LASER(LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED

EMISSION OF RADIATION)INTERAKSI CAHAYA DENGAN

MATERIAL

1 . ABS O R PS I , EM I SI SP O N T AN D AN EM I SI T E R S T I M UL ASI

Pandang suatu sistem dengan dua-tingkatan energi E1 dan E2 (E2 > E1)

E2h

h h h h h

E1

(a). absorpsi(b). emisi spontan(c). emisi terstimulasi

Frekuensi cahaya yang dipancarkan:

E 2 E 1 21 h

h = konstanta Planck

= 6,626 x 10-34 J.s

1. A b s o r p si : tereksitasinya elektron dari E1 ke E2 akibat penyerapan foton dengan energi h > (E2 - E1)

2. Em i si s pon t a n : peluruhan elektron dari E2 ke E1

Emisi radiatif (memancarkan foton dengan energi = E2 – E1) Emisi non-radiatif ( tidak memancarkan foton)

3. Em i si t e rs t i m ula si : elektron yang sudah berada di E2 distimulasi oleh foton yang datang untuk meluruh ke E1 sehingga akan memperkuat energi cahaya yang datang (amplification by stimulatedemission of radiation)

Contoh : Bagaimana Laser Rubi bekerja ?

1. Keadaan tidak lasing 2. Cahaya yang mengenai kristal Rubi menyebabkan eksitasi atom

3. Beberapa atom mengemisi foton atau cahaya

5. Foton yang sefasa, monokromatis akan keluar dari cermin menghasilkan cahaya laser4. 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

1. Kasu s Ab so rp siN1, E1

Laju transisi 1 2 W12 = laju absorpsi

= 12 F dN 1 W12 N1 dt a

12 = penampang absorpsi

F = fluks foton (cm-2 det-1)2. Kasus Emisi Spontan

Laju transisi 2 1 A = laju emisi spontan/koef. Einstein (det-1)

= A-1 = lifetime emisi spontan (det) d N 2 AN 2N 2

sp

dtsp sp

Peluruhan non-radiatif:

nr = lifetime emisi non-radiatif (det) dN 2

dtN 2

nr nr

Apa perbedaan dari emisi radiatif (spontan) dan non-radiatif ?

sp hanya bergantung pada transisi tertentu, sedangkan nr bergantung pada transisi tertentu dan keadaan media sekelilingnya.

3. Kasus Emisi Terstimulasi

Laju transisi 2 1 W21 = laju emisi terstimulasi (det-1)

= 21 F d N 2

W21N2 dtst21 = penampang emisi terstimulasi

Proses emisi terstimulasi dicirikan oleh emisi terstimulasi dan absorpsi.

Menurut Einstein:

g2W21g1W12

g2 21

g1 12

g1 = jumlah degenerasi di tingkatan

energi -1 g2 = jumlah degenerasi di

tingkatan energi -2

IDE DASAR DARI LASER (Proses emisi terstimulasi)

dz

2 N2, E2

F F + dF

1 N1, E1

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 dFW21N 2

W12

S dF

W21

21Fg1 W12g2

S dF

W21N 2

W12

S dF

dN1 dN2

S dzSE :dN2 W21N2

dt

dt

dt

spa sp

Abs : dN 1 W N g

dt a

12 1

dF 21FN 2

2 N1 dz g1

..(1)

Arti fisis dari pers…(1)

• Bahan bersifat peng u a t ( a m p l i f ie r) jika:

d F Inversi populasi0 maka dz

N 2 N1

• Bahan bersifat pen y e r a p ( ab s o r be r) jika:

dF 0 maka dzN 2 N1

Bahan aktif untuk laser adalah bahan yang memiliki inversi populasi.

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-1bahan aktifcermin-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 four- level

pumping

fast decay

2

laserfast decay

2pumping laser

1

1 (a)

(b)fast decay

0

Skema laser (a). three-level, dan (b). four-level

Sifat-sifat cahaya LASERSifat 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 [ = (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. Koh eren ru an g yan g se mpu rn a

Pada jarak tertentu masih terjadi divergensi akibat difraksi

d

D layar

Prinsip Huyghens : muka-muka gelombang pada layar dapat diperoleh akibat superposisi dari gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap titik di apertur D

= panjang gelombang

D = diameter berkas/celah

D = koefisien numerik

Suatu berkas cahaya dimana divergensinya dapat diungkapkan dalam bentuk d

d

diatas disebut di ff r a c t io n l i m i t ed .

C . 2 . K oh ere n r u a n g p ars i a l

Divergensi lebih besar daripada nilai minimum untuk difraksi

Sc = luas koherensi yang berperilaku sebagai apertur

Sc 1/ 2

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.

Daya yang dipancarkan dP oleh

O’ permukaan luas dS ke sudut ruang d di sekitar titik OO’:

ddP B cos

OdS d

Faktor cos 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

Bila B merupakan suatu konstanta, maka sumber cahaya dikatakan isotropik(sumber Lambertian)

O’

n D

n

O

dS

Berkas laser dengan daya P mempunyai diameter berkas D dan divergensi (biasanya

<<), maka cos 1

Luas berkas: D D 2A

4Sudut emisi: 2

dP 4PMaka brightness:

Bcos

dS d D 2

Bila berkas adalah limit difraksi = D, maka brightness maksimum:2

B 2

P

Brightness merupakan parameter yang sangat penting. Secara umum brightness dari sumber cahaya:

Ip

d

Ip NA 2 B4

NA = numerical apertur dari lensa.

NA sin tan1

DL F

DL

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 LASERBerdasarkan 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 :

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/cm2).Berbahaya jika dilihat dari berbagai kondisi (langsung atauyang terhambur) dan berpotensi menyebabkan kebakaran atau membakar kulit.Laser ini memerlukan penanganan khusus.