LASER PUTIH PERTAMA DI DUNIA



Laser telah ditemukan sejak tahun 1960 dan hingga sekarang telah digunakan dalam banyak bidang. Ada satu karakteristik dari laser yang hingga saat ini belum dapat dipecahkan, menghasilkan sebuah laser putih. Laser putih adalah laser yang memancarkan sinar putih. Di mana-mana, di seluruh dunia ini, selama ini sinar laser hanya terdiri atas satu berkas warna saja: merah atau hijau. Tetapi itu dulu!

Sekelompok peneliti di Arizona State University telah membuka jalan penemuan laser putih. Kelompok peneliti tersebut telah berhasil memperlihatkan bahwa laser semikonduktor dapat memancarkan spektrum sinar yang mengandung semua spektrum sinar cahaya tampak. Jika semua spektrum cahaya tampak dapat dipancarkan, maka secara teoritis, cahaya putih berpeluang dihasilkan sebab cahaya putih adalah gabungan seluruh spektrum warna-warna tersebut.

Para peneliti yang tergabung dalam kelompok tersebut telah membuat sebuah lembaran material yang sangat tipis pada ukuran nano, sehingga disebut lembaran nano. Lembaran nano ini adalah lapisan semikonduktor yang ukurannya secara kasar kira-kira sama dengan 1/50 kali ketebalan rambut manusia. Tebal lembaran nano ini sendiri kira-kira sama dengan 1/1000 kali tebal rambut manusia. Lembaran nano tersebut terdiri atas tiga segmen yang sejajar, masing-masing segmen mendukung operasi laser pada satu warna dasar. Lembaran nano ini mampu memancarkan sinar warna apapun, yang dapat disetel-setel mulai dari warna merah, hijau, hingga biru, termasuk kombinasi warna-warna antaranya. Jika keseluruhan medan gelombang warna ini dapat disatukan, maka dapat diperoleh laser warna putih.

Peneliti dalam kelompok tersebut, insinyur di Sekolah Teknik Arizona State University, telah menerbitkan hasil temuan mereka dalam jurnal online Nature Nanotechnology edisi 27 Juli 2015. Cun-Zheng Ning, profesor di School of Electrical, Computer, and Energy Engineering, adalah penulis makalah “A monolithic white laser”, bersama dengan mahasiswa doktoralnya Fan Fan, Sunay Turkdogan, Zhincheng Liu dan David Shelhammer. Turkdogan dan Liu menyelesaikan program doktor mereka setelah menyelesaikan penelitian tersebut.

Potensi Aplikasi

Teknologi tingkat tinggi tersebut telah mengarahkan laser menjadi selangkah lebih dekat untuk dapat dimanfaatkan sebagai sumber cahaya utama dan berpotensi menggantikan atau sebagai alternatif dari lampu diode (LED). Sinar laser lebih terang, jauh lebih efisien, dan secara potensial dapat menghasilkan warna yang akurat dan jelas terutama untuk keperluan layar monitor seperti monitor komputer atau televisi. Tim Ning telah menunjukkan bahwa struktur laser yang mereka buat memiliki cakupan warna sekitar 70% lebih banyak dibandingkan dengan cakupan warna yang terdapat pada industri layar monitor standar sekarang ini.

Ads by Google
Aplikasi lain yang penting dari hasil temuan mereka adalah pada potensi penggunaannya dalam pengembangan komunikasi cahaya tampak yang memiliki kesamaan dengan sistem penerangan ruangan. Ini berarti bahwa struktur yang mereka temukan, dapat digunakan baik untuk keperluan pencahayaan atau pun untuk komunikasi. Teknologi tersebut, yang saat ini sedang berupaya dikembangkan oleh ahli, disebut dengan Li-Fi untuk komunikasi nirkabel berbasis cahaya, sebuah tandingan untuk Wi-Fi. Wi-Fi telah kita ketahui merupakan sistem komunikasi nirkabel berbasis gelombang radio. Li-Fi bisa 10 kali lebih cepat dibandingkan dengan Wi-Fi sekarang ini, Li-Fi dengan laser putih bisa 10 sampai 100 kali lebih cepat dibandingkan dengan Li-Fi berbasis LED yang saat ini sementara dalam pengembangan.

