Dasar–dasar laser Pertemuan 13

2. Dasar–dasar laser Pertemuan 13 Matakuliah : K0252 / Fisika Dasar II Tahun : 2007

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: 3

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 …. 4

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 …… 5

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 6

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) 7

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) 8

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 9

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 10

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 11

12. 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

13. Gambar E 13

14. 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

15. ▪ 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

16. 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 : 16

17. 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

18. 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

19. • 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

20. • 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 . : b C a d e 20

21. 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

22. Tabel A 22

23. ▪ 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

24. SUKSES SELALU Sampai Jumpa 24