TUGAS MAKALAH FISIKA INTI LASER GAS. Di Susun Oleh : Arinal Haqqo ( ) Iis Avriyanti ( ) Pendidikan Fisika B 2014

(1)

TUGAS MAKALAH FISIKA INTI

“LASER GAS”

Di Susun Oleh :

Arinal Haqqo

(14030184070)

Iis Avriyanti

(14030184093)

Pendidikan Fisika B 2014

Program Studi Pendidikan Fisika

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Negeri Surabaya

(2)

MAKALAH LASER GAS| i

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI... i BAB I ... 1 PENDAHULUAN ... 1 A. Latar Belakang ... 1 B. Identifikasi Masalah ... 1 C. Pembatasan Masalah ... 2 D. Perumusan Masalah ... 2 E. Tujuan Penulisan ... 2 F. Manfaat Penulisan ... 2 BAB II ... 3 KAJIAN TEORI ... 3 A. Laser ... 3

B. Prinsip Kerja Laser ... 4

C. Laser Gas ... 7

BAB III ... 13

PENUTUP ... 13

A. Kesimpulan ... 13

(3)

MAKALAH LASER GAS| 1

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Perkembangan dunia sains dan teknologi yang terus maju dan para ilmuwan mengembangkan suatu konsep terapan yang memanfaatkan terhadap perbesaran suatu intensitas cahaya. Hal ini disebut sebagai LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Laser merupakan suatu alat yang dapat memancarkan cahaya mulai dari panjang gelombang inframerah yang paling jauh, daerah cahaya tampak, sampai pada daerah vakum ultraviolet serta daerah sinar-X.

Cahaya yang dipancarkan oleh laser dihasilkan dari stimulasi emisi radiasi dari medium dalam laser. Meningkatnya minat dalam penggunaan laser untuk tujuan pengobatan, membawa dampak kemajuan dalam bidang kedokteran. Pada beberapa penyakit mata, sinar laser digunakan secara rutin untuk koagulasi darah dan memblokir pembuluh darah vena.

Laser gas merupakan salah satu dari jenis laser yang sangat bermanfaat bagi kehidupan manusia. Laser gas sendiri dibagi menjadi beberapa jenis berdasarkan fungsi dan jenis gas penyusunnya. Oleh karena itu penyusun ingin menyusun makalah mengenai laser gas ini selain untuk memenuhi tugas, diharapkan makalah ini membantu mahasiswa untuk memahami tentan laser gas.

B. Identifikasi Masalah

Indentifikasi masalah yang dapat dirumuskan berdasarkan latar belakang masalah diatas adalah:

1. Apa yang dimaksud dengan laser? 2. Apa yang dimaksud dengan Laser Gas? 3. Apa saja jenis Laser Gas?

4. Bagaimana karakteristik Laser Gas He-Ne dan CO2?

5. Apa saja Kekurangan dan Kelebihan Laser Gas He-Ne dan CO2? 6. Dapat diaplikasikan dalam bidang apa saja Laser Gas He-Ne dan CO2?

(4)

C. Pembatasan Masalah

Identifikasi masalah dapat dibatasi menjadi: 1. Definisi dan Sejarah Laser

2. Definisi tentang laser gas 3. Jenis Laser gas

4. Definisi laser gas He-Ne 5. Definisi laser gas CO2

6. Aplikasi dari laser gas He-Ne dan laser gas CO2 dalam kehidupan sehari-hari

D. Perumusan Masalah

1. Bagaimana prinsip kerja laser gas?

2. Bagaimana aplikasi laser gas dalam kehidupan sehari-hari?

E. Tujuan Penulisan

1. Mengetahui prinsip kerja laser gas dan jenis-jenisnya

2. Mengetahui penerapan laser gas dalam kehidupan sehari-hari

F. Manfaat Penulisan

Penulisan makalah ini diharapkan dapat memberikan manfaat dalam pembelajaran mengenai ilmu laser.

(5)

BAB II

KAJIAN TEORI

A. Laser

Laser merupakan singkatan dari Ligh Amplification by the Stimulated Emmision of Radiation. Laser merupakan suatu alat yang dapat memancarkan cahaya mulai dari panjang gelombang inframerah yang paling jauh, daerah cahaya tampak, sampai pada daerah vakum ultraviolet serta daerah sinar-X. Cahaya yang dipancarkan oleh laser dihasilkan dari stimulasi emisi radiasi dari medium dalam laser. Emisi tersebut dikuatkan sehingga menghasilkan cahaya bersifat monokromatis ( satu panjang gelombang ), koheren, tearah, dan memiliki kecerahan ( brightness ) yang tinggi. Emisi radiasi dirangsang ketika atom-atom dibangkitkan kedalam sifat energi dasar dalam ground. Atom-atom penguat harus lebih dibangkitkan ke level energy tertinggi untuk menghasilkan inverse populasi yang berkitan dengan jumlah atom pada level menegah. Pembangkitan atom-atom tersebut distimulasikan untuk perusakan secara koheren pada tingkat energi menengah sehingga kuat radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang sesuai dengan energi GAP yang dihasilkan.

