Laser OptikChapter 4

Politeknik Negeri Madiun

* 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 mengenai atom-atom gas yang ditempatkan dalam medan listrik. Ternyata atom-atom tersebut memancarkan cahaya yang bila dilewatkan celah sempit menghasilkan sederetan garis diskrit dari berbagai warna atau panjang gelombang . Johann Balmer tahun 1885 merumuskan persamaan dari empat garis nampak dalam spektrum atom hidrogen dan disebut deret Balmer sebagai berikut:

* ..(01)

R = 1.0974 x 10 7 m - 1 = konstanta Rydberg Deretan diatas meliputi panjang gelombang 656nm, 486nm, 434 nm , dan 410nm. Kemudian deretan Balmer ini diperluas dengan . panjang gelombang 365 nm. Percobaan-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 .

* 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 mengelilingi 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

* 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 energinyah f = EI - EF . h = konstanta Planck , f = frekuensi . EI = energi lintasan awal , EF = energi lintasan akhirElektron-elektron mempunyai momentum anguler yang terkuantiasi : L = m v rn = n h/2 , n = 1 , 2 , 3 , .. rn = jejari lintasan ke n

* 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)

* 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)

* Untruk n = 1 disebut keadaan ground state :

..(05) Untuk n = 2 maka : E2 = 3.40 eV Untuk n = 3 maka : E3 = 1.51 eV

Gambar F Menurut Ludwig Boltzman ,dalam keadaan kesetimbangan termal . untuk system yang mempunyai dua tingkat energi , maka banyaknya keadaan yang mempunyai tingkat energi tertentu adalah :*

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 panjang gelombang 632.8 nm.dan mempunyai daya keluaran sebesar 2 mW Berapakah jumlah foton per detik yang bersesuaian dengan ini.

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

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 dilepaskan 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 :*

Kondisi ambang Panjang rongga resonator (L), agar terbentuk gelombang stasioner maka : L = m [ / 2] = panjang gelombang cahaya m = 1 , 2 , . Frekuensi resonansi : fm = m [C / 2L] C = kecepatan cahaya Beda frekuensi antara ragam getaran : f = C / 2L *

Tabel A *

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

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 .

*