Upaya awal pembuatan laser putih dan tantangannya untuk aplikasi pencahayaan

Jika Anda telah membaca tulisan bagaimana cara kerja laser, maka Anda tentu menyadari bahwa konsep laser putih ini kelihatannya muskil karena cahaya yang berasal dari sebuah laser selama ini hanya mengandung satu warna saja, yaitu hanya satu panjang gelombang sempit tertentu dari spektrum gelombang elektromagnetik. Sementara kita tahu bahwa cahaya putih dipandang sebagai gabungan lengkap dari semua panjang gelombang spektrum cahaya tampak. Pada lampu berbasis LED biasa, sebuah LED biru dilapisi dengan material fosfor untuk mengubah sebagian cahaya biru tersebut menjadi cahaya hijau, kuning, dan merah. Campuran warna-warna ini akan dipersepsi oleh manusia sebagai cahaya putih sehingga dapat digunakan sebagai alat penerangan secara umum.

Laboratorium National Sandia pada tahun 2011 telah memproduksi lampu cahaya putih kualitas tinggi dengan menggunakan empat laser besar yang saling terpisah. Para peneliti di laboratorium nasional Sandia tersebut kemudian menunjukkan bahwa ternyata mata manusia memiliki tingkat kenyamanan yang sama pada cahaya putih yang dihasilkan oleh laser diode ini dengan cahaya putih yang dihasilkan oleh lampu LED. Hasil ini menjadi inspirasi bagi peneliti lain untuk dapat lebih meningkatkan teknologi lampu berbasis laser tersebut.

“Meskipun demonstrasi pembuktian konsep laser putih ini mengesankan, laser secara sendiri-sendiri tidak dapat digunakan untuk keperluan penyinaran ruang atau untuk tampilan monitor,” Kata Ning. “Dibutuhkan sebuah material semikonduktor yang sangat kecil untuk dapat memancarkan sinar laser dalam semua spektrum warna atau dalam warna putih.”

Semikonduktor, yang biasanya merupakan unsur kimiawi padat atau campuran yang tersusun dalam bentuk kristal, saat ini secara luas telah digunakan sebagai komponen utama otak komputer serta dalam sistem telekomunikasi. Semikonduktor memiliki karakteristik optik yang menarik dan digunakan dalam membuat laser dan LED karena dapat memancarkan sinar atau cahaya dengan warna tertentu saat sebuah beda potensial dikenakan pada semikonduktor tersebut. Material pemancar cahaya yang paling banyak digunakan sebagai semikonduktor adalah indium galium nitrida, meskipun material-material lainnya seperti kadmium sulfida dan kadmium selenida juga sering digunakan untuk memancarkan warna cahaya tampak.

Tantangan utama pada pemanfaatan semikonduktor ini adalah, seperti yang dicatat oleh para ilmuwan, terletak pada bagaimana menumbuhkan material semikonduktor pemancar cahaya tersebut dan bagaimana agar material semikonduktor ini bekerja memancarkan sinar atau warna-warna yang bervariasi. Biasanya, sebuah semikonduktor tertentu hanya memancarkan satu warna tunggal, --biru, hijau, atau merah—yang ditentukan oleh struktur atomik yang khas dan celah pita energinya.

“Konstanta kisi” dalam kristal menyatakan jarak antara atom-atom dalam kristal. Untuk menghasilkan semua panjang gelombang yang mungkin dalam spektrum cahaya tampak, Anda membutuhkan beberapa semikonduktor yang memiliki konstanta kisi yang memiliki variasi nilai yang tinggi termasuk variasi nilai celah energinya.

“Sasaran kami adalah memperoleh sebuah semikonduktor tunggal yang dapat melakukan fungsi laser untuk tiga warna laser dasar. Semikonduktor tersebut harus cukup kecil, sehingga orang dapat mengindera secara keseluruhan campuran warnanya, bukan tiga warna yang berbeda-beda,” kata Fan. “Tapi itu tidaklah mudah”.

“Tantangan utamanya adalah ketidaksesuaian kisi, atau konstanta kisi kristal yang sangat berbeda untuk tiap-tiap material yang diperlukan,” Kata Liu. “Kami belum mampu menumbuhkan kristal semikonduktor yang berbeda-beda secara bersamaan dengan kualitas yang cukup tinggi, dengan menggunakan teknik tradisional, apabila konstanta kisi kristal-kristal tersebut memiliki nilai yang sangat berbeda satu sama lain.”

Solusi yang sangat diharapkan, menurut Ning, adalah sebuah struktur semikonduktor tunggal yang memancarkan semua warna yang dibutuhkan. Ning bersama-sama dengan mahasiswa doktoralnya akhirnya beralih pada nanoteknologi untuk untuk mencapai momentum bersejarah mereka. Idenya adalah bahwa pada tingkat nanometer, ketidaksesuaian kisi yang besar dapat ditoleransi lebih baik dibandingkan dengan menggunakan teknik penumbuhan tradisional pada material padatan. Pada tingkat nanometer, kristal kualitas tinggi dapat ditumbuhkan bahkan dengan ketidakcocokan konstanta kisi yang cukup besar.

