08 Agustus 2015

Bagaimana Cara Kerja Laser?

Ads by Google

Mungkin banyak di antara kita yang sudah mengetahui tentang laser. Dalam film-film fiksi ilmiah, teknologi laser sering sekali tampil dalam persenjataan. Jika Anda pernah mengikuti pelajaran fisika dan melakukan praktikum di laboratorium fisika modern, mungkin Anda pernah bekerja dengan laser. Pada pointer untuk presentasi biasanya juga menggunakan laser. Teknologi laser ini memang banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari kita.

Dalam pemutar CD di rumah-rumah kita ada teknologi laser, dokter gigi menggunakan laser dalam pekerjaan mereka, dokter bedah mata menggunakan laser dalam pembedahan yang mereka lakukan. Tetapi apakah laser itu sebenarnya? Apakah yang membuat berkas sinar laser berbeda dengan berkas cahaya biasa? Atau apa yang membedakan sinar laser dengan jenis sinar lainnya?

Dalam tulisan ini, kita akan mencoba mengenali secara lebih mendalam tentang apa laser itu sebenarnya, beberapa jenis laser, dan dalam hal apa saja laser digunakan. Pertama-tama, mari kita pelajari hal-hal mendasar dari teknologi laser ini, yaitu tentang atom.

Dasar-dasar Atom


Terdapat sekitar 100 jenis atom yang berbeda-beda dalam seluruh galaksi ini. Segala sesuatu yang tampak bagi kita disusun oleh ke-100 atom-atom ini dalam berbagai macam kombinasi yang jumlahnya tak terbatas. Bagaimana atom-atom ini tersusun dan berikatan satu sama lain akan menentukan apakah atom-atom tersebut membentuk segelas air, sekeping logam, atau desis dari kaleng soda yang Anda minum.

Atom-atom bergerak secara terus menerus. Atom-atom senantiasa bergetar tanpa henti, bergerak dan berotasi. Bahkan atom-atom penyusun kursi yang sedang kita duduki. Benda-benda padat, meski kelihatan diam, bagian dalamnya (atom-atomnya) sungguh sangat sibuk dalam gerakannya. Gerakan berkaitan dengan energi. Ini berarti bahwa atom-atom yang bergerak dapat memiliki energi yang berbeda-beda. Jika kita memberikan sejumlah energi pada sebuah atom, maka atom dapat meninggalkan keadaannya yang sekarang, yaitu keadaan yang disebut dengan keadaan tingkat energi dasar, untuk menuju ke tingkat energi tereksitasi. Besarnya tingkat energi eksitasi ini bergantung pada jumlah energi yang diberikan pada atom. Energi tersebut dapat dalam bentuk panas, cahaya, atau listrik.

Gambar berikut ini merupakan gambaran klasik seperti apa atom itu.


Berdasarkan gambar di samping, sebuah atom secara sederhana terdiri atas sebuah inti (inti ini mengandung proton dan neutron) serta sebuah awan elektron. Kita dapat membayangkan elektron yang terdapat dalam awan ini bergerak mengelilingi inti dalam orbit yang berbeda-beda.

Penyerapan Energi


Bayangkan ilustrasi atom seperti yang telah dikemukakan di atas. Meskipun pandangan yang modern tentang atom tidak menggambarkan adanya orbit-orbit diskrit untuk elektron, akan sangat bermanfaat untuk memikirkan orbit-orbit ini sebagai tingkat energi yang berbeda-beda dari atom. Dengan kata lain, jika kita memberikan sejumlah panas pada sebuah atom, kita dapat mengharapkan bahwa beberapa elektron pada orbit yang lebih rendah akan melakukan transisi ke tingkat orbital yang lebih tinggi yang letaknya lebih jauh dari inti.

Hal ini merupakan penyederhanaan yang berlebihan, tetapi penyederhanaan ini dapat menggambarkan ide mendasar tentang bagaimana cara kerja atom itu sehingga menghasilkan laser.

