Dasar–dasar laser Pertemuan 13

Matakuliah : K0252 / Fisika Dasar II Tahun : 2007

Bina Nusantara 3

1. LASER . LASER merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated .. Emission of Radiation . Pembahasan dalam pertemuan terakhir ini . akan meliputi atom Bohr , tingkat energi , asal usul LASER , interaksi . antara materi - cahaya , medium aktif , populasi inversi , keadaan . metastabil , pemompaan optik , rongga osilator , prinsip kerja laser . dan macam-macam LASER serta kegunaannya.

– Atom Bohr . Akhir abad 18 banyak percobaan yang dilakukan para ahli menge- . nai atom-atom gas yang ditempatkan dalam medan listrik . . Ternyata atom-atom tersebut memancarkan cahaya yang bila dile- . . watkan celah sempit menghasilkan sederetan garis diskrit dari . berbagai warna atau panjang gelombang . Johann Balmer tahun . 1885 merumuskan persamaan dart empat garis nampak dalam . spektrum atom hidrogen dan disebut deret Balmer sebagai berikut:

Bina Nusantara 4

…………..(01)

R = 1.0974 x 10 – 7 m - 1 = konstanta Rydberg

Deretan diatas meliputi panjang gelombang 656 nm , 486 nm , 434 . nm , dan 410 nm . Kemudian deretan Balmer ini diperluas dengan . panjang gelombang 365 nm . Percabaaan-percobaan kemudian . menunjukkan bahwa selain garis spektrum di atas terdapat pula . perluasan di daerah ultra violet dan infra merah . Perluasan di daerah . ultra violet memberikan deret Lyman yang terdiri atas panjang . gelombang 91 nm dan 122 nm dan memenuhi persamaan :

. Sedangkan untuk daerah infra merah memberikan deret Paschen ….

2 2

1 1 1 ; n = 3 , 4 , 5 , 6

2R

n

2 2

1 1 1 ; n = 2 , 3 , ....

1R

n

Bina Nusantara 5

sebagai berikut :

Untuk dapat menerangkan adanya spektrum tersebut di atas maka . dikemukakanlah model atom Thomson (model roti kismis); dimana . atom terdiri atas inti yang bermuatan positif dan elektron-elektron . bermuatan negatif tersebar didalamnya seperti roti kismis , Jumlah . muatan inti sama dengan jumlah muatan elektron . . Berdasarkan percobaan dari Ernest Rutherford (1911) ternyata . model ini tidak memberikan hasil yang diharapkan sehingga ditolak . . Rutherford mengemukakan teori bahwa atom terdiri atas inti atom . bermuatan positif dan elektron-elektron bermuatan negatif mengeli . -lingi inti atom seperti halnya planet-planet mengelilingi matahari . . Namun teori ini tidak dapat menjelaskan terjadinya radiasi cahaya . . Model atom Rutherford kemudian direvisi oleh Bohr dengan ……

2 2

1 1 1 ; n = 4 , 5 , ......

3R

n

Bina Nusantara 6

dengan mempostulatkan hal-hal berikut : . * Elektron-elektron mengelilingi inti dalam lintasan-lintasan tertentu . * Elektron di setiap lintasan mempunyai energi tertentu dan tidak . memancarkan cahaya (keadaan stasioner). Pemancaran cahaya . terjadi hanya bila suatu keadaan stasioner berpindah ke keadaan . stasioner lain yang lebih rendah energinya .

h f = EI - EF . h = konstanta Planck , f = frekuensi . EI = energi lintasan awal , EF = energi lintasan akhir

* Elektron-elektron mempunyai momentum anguler yang terkuanti- . asi :

L = m v rn = n h/2π , n = 1 , 2 , 3 , ……..

rn = jejari lintasan ke n

Bina Nusantara 7

Elektron yang bergerak mengelilingi inti dengan jejari rn akan . mengalami gaya sentripetal dan karena inti dan elektron bermuatan . berlawanan maka akan ada gaya Coulumb:

Z = jumlah muatan positif inti atom (= proton) , . untuk atom hidrogen Z = 1 . Menurut hukum Newton :

F = m a →

……………….(02)

2

0

1 ; tan int

4C

Ze eF Ze mua i positif

t

2

20

20

1 2

1 =

4

h =

m e

n

Ze em v

r t

r

Bina Nusantara 8

m = massa elektron = 0.11 x 10 – 31 kg , h = 6.626 x 10 – 34 J s . e = muatan elektron = 1.6 x 19 – 19

C

r1 = 0.529 x 10 – 10 m →

r n = n2 r1 ………….(03)

Tenaga potensial elektron :

