠spag= −W= −W1221NN12⎪⎧⎛ dN= ⎨⎜⎪⎩ ⎝ dt1⎞⎟⎠a⎛− ⎜⎝dNdtSdF2⎞⎟⎠sp⎪⎫⎬Sdz⎪⎭⎡ g ⎤2dF = σ21F⎢N2− N1⎥ dz⎣ g1⎦..(1)Arti fisis dari pers…(1)• Bahan bersifat penguat (amplifier) jika:dFdz> 0 maka N 2 > N 1Inversi populasi• Bahan bersifat penyerap (absorber) jika:dFdz< 0makaN 2 < N 1Bahan aktif untuk laser adalah bahan yang memiliki inversi populasi.

Komponen Dasar dari LASERUntuk membuat suatu osilator dari amplifier, maka diperlukan suatu feedback positifyang sesuai. Dalam kasus Laser, feedback diperoleh dengan menempatkan bahanaktif diantara dua cermin pemantul (reflecting mirrors), seperti cermin bidang yangsejajaroutputcermin-1bahan aktifcermin-2Gelombang EM menjalar dalam arah yang tegak lurus dari cermin, sehinggaterjadi pemantulan oleh kedua cermin, dan dikuatkan pada setiap lintasan melaluibahan aktif. Jika cermin-2 dibuat transparan sebagian, maka berkas cahayaoutput akan diperoleh dari cermin-2.

• Agar terjadi emisi terstimulasi, maka harus ada inversi populasi.• Pada kesetimbangan termal, absorpsi lebih dominan daripada emisiterstimulasi, sehingga diharapkan akan terjadi inversi populasi. Namunkenyataannya tidak pernah terjadi (setidaknya pada kasus steady state).• Jika g 2N 2= g 1N 1, proses absorpsi dan emisi terstimulasi salingmengkompensasi, sehingga material menjadi transparan. Keadaan ini disebuttwo-level saturation.• Populasi inversi tidak akan pernah bisa dihasilkan oleh material dengan duatingkatan energi (two-level).• Agar terjadi inversi populasi, maka harus dilakukan pada three-level atau fourlevelpumpingfast decay2pumpingfast decay2laserlaser1fast decay10(a)(b)Skema laser (a). three-level, dan (b). four-level

Sifat-sifat cahaya LASERSifat cahaya laser dicirikan oleh monokromatis, koheren, terarah dan brightnessA. MonokromatisMonokromatis artinya hanya satu frekuensi yang dipancarkan. Sifat inidiakibatkan oleh:1. Hanya satu frekuensi yang dikuatkan [ν = (E 2-E 1)/h]2. Susunan dua cermin yang membentuk cavity-resonant sehingga osilasiterjadi hanya pada frekuensi yang sesuai dengan frekuensi cavity.B. KoherenB.1. Koheren ruang (spatial coherence)B.2. Koheren waktu (temporal coherence)

C. Keterarahan (directionality)Merupakan konsekuensi langsung ditempatkannya bahan aktif dalam cavityresonant.Hanya gelombang yang merambat dalam arah yang tegak lurus terhadapcermin2 yang dapat dipertahankan dalam cavity.C.1. Koheren ruang yang sempurnaPada jarak tertentu masih terjadi divergensi akibat difraksiθ dDlayar

Prinsip Huyghens : muka-muka gelombang pada layar dapat diperoleh akibatsuperposisi dari gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap titik di apertur Dθd=βλDλ = panjang gelombangD = diameter berkas/celahβ = koefisien numerikSuatu berkas cahaya dimana divergensinya dapat diungkapkan dalam bentuk θ ddiatas disebut diffraction limited.C.2. Koheren ruang parsialDivergensi lebih besar daripada nilai minimum untuk difraksiθ =βλ( Sc) 1/ 2Sc = luas koherensi yang berperilaku sebagai aperturbatas terjadinya superposisi koheren dari waveletselementer.Kesimpulan: berkas output laser harus dibuat dalam batas difraksi (diffractionlimited)

D. BrightnessBrightness suatu sumber cahaya didefinisikan sebagai daya yang dipancarkanpersatuan luas permukaan persatuan sudut ruang.Oθn rdΩO’Daya yang dipancarkan dP olehpermukaan luas dS ke sudut ruangdΩ di sekitar titik OO’:dP = BcosθdSdΩFaktor cos θ secara fisis merupakan proyeksi dS para bidang ortogonal terhadaparah OO’.B adalah brightness sumber pada titik O dalam arah OO’. Besaran ini bergantungpada koordinat θ.Bila B merupakan suatu konstanta, maka sumber cahaya dikatakan isotropik(sumber Lambertian)

θn rO’DθOdSBerkas laser dengan daya P mempunyaidiameter berkas D dan divergensi θ (biasanyaθ

Brightness merupakan parameter yang sangat penting. Secara umum brightnessdari sumber cahaya:IpdIpπ42( NA) B= NA = numerical apertur dari lensa.⎡NA = sin⎢tan⎣DL≈f−1⎛⎜⎝DFD L= diameter lensaf = fokus lensaL⎞⎤⎟⎥⎠⎦

Suatu berkas laser bahkan dengan daya yang sedang (mW) mempunyaibrightness beberapa orde yang lebih tinggi dibandingkan dengan sumbercahaya 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 bahanaktifnya terdiri dari elektron-elektron bebas dengan bergerakmelewati susunan medan magnet yang periodik.♦ Berdasarkan panjang gelombang yang dipancarkan :UV laser, visible, infra-merah♦ Berdarkan durasi berkas cahaya: kontinu dan pulsa

Klasifikasi LASERLASER diklasifikasikan kedalam 4-kelas berdasarkan pada potensi kerusakanorgan biologi. Class I : Tidak berbahaya. Class I.A. : Laser ini tidak boleh langsung mengenai mata (scanner disupermarket). Batas atas dayanya 4.0 mW. Class II : Laser cahaya tampak berdaya rendah.Daya maksimum 1 mW. Class IIIA : Laser berdaya sedang (cw: 1-5 mW), yang hanya berbahayajika mengenai mata secara langsung.(contoh : laser pointer). Class IIIB : Laser berdaya sedang. Class IV : Laser berdaya tinggi (cw: 500 mW, pulsed: 10 J/cm 2 ).Berbahaya jika dilihat dari berbagai kondisi (langsung atauyang terhambur) dan berpotensi menyebabkan kebakaranatau membakar kulit.Laser ini memerlukan penanganan khusus.