TINJAUAN PUSTAKA
2.7 Spektrum Elektromagnetik
Cahaya merupakan sebuah gelombang dan partikel.(Mark Csele,2005) Cahaya elektromagnetik dapat dipertimbangkan sebagai bentuk energi cahaya sebagai transfer gelombang. Bentuk sederhana dari cahaya elektromagnetik dapat dilihat dalam Gambar 2.7 berikut.
Gambar 2.7 Gerakan gelombang cahaya elektromagnetik
Panjang gelombang (λ) merupakan jarak antara dua gunung/lembah yang berdampingan dari gelombang itu. Banyaknya gelombang lengkap yang melewati suatu fisik yang diam persatuan waktu diberi istilah frekuensi (v). Hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi adalah
λ = c / v (2.1)
dengan λ adalah panjang gelombang (cm), v adalah frekuensi (dt-1 atau Hz), c adalah kecepatan cahaya (3 x 1010 cm dt-1). Bilangan gelombang merupakan kebalikan dari panjang gelombang, dinyatakan sebagai ῡ (cm-1
ῡ = 1/ λ (2.2)
) yaitu :
nm = nanometer = 10-9 meter = 10 angstrom = 10-3 µm = mikrometer = 10
mikrometer -6 meter = 104
Untuk radiasi UV dan tampak (visible) digunakan satuan angstrom dan nanometer. Sedangkan mikrometer digunakan untuk daerah IR (infra merah). Hubungan antara energi dan panjang gelombang (λ) dituliskan sebagai :
angstrom
E = h c / λ (2.3)
Dengan E = energi cahaya (erg), h = konstanta Planck(6,62 x 10-27 erg det). Spektrum elektromagnetik menyeluruh dikelompokkan seperti Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Spektrum Elektromagnetik
Daerah tampak (visible) sangat kecil panjang gelombang yang dikaitkan
dengan cahaya tampak itu mampu mempengaruhi selaput pelangi pada manusia, dan karenanya menimbulkan kesan subyektif akan ketampakan (vision). Panjang
gelombang daerah tampak dari 400 nm – sekitar 750 nm (Susila Kristianingrum), dengan frekuensi 7,5x1014 – 4x1014, dan bilangan gelombang (ῡ) 25000 – 13000 cm-1-.(Ibnu Gholib,2007)
2.8 Laser
Laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang berarti penguatan cahaya melalui pancaran radiasi yang
terstimulasi. Ketika suatu atom berada pada tingkat eksitasi, kemudian disinari dengan foton yang sesuai maka atom pada tingkat tereksitasi ini akan turun ke tingkat energi yang lebih rendah dengan memancarkan foton. Jika cahaya ini mengenai atom lain yang berdekatan, maka akan lebih banyak lagi cahaya yang dilepaskan. Kemudian akan terjadi reaksi berantai terus menerus sehingga atom –
atom mengeluarkan cahaya secara bersamaan. Jika cahaya tersebut dipantulkan oleh cermin – cermin khusus, lama kelamaan intensitasnya menjadi lebih tinggi sehingga mampu menembus cermin dan terbentuklah sinar laser.(Siegmans,1986).
Sifat yang terjadi akibat kesamaan frekuensi adalah monokromatisme dan sifat yang terjadi akibat kesamaan fase adalah koherensi. Jadi syarat terbentuknya laser adalah sumber cahaya yang monokromatis dan koheren. (Fafat Reynaldo,2001)
Panjang gelombang λ dan osilasi frekuensi adalah korelasi dari kecepatan cahaya � dengan :
�= � .� (2.4)
Kecepatan cahaya memiliki nilai sebesar 3 × 108 ms-1. Sejak cahaya tampak berada pada range panjang gelombang λ = 400 nm (biru) – 800 nm (merah), osilasi frekuensi cahaya tampak bervariasi dari 7.5 × 1014 Hz sampai 3.75 × 1014
� =ℎ� (2.5)
Hz. Pemahaman cahaya sebagai sebuah gelombang elektromagnetik cukup digambarkan pada proses refraksi dan difraksi ketika sebuah berkas cahaya menyebar melalui beberapa material berbeda. Sekarang, cahaya dapat digambarkan sebagai fluks sebuah foton. Setiap foton diuraikan dengan kecepatan cahaya dan megandung energi sebesar :
Dimana adalah frekuensi dan h adalah konstanta Planck (h = 6.675 × 10-31
Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan sangat lurus. Cara kerjanya mencakup optika dan elektronika. Sifat – sifat monokromatik, kolimasi, dan koherensi dari laser telah dikembangkan dalam berbagai aplikasi di beberapa bidang, seperti industri, biomedis, dll.(www.science4heritage.org)
Js). (Hans – Jochen Forth, 2008)
Laser dapat beroperasi pada :