Menyadari hal unik tersebut, Grup Ning mulai mencari sejumlah karakteristik khusus nanomaterial, misalnya pada kawat nano, atau lembaran nano, sejak sepuluh tahun yang lalu. Bersama mahasiswanya, Ning telah meneliti berbagai jenis nanomaterial untuk dapat menemukan nanomaterial yang paling menguntungkan untuk mengkaji penumbuhan kristal berkualitas tinggi dari material-material yang berbeda.

Enam tahun yang lalu, dengan bantuan dana dari Army Research Office, mereka akhirnya dapat menunjukkan bahwa material kawat nano dengan rentang celah pita energi yang lebar memang dapat ditumbuhkan pada sebuah substrat tunggal dengan panjang sekitar 1 cm. Beberapa waktu kemudian, mereka berhasil membuat laser hijau dan merah yang bekerja secara serentak dengan menggunakan lembaran nano dan kawat nano semikonduktor. Pencapaian ini menjadi pemicu Ning untuk mengetahui lebih jauh apakah sebuah laser putih tunggal benar-benar dapat dihasilkan.

Sinar warna biru, warna yang diperlukan untuk menghasilkan putih, terbukti merupakan tantangan yang paling besar dengan celah pita energinya yang besar dan memiliki sifat material yang berbeda. (Baca juga: Nobel Fisika 2014: Penemuan LED Biru dan Let There Be A High Efficiency Light)

“Kami telah berjuang hampir dua tahun untuk menumbuhkan material yang dapat memancarkan warna biru dalam bentuk lembaran nano, yang diperlukan untuk mendemonstrasikan laser putih,” kata Turkdogan, yang saat ini merupakan asisten profesor di Universitas Yalova di Turki.

Setelah melalui penelitian yang mendalam, kelompok peneliti Ning akhirnya sampai pada sebuah strategi yaitu membuat terlebih dahulu bentuk yang diinginkan, kemudian mengonversinya menjadi mengandung campuran (alloy) yang cocok untuk dapat memancarkan sinar biru. Turkdogan mengatakan, “Berdasarkan pengetahuan kami, strategi penumbuhan kami yang unik ini merupakan demonstrasi pertama kali tentang proses penumbuhan menarik yang disebut dual ion exchange process yang memungkinkan terbentuknya struktur yang diinginkan.”

Strategi pemisahan bentuk struktural dan komposisi seperti ini, mewakili terjadinya perubahan mendasar dalam hal strategi penumbuhan serta merupakan sebuah terobosan penting yang pada akhirnya memungkinkan penumbuhan sebuah struktur tunggal yang berisi tiga jenis semikonduktor yang berbeda yang dapat memancarkan semua warna yang dibutuhkan sehingga laser warna putih pun menjadi mungkin.

Meskipun bukti permulaan ini sangat penting, tantangan paling signifikan yang akan dihadapi adalah menghasilkan laser putih seperti di atas untuk dapat dimanfaatkan sebagai sumber pencahayaan dalam kehidupan yang sebenarnya atau pada penerapan untuk keperluan layar monitor. Salah satu langkah penting berikutnya yang perlu dicapai untuk sasaran ini adalah menghasilkan laser putih dengan sumber daya baterai. Untuk keperluan demonstrasi sekarang ini, peneliti harus menggunakan sebuah cahaya laser untuk memompa elektron agar dapat menghasilkan pemancaran cahaya. Upaya-upaya eksperimen di atas telah memperlihatkan bahwa kunci utama untuk pencapaian laser putih adalah persyaratan material yang dibutuhkan dan hal ini akan menjadi landasan selanjutnya untuk dapat menghasilkan sinar laser putih yang bekerja dengan menggunakan konsumsi listrik rumah tangga.

Nah, adakah Anda, pembaca blog ini, memiliki ide untuk mengembangkan dan memberikan sentuhan yang lebih jauh agar kita lebih dekat untuk mewujudkan impian tersebut?


Sumber:

Arizona State University. "World's first white lasers demonstrated: More luminous, energy efficient than LEDs, white lasers look to be the future in lighting and Li-Fi, or light-based wireless communication." ScienceDaily. ScienceDaily, 29 July 2015. .
LASER PUTIH PERTAMA DI DUNIA LASER PUTIH PERTAMA DI DUNIA Reviewed by Momang Yusuf on 8/15/2015 03:35:00 PM Rating: 5

Tidak ada komentar:

Diberdayakan oleh Blogger.