Ada berbagai jenis laser. Medium laser bisa padat, gas, cair atau semikonduktor. Laser biasanya ditentukan oleh jenis bahan yang digunakan oleh penguatnya

1. Solid-state laser material telah dikuatkan terdistribusi dalam matriks padat (seperti ruby atau neodymium: yttrium-aluminium garnet laser yag). Laser neodymium-yag memancarkan cahaya inframerah pada 1.064 nanometer (nm).

2. Laser Gas (helium dan helium-neon, hene, merupakan laser gas yang paling umum) memiliki output utama dari lampu inframerah. CO2 laser memancarkan energi jauh dr inframerah, dan digunakan untuk memotong material keras.

3. Laser Excimer (nama ini berasal dari istilah excited dan dimers) menggunakan gas reaktif, seperti klorin dan fluorin, dicampur dengan gas inert seperti argon, kripton atau xenon. Ketika elektrik dirangsang, molekul pseudo (dimer). Ketika lased, dimer menghasilkan cahaya dalam kisaran ultraviolet.

4. Dye laser menggunakan pewarna organik kompleks, seperti rhodamine 6g, dalam larutan cair atau suspensi sebagai media penguat.

(6)

5. Semiconductor laser, kadang-kadang disebut dioda laser, laser yg tidak solid-state. Perangkat elektronik yg menggunakan ini umumnya sangat kecil dan menggunakan daya yang rendah. Mereka dapat dibangun menjadi array yang lebih besar, seperti sumber penulisan dalam beberapa printer laser atau CD player.

B. Prinsip Kerja Laser

Terjadinya laser sudah diramalkan jauh hari sebelum dikembangkannya mekanika kuantum. Pada tahun 1917, Albert Einstein mempostulatkan pancaran imbas pada peristiwa radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yangsedang menyerap dan memancarkan radiasi. Menurut dia ada 3 proses yang terlibat dalam kesetimbangan itu, yaitu : serapan, pancarn spontan (disebut fluorensi) dan pancaran terangsang ( atau lasing dalam bahasa Inggrisnya, artinya memancarkan laser). Proses yang terakhir biasanya diabaikan terhadap yang lain karena pada keadaan normal serapan dan pancaran spontan sangat dominan.

Sebuah atom pada keadaan dasar dapat dieksitasi ke keadaan tingkat energi yang lebih tinggi dengan cara menumbukinya dengan elektron atau foton. Setelah beberapa saat berada di tingkat tereksitasi ia secara acak akan segera kembali ke tingkat energi yang lebih rendah, tidak harus ke keadaan dasar semula. Proses acak ini dikenalsebagai fluoresensi terjadi dalam selang waktu rerata yang disebut umur rerata, lamanya tergantung pada keadaan dan jenis atom tersebut.

Kebalikan dari umur ini dapat dipakai sebagai ukuran kebolehjadian atom tersebut terdeeksitasi sambil memancarkan foton yang energinya sama dengan selisih tingkat energi asal dan tujuan. Foton ini dapat saja diserap kembali oleh atom yang lain sehingga mengalami eksitasi tetapi dapat pula lolos keluar sistem sebagai cahaya. Sebetulnya atomatom yang tereksitasi tidak perlu menunggu terlalu lama untuk memancar secara spontan, asalkan terdapat foton yang merangsangnya. Syaratnya foton itu harus memiliki energi yang sama dengan selisih tingkat energi asal dan tujuan.

Tinjauan dua tingkat energi dalam sebuah atom E1 dan E2, dengan E1 < E2. Cacah atom yang berada di masing-masing tingkat energi adalah N1 dan N2. Untuk menggambarkan distribusi energi pada atom-atom itu dalam kesetimbangan termal berlakulah statistik Maxwell - Boltzmann :

(7)

Persamaan ini menunjukkan bahwa dalam keadaan stimbang N1 selalu lebih besar daripada N2, tingkat energi rendah selalu lebih padat populasinya dibandingkan dengan tingkat yang lebih tinggi. Dalam keadaan tak setmbang terjadilah perpindahan populasi melalui ketiga proses serapan dan pancaran tersebut di atas.