1. Mode kontinu (continuous wave) dengan amplitudo keluaran konstan.
2. Laser pulsa dapat dihasilkan dengan teknik Q-switching, mode terkunci (mode locking) atau gain switching. Laser dalam bentuk pulsa dapat
menghasilkan daya yang sangat besar, kemudian berkas laser yang dihasilkan berubah terhadap waktu secara bolak – balik dengan mode on
dan off. Laser pulsa biasanya dibuat dengan tujuan untuk menghasilkan power laser yang sangat besar dengan waktu radiasi yang singkat. (David
R.Whitehouse,1993)
Laser dapat diklasifikasikan berdasarkan medium aktif : 1. Laser zat padat meliputi laser Nd:YAG, ruby
2. Laser zat cair atau dye laser
3. Laser gas meliputi laser CO2, HeNe
2.8.1 Proses Terjadinya Laser
Pada tahun 1917, Albert Einstein mempostulatkan pancaran imbas pada peristiwa radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yang sedang menyerap dan memancarkan radiasi. Menurut Albert Einstein ada 3 proses yang terlibat dalam kesetimbangan itu, yaitu : serapan (absorbtion), emisi spontan
(fluorensi) dan emisi terstimulasi (atau lasing, artinya memancarkan laser).
(Perdana,Buyung,2008)
Ketika sebuah partikel secara spontan berpindah dari tingkat energi lebih tinggi E2 ke tingkat energi lebih rendah E1
�12 = �1−�2
ℎ (2.6)
yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 (b), foton yang dipancarkan memiliki frekuensi :
Foton ini dipancarkan pada sebuah arah yang acak dengan polarisasi yang berubah-ubah (kecuali pada medan magnet). Foton membawa pergi momentum
h/λ = h/c dan partikel yang dipancarkan (atom, molekul atau ion) mundur dalam
(a) (b) (c)
Gambar 2.9 (a) Absorbsi, (b) emisi spontan, dan (c) emisi terstimulasi (Hans – Jochen Foth, 2008)
Pada umumnya, ketika sebuah elektron berada dalam keadaan energi tereksitasi, elektron tersebut akan kekurangan energi karena melepaskan sebuah foton radiasi mengalami transisi menuju keadaan dasarnya dan memancarkan foton. Kejadian ini disebut emisi spontan (spontaneous emission) dan foton yang
dipancarkan dalam arah dan fase yang acak.
Disisi lain, jika sebuah elektron berada pada tingkat energi E2 dan mengalami peluruhan energi sampai pada tingkat energi E1, tetapi sebelumnya elektron tersebut memiliki kesempatan untuk meluruh secara spontan, maka sebuah foton yang dihasilkan dengan energi sebesar E2 – E1 akan memiliki panjang, arah dan fase gelombang yang persis sama dengan gelombang elektron tadi sehingga memperkuat energi cahaya yang datang. Proses ini disebut emisi terstimulasi. (Hans-Jochen Foth, 2008)
2.8.2 Komponen Laser
Proses pembentukan laser dimulai dengan proses pemompaan (pumping)
yang menyebabkan inversi polulasi pada eksitasi atom – atom (molekul, ion-ion, elektron-elektron semikonduktor) yang ada di dalam medium laser dari tingkat energi rendah menuju ke tingkat energi tinggi (level energi mekanika kuantum). Setelah itu atom – atom akan kembali menuju tingkat energi semula dengan memancarkan foton. Kemudian foton – foton tersebut bergerak ke kanan dan
osilasi. Karena osilasi foton – foton yang terus menerus sehingga mengeluarkan foton yang sangat kuat yang menjadi cahaya keluaran laser.(Siegmans,1986)
Gambar 2.10 Komponen Laser.(Siegmans,1986)