U = q V = – e V

– Tingkat energi . Tenaga total En dari elektron dalam lintasan rn :

……….(04)

2

20

1 e

4 r

ZU

2 2 42

2 2 2 20 0

1 1 1

2 4 8n n

Ze Z e mE mv E

r h n

Bina Nusantara 9

Untruk n = 1 disebut keadaan ground state :

…………..(05)

Untuk n = 2 maka :

E2 = – 3.40 eV

Untuk n = 3 maka :

E3 = – 1.51 eV

2 418

1 2 20

2.17 10 13.6 8

e mE x J eV

h

2

13.6 eV

nnE

2

12nn

ZE E

Bina Nusantara 10

▪ Interaksi Cahaya Materi . Prinsip dasar dari pada Laser adalah : adanya emisi terstimulasi . dan keadaan metastabil dari bahan laser . Atom-atom selalu berada dalam keadaan bergetar, bertranslasi dan . berotasi . Pada umumnya atom-atom berada dalam keadaan tingkat . energi terendah (=ground state) dan bila padanya disuplai energi . yang cukup maka atom-atom akan menyerap energi tersebut dan . beralih ke tingkat energi yang lebih tinggi ; yang disebut tingkat . terexitasi (-excited states) seperti Gambar A , tetapi keberadaan . nya pada tingkat ini berlangsung hanya 10-

8 sekon lalu kembali lagi . ke ground state sambil melepaskan cahaya (foton) , Gambar B :

Gambar A Gambar B

Bina Nusantara 11

Emisi cahaya yang demikian disebut emisi spontan

Gambar C memperlihatkan simulasi dari emisi spontan yaitu atom . berada dalam keadaan ground state menyerap energi (foton) dan . atom naik tingkat energinya tapi kemudian memancarkan lagi foton . yang diserap sehingga 1 foton masuk dan keluar lagi satu foton . sehingga tidak ada amplikasi . Gambar D atom yang berada dalam . keadaan terexitasi sebelum terjadi proses emisi spontan disentil . dengan sebuah foton sehingga segera kembali ke ground state . dengan memancarkan dua foton , berarti terjadi amplifikasi foton ; . yang masuk satu dan yang keluar dua

Gambar C Gambar D

Bina Nusantara

Ke dua foton yang dipancarkan berfase sama sehingga akan terda- . pat kesamaan fase antara foton-foton yang dipancarkan dari atom- . atom lain (semua foton saling koheren ). . Pada umumnya atom-atom pada suhu kamar berada dalam kea- . daan ground state sehingga yang dominan adalah absorbsi . Agar . yang dominan emisi terangsang perlu diusahakan atom-atom lebih . banyak berada dalam keadaan terexitasi . Keadaan yang demikian . ini disebut populasi inversi

▪ Populasi Innversi Salah satu bahan yang mudah dilakukan populasi inversi adalah

. rubium (batu mrah delima ) yang berbentuk kristal Al2 O3 dimana . sebagian ion Al 3 + telah di isi oleh ion Cr 3 + yang menjadikan ruby . berwarna merah delima . Gambar E adalah diagram tingkat energ . ion-ion . Cahaya yang dipergunakan adalah cahaya lampu tabung . gas xenon .Spektrum daerah hijau dan biru lampu xenon diserap . oleh atom-atom krom sehingga tingkat energi elektron-elektron……

12

Bina Nusantara

Gambar E 13

Bina Nusantara

naik ke tingkat ban energi F . Elektron-elektron pada ban energi F . segera mengalami emisi spontan ,turun ke tingkat energi metastabil . E. Panas yang dipancarkan diserap sebagai panas oleh atom-atom . ruby . Keadaan metastabil E bertahan selama 4 x 10 – 3 sekon . Secara bertahap akan terjadi emisi spontan dari tingkat energi E ke . ground state sambil memancarkan foton berpanjang gelombang . 649.3 nmn ,foton-foton ini mengenai ion-ion krom yang lain .sehing- . ga secara beruntun akan menghasilkan pelipat gandaan foton . seperti pada Gambar F .