Ads by Google
Ketika sebuah elektron berpindah ke orbit yang dengan energi yang lebih tinggi, elektron ini pada akhirnya akan kembali ke keadaan dasarnya (keadaan dasar ini disebut juga keadaan ground). Ketika hal ini terjadi, yaitu elektron kembali ke keadaan dasarnya, maka elektron ini akan melepaskan energinya dalam bentuk foton –partikel cahaya. Anda akan melihat atom melepaskan energi dalam bentuk foton sepanjang waktu. Sebagai contoh, ketika elemen pemanas dalam sebuah pemanggang menyala merah terang, warna merah ini disebabkan oleh atom-atom, yang tereksitasi oleh panas, dan melepaskan foton-foton merah. Saat Anda melihat gambar pada layar TV, apa yang Anda lihat sebenarnya adalah atom-atom fosfor, yang mengalami eksitasi oleh elektron yang berkecepatan tinggi, memancarkan warna-warna cahaya yang berbeda. Segala sesuatu yang menghasilkan cahaya, -- lampu fluoresen, lentera gas, bohlam lampu pijar, -- menghasilkan cahaya dengan cara mengubah orbit-orbit elektron untuk kemudian elektron tersebut melepaskan foton pada saat kembali ke keadaan dasarnya.

Kaitan antara atom dengan laser


Laser merupakan alat yang mengatur atau memanipulasi bagaimana atom-atom yang mengalami eksitasi melepaskan foton. Kata “laser” sendiri merupakan singkatan dari Light amplification by stimulated emission of radiation (penguatan cahaya dengan cara merangsang pemancaran radiasi). Nama ini dengan baik menggambarkan secara singkat bagaimana laser bekerja.

Meskipun terdapat banyak jenis laser, semuanya memiliki fitur-fitur tertentu yang penting. Dalam sebuah laser, sebuah medium penguat akan dipompa sehingga atom-atom medium tersebut mengalami keadaan tereksitasi. Secara khusus, kedipan cahaya yang sangat cepat atau muatan-muatan listrik akan memompa medium penguat dan menghasilkan sekumpulan besar atom-atom yang berada dalam keadaan tereksitasi (atom-atom dengan elektron berenergi tinggi). Kita perlu memiliki sekumpulan besar atom-atom yang berada dalam keadaan tereksitasi agar laser dapat bekerja secara efisien. Secara umum, atom-atom akan mengalami eksitasi ke dalam dua atau tiga tingkat di atas tingkat dasarnya. Hal ini akan meningkatkan derajat inversi populasinya. Inversi populasi merupakan jumlah atom-atom yang berada dalam keadaan tereksitasi dibandingkan dengan jumlah atom-atom yang berada dalam keadaan dasar.

mekanisme pemancaran cahaya pada atom

Begitu medium penguat telah dipompa, maka medium penguat ini akan mengandung sekumpulan atom-atom dengan sejumlah elektron yang berada pada tingkat eksitasi. Elektron yang tereksitasi memiliki energi yang lebih besar dibandingkan dengan elektron yang berada dalam keadaan dasar. Karena elektron menyerap sejumlah energi untuk dapat mencapai tingkat eksitasi, maka tentu saja elektron dapat juga melepaskan kembali energi ini. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar di atas, elektron dapat kembali ke keadaan dasarnya, dengan melepaskan sejumlah energi tertentu. Energi yang dilepas ini dipancarkan dalam bentuk foton (energi cahaya). Foton-foton yang dipancarkan memiliki panjang gelombang (warna) yang sangat khas yang bergantung pada tingkat energi elektron pada saat foton tersebut dilepaskan. Dua buah atom yang identik, masing-masing dengan elektron yang berada dalam keadaan yang sama, akan melepaskan foton-foton dengan panjang gelombang yang identik pula.

Sinar laser


Sinar laser sangat berbeda dengan sinar-sinar biasa. Sinar laser memiliki sifat-sifat berikut:

  • Sinar laser bersifat monokromatik, artinya sinar laser hanya mengandung satu panjang gelombang tertentu saja. Panjang gelombang sinar ini ditentukan oleh jumlah energi yang dilepaskan pada saat elektron jatuh ke tingkat orbit yang lebih rendah.
  • Sinar yang dilepaskan oleh laser bersifat koheren, artinya sinar laser “terorganisasi”, yaitu tiap-tiap foton penghasil sinar laser bergerak serempak secara teratur satu sama lain. Secara teknis, ini berarti bahwa semua foton memiliki muka gelombang yang sama dan menyatu satu sama lain.
  • Sinar laser sangat terarah. Sinar laser memiliki berkas yang sangat rapat, kuat dan terkonsentrasi. Bandingkan dengan sinar lampu biasa, yang memancarkan cahaya dalam berbagai arah, serta sinarnya sangat lemah dan menyebar.