Gambar F

14

Bina Nusantara

▪ Pemompaan optik (Optical pumping)

Salah satu cara untuk memperoleh populasi inversi .Cahaya luar . digunakan untuk mengexitasi atom-atom medium aktif ke tingkat . Energi lebih tinggi (lebih tinggi dari tingkat metastabil) yang kemu- . dian meluruh secara spontan ke tingkat metastabil

▪ Rongga osilator (Resonator cavity) Rongga resonator adalah alat untuk meningkatkan

populasi inversi . serta menyelaraskan semua foton hasil eksitasi stimulasi agar . searah dan berfrekuensi sama serta fase yang sama, Pada kedua . ujungnya terdapat cermin , yang satu cermin penuh ,yang lainnya . cermin setengah tembus cahaya

Semua foton yang tidak koaksial dengan sumbu resonator akan . terhilang Medium aktif berada dalam resonator seperti yang . terdapat dalam Gambar G 15

Bina Nusantara

Gambar F ▪ Menurut Ludwig Boltzman ,dalam keadaan

kesetimbangan termal . untuk system yang mempunyai dua tingkat energi , maka banyak- . nya keadaan yang mempunyai tingkat energi tertentu adalah :

kTE

Cn Xx exp

16

Bina Nusantara

dimana nx adalah jumlah keadaan Ex adalah tingkat energi T = suhu dalam 0K k = konstanta Boltzman

= 8.62 x 10-5 eV/ 0K .mol Perbandingan antara dua keadaan dapat dinyatakan

sebagai . berikut :

……………….(06)

Contoh 1:. Sebuah laser He-Ne memancarkan radiasi pada pan- . . jang gelombang 632.8 nm.dan mempunyai daya kelua- . ran sebesar 2 mW ..Berapakah jumlah foton per detik . yang bersesuaian dengan ini.

Jawaban : E = N h f , N = jumlah foton 17

kTEE

nn 1212 exp

Bina Nusantara

N = 6.4 x 1018 foton/s

Contoh 2 : Sebuah laser batu delima memancarkan cahaya pada . . . panjang gelombang 694.4 nm. Bila sebuah pulsa laser . . ,, dipancarkan selama 10 – 1 1 det dan energi yang dilepas . -kan per pulsa adalah 0.15 J , berapakah : . a). Jarak ruang dari pulsa , . b). Jumlah foton dalam setiap pulsa Jawaban : . a). Jarak ruang dari pulsa = kecepatan cahaya x waktu . = 3 x 108 m/s x 10-11 s . = 3 mm . b). Jumlah foton adalah :

18

))108.632/(det)/103((det1063.6

)/det)/(()/10(29834

3

mxmxxJx

WJxmmWxN

Bina Nusantara

• Kondisi ambang Panjang rongga resonator (L), agar terbentuk gelombang

stasioner maka : L = m [λ / 2] λ = panjang gelombang cahaya m = 1 , 2 , …. Frekuensi resonansi : fm = m [C / 2L] C = kecepatan cahaya Beda frekuensi antara ragam getaran : ∆ f = C / 2L

19

34 8 9

17

0.15

6.63 10 .det ((3 10 / det) /(694.4 10 ))

5.23 10

JN

x J x x m x m

x foton

Bina Nusantara

• Prinsip kerja laser

Cahaya yang diradiasikan saat electron/atom pindah dari tingkat . energi metastabil ke tingkat energi lebih rendah, dibuat melintasi . suatu medium aktif berulang kali dalam suatu rongga resonator . yang di kedua ujungnya terdapat cermin seperti tergambar dalam . Gambar G . :

20

d

b Ca

e

Bina Nusantara

Gambar G – a : Medium aktif (ruby) berada dalam rongga osilator

Gambar G – b : Medium aktif disinari dengan cahaya (optical . pumping)

Gambar G – c : Medium memancarkan cahaya oleh emisi . . terangsang

Gambar G – d : Foton-foton yang searah sumbu osilator terpantul . bolak balik oleh cermin menyebabkan atom-atom . lain tereksitasi dan memperbanyak foton yang . searah sumbu osilator

Gambar G – e : Cahaya monokromatik berfase sama(sinar laser . keluar dari cermin setengah

Sifat sinar laser yang menguntungkan : - Cahaya yang koheren dan hampir monokromatik - Berkas sinar laser hampir tidak menyebar dan intensitasnya

. sangat tinggi 21

Bina Nusantara

Tabel A

22

Tipe Laser (Gas)

Panjang Gelombang (nm)

Argon fluoride (UV) 93

Krypton fluoride (UV)

248

Xenon chloride (UV 308

Nitrogen (UV) 337

Argon (blue) 488

Argon (green) 514

Helium neon (green)

543

Helium neon (red) 633

Bina Nusantara

▪ Macam-macam Laser - Laser gas Contoh : Laser gas CO2 dan laser helium-neon (lihat

Tabel A) - Laser zat padat Contoh : Laser Ruby , laser GaAs

▪ Aplikasi Laser - Peralatan presisi - Bidang kedokteran (pisau operasi,sebagai ) - Fiber optics (penghantar gelombang elektromagnetik ) - Persenjataan perang dan lain-lain .

23

Bina Nusantara

24