Ketiga karakteristik sinar laser di atas dapat tercapai berkat adanya proses rangsangan emisi (emisi yang distimulasi). Peristiwa emisi terstimulasi ini tidak terjadi pada sumber sinar lampu biasa. Dalam sumber-sumber sinar seperti itu, semua atom-atom melepaskan foton-foton mereka secara acak. Sementara itu, pada emisi terstimulasi pemancaran foton terjadi secara terorganisasi.

Foton yang dilepaskan oleh atom memiliki panjang gelombang tertentu yang bergantung pada perbedaan energi antara keadaan eksitasinya dengan keadaan energi dasarnya. Jika foton ini (yang memiliki sebuah energi dan fase tertentu) bertemu dengan atom-atom lain yang memiliki sebuah elektron dengan keadaan eksitasi yang sama, maka emisi terstimulasi dapat terjadi. Foton yang pertama dapat menstimulasi atau memberikan emisi atomik sehingga foton yang terpancar berikutnya (dari atom yang kedua) bergetar dengan frekuensi yang sama dan dengan arah yang sama dengan foton yang datang.

Kunci lain dari laser adalah sebuah sepasang cermin, masing-masing satu di ujung medium penguat. Foton, dengan panjang gelombang dan fase yang sangat spesifik, memantul dari cermin cermin-cermin tersebut untuk bergerak pulang balik melalui medium penguat. Dalam proses gerakan pulang balik ini, foton akan banyak menstimulasi elektron-elektron lainnya untuk melakukan perpindahan energi ke tingkat yang lebih rendah dan dapat menyebabkan pemancaran lebih banyak foton yang memiliki panjang gelombang dan fase yang sama. Salah satu cermin pada ujung lain dari laser ini merupakan cermin setengah perak, yang berarti bahwa jenis cermin ini memantulkan sebagian sinar dan sebagian sinar lainnya dilewatkan. Sinar yang dilewatkan ini merupakan sinar laser.

Berikut ini mari kita lihat tiga komponen dalam perangkat laser sehingga dapat menghasilkan ketiga sifat di atas. Kita akan gambarkan cara kerja sebuah pemancar laser yang disebut laser rubi.

Laser Rubi


Laser rubi terdiri atas sebuah tabung cahaya, sebuah batang rubi dan dua cermin (satu cermin bersifat cermin setengah perak). Batang rubi merupakan medium penguat dan tabung cahaya memompa batang penguat tersebut (batang rubi). Beginilah laser dihasilkan dalam laser rubi itu:

1. Pertama-tama pemancar laser berada dalam keadaan tanpa penguatan (normal)


2. Tabung lampu kilat menyala dan menginjeksi cahaya ke dalam batang rubi. Cahaya ini mengeksitasi atom-atom rubi.


3. Beberapa dari atom rubi tersebut memancarkan foton


4. Sejumlah foton-foton ini bergerak dalam arah yang sejajar dengan sumbu rubi, sehingga foton tersebut terpantul bolak-balik pada cermin-cermin di ujung-ujung batang. Ketika bergerak melalui kristal rubi, foton ini menstimulasi pemancaran foton pada atom lain:


5. Sinar yang bersifat monokromatik, berfase tunggal, sejajar, meninggalkan rubi melalui cermin setengah perak, dan itulah laser!


Gambar berikut ini menunjukkan apa yang terjadi sesungguhnya pada laser tiga tingkat.


Jenis-jenis laser


Terdapat banyak jenis-jenis laser. Laser intensitas sedang bisa berupa padatan, gas, cairan atau semikonduktor. Laser umumnya ditentukan oleh jenis material penguat yang digunakan:


  • Laser zat padat menggunakan material penguatan yang tersebar dalam sebuah matriks padatan (seperti rubi atau neodimium: laser ytrium-aluminium garnet, atau laser YAG). Laser neodimium: laser YAG memancarkan sinar inframerah dengan panjang gelombang 1064 nanometer.
  • Laser gas (helium dan helium-neon, HeNe, merupakan laser gas yang paling lazim) biasanya menghasilkan sinar merah yang tampak. Laser CO2 memancarkan energi dalam daerah dekat inframerah, yang sering digunakan untuk memotong material-material keras.
  • Laser excimer (nama excimer berasal dari excited and dimers) menggunakan gas-gas reaktif, seperti klorin dan flourin, yang dicampur dengan gas-gas lembam seperti argon, kripton, atau xenon. Pada saat distimulasi secara listrik, maka sebuah molekul pseudo (dimer) terbentuk. Pada saat diperkuat, dimer akan menghasilkan cahaya dalam rentang warna ultraviolet.
  • Laser warna menggunakan pewarna organik yang kompleks, seperti rhodamin 6G, dalam larutan atau suspensi sebagai medium penguat. Laser jenis ini dapat diatur-atur sehingga memiliki banyak rentang warna.
  • Laser semikonduktor, sering kali disebut laser diode, bukanlah laser zat padat. Alat elektronik ini umumnya sangat kecil dan mengonsumsi daya yang rendah. Laser jenis ini dapat disusun berlarik-larik membentuk sebuah larik yang besar, seperti sumber penulis dalam beberapa printer laser atau pemutar CD.


Panjang gelombang sinar laser


Sebuah laser rubi merupakan jenis laser zat padat dan memancarkan sinar pada panjang gelombang 694 nm. Sejumlah medium laser lainnya dapat dipilih sesuai dengan panjang gelombang pancaran yang diinginkan, daya yang dibutuhkan, dan durasi pulsanya. Beberapa laser memiliki daya yang sangat kuat, misalnya laser CO2, yang dapat memotong baja. Alasan mengapa laser CO2 sangat berbahaya adalah karena laser ini memancarkan cahaya dalam daerah inframerah dan daerah gelombang mikro dari spektrum gelombang. Radiasi inframerah akan menghasilkan panas, dan laser ini pada dasarnya akan melelehkan benda-benda yang menjadi sasarannya.

Laser lainnya, seperti laser diode, sangat lemah dan digunakan dewasa ini pada pointer laser saku. Laser ini memancarkan sebuah berkas sinar merah yang memiliki panjang gelombang antara 630 nm – 680 nm. Laser digunakan dalam industri dan penelitian untuk melakukan banyak hal, termasuk penggunaan laser dengan sinar intensitas tinggi untuk mengeksitasi molekul lain untuk dapat mengamati apa yang terjadi pada molekul-molekul tersebut.

Berikut ini beberapa jenis laser dan panjang gelombang sinar yang dipancarkannya:

Jenis-jenis laser dan panjang gelombangnya
Jenis laserPanjang gelombang (nm)
Argon flouride (UV) 193
Krypton fluoride (UV) 248
Xenon chloride (UV) 308
Nitrogen (UV) 337
Argon (biru) 488
Argon (hijau) 514
Helium neon (hijau) 543
Helium neon (merah) 633
Rhodamine 6G dye (dapat diatur-atur) 570-650
Ruby (CrAlO3) (merah) 694
Nd:Yag (dekat inframerah) 1064
Carbon dioxide (jauh dari inframerah) 10600

Klasifikasi Laser


Laser digolongkan menjadi empat kelompok bergantung pada potensi bahaya biologis yang ditimbulkannya. Pada saat Anda melihat sebuah laser, maka laser tersebut seharusnya diberi label dengan salah satu dari keempat label berikut:

Kelas I – laser kelas ini tidak dapat memancarkan radiasi laser pada tingkat membahayakan yang diketahui.

Kelas IA – ini adalah label untuk laser yang tidak dimaksudkan untuk dilihat (disorotkan ke mata), misalnya pada scanner laser supermarket. Batas daya teratas untuk laser kelas IA adalah 4,0 mW.

Kelas II – merupakan laser sinar tampak berdaya rendah yang pancaran sinarnya di atas tingkat laser kelas I tetapi daya yang dipancarkannya di atas 1 mW.

Kelas IIIA- merupakan laser berdaya menengah (sekitar 1 -5 mW), yang dapat berbahaya jika berkas sinarnya dipandang secara berhadap-hadapan. Hampir semua laser pointer merupakan kelas ini.

Kelas IIIB – merupakan laser berdaya menengah di atas kelas IIIA.

Kelas IV – merupakan laser berdaya tinggi (kurang lebih 500 mW, dengan pulsa gelombang 10 J/cm2). Laser ini berbahaya untuk dilihat dalam situasi apapun (dilihat secara langsung atau merupakan difusi berkasnya saja). Laser ini juga berpotensi menyebabkan kebakaran dan luka yang serius pada kulit. Fasilitas dengan laser kelas IV membutuhkan pengendalian yang ketat.


Sumber: www.howstuffworks.com

0 komentar :

Posting Komentar