Atom-atom di E2 dapat saja melompat ke E1 secara spontan dengan kebolehjadian transisinya A21 per satuan waktu. Apabila terdapat radiasi dengan frekuensi n dan rapat energi e ( n ), terjadilah transisi akibat serapan dari E1 ke E2, dengan kebolehjadian sebut saja B1 2.e ( n ) karena terlihat jelas kebolehjadian ini sebanding pula dengan rapat energi fotonnya. Pancaran spontan ini dapat pula merangsang transisi dari E2 ke E1 akibat interaksinya dengan atom-atom yang berada dalam keadaan tereksitasi E2, kebolehjadiannya B21. e ( n ). Sudah tentu semua transisi yang terjadi di sini berbanding lurus dengan populasi atom di tingkat energi asalnya masing-masing.

Perubahan N2 secara lengkap : 𝑑𝑁₂

𝑑𝑡 = 𝐵12. 𝑒(𝑛). 𝑁1− [𝐴21+ 𝐵12. 𝑒(𝑛)]. 𝑁2 (2)

Perubahan populasi ini disebabkan oleh pertambahan akibat serapan dan pengurangan akibat pancaran. Setelah tercapai kesetimbangan antara atom-atom itu dengan radiasinya, pengaruh serapan dan pancaran akan saling meniadakan dN2/dt = 0.

𝐵12. 𝑒(𝑛). 𝑁1 = [𝐴21+ 𝐵12. 𝑒(𝑛)]. 𝑁2 (3)

Setelah digabungkan dengan persamaan (1), substitusi E2 - E1 = h. n (energi foton yang dilepaskan pada saat deeksitasi) dan manipulasi aljabar biasa didapatlah persamaan :

(8)

(4)

Jika persamaan (4) ini dibandingkan dengan distribusi statistik Bose Einstein, tampak bahwa foton adalah boson, dan persamaan radiasi Planck dengan harga-harga :

𝐴₂₁ 𝐵12 = 8𝑝ℎ.𝑛3 𝑐3 (5) dan 𝐵21 𝐵₁₂ = 1 (6)

Persamaan (6) menunjukkan bahwa kebolehjadian atom-atom tersebut melakukan transisi serapan adalah sama dengan kebolehjadiannya melakukan transisi akibat pancaran terangsang. Tetapi pada keadaan normal pengaruh serapanlah yang lebih terasa karena populasi atom lebih besar di tingkat energi yang lebih rendah.

Dari penjelasan di atas tampaknya ketiga proses : serapan, pancaran spontan dan terangsang, terjadi melalui suatu persaingan. Laser yang dihasilkan oleh pancaran terangsang dengan demikian hanya bisa terjadi jika pancaran terangsang dapat dibuat mengungguli dua proses yang lain.

Nisbah laju pancaran terangsang terhadap serapan dapat dihitung sebagai berikut.

Dari persamaan ini tebukti tidaklah mungkin pancaran terangsang dapat mengungguli serapan pada kesetimbangan termal, karena N1 yang selalu lebih besar daripada N2. Laser bisa dibuat hanya jika N2 > N1 yang tentu saja tidak alamiah, keadaan terbalik seperti ini disebut inversi populasi. Inversi populasi ini harus dipertahankan selama laser bekerja, dan cara-caranya akan dijelaskan di bagian berikut

Cara-cara untuk mencapai keadaan inversi populasi ini antara lain adalah pemompaan optis dan pemompaan elektris. Pemompaan optis adalah penembakan foton sedangkan pemompaan elektris adalah penembakan elektron melalui lucutan listrik. Untuk menuju

(9)

keadaan inversi populasi pemompaan ini harus melakukan pemindahan atom ke tingkat eksitasi dengan laju yang lebih cepat dibandingkan dengan laju pancaran spontannya. Hal ini dapat dilakukan jika dipergunakan medium laser yang atom-atomnya memiliki tingkat energi yang metastabil. Sebuah tastabil memerlukan waktu yang relatif lebih lama sebelum terdeeksitasi dibandingkan dengan umurnya di tingkat eksitasinya yang lain.

Dengan demikian pada saat pemompaan terus berlangsung, terjadilah kemacetan lalu lintas di tingkat metastabil ini, populasinya akan lebih padat dibandingkan dengan populasi tingkat energi di bawahnya.

Populasi tingkat energi dasar kini sudah terlampaui populasi tingkat metastabil. Bila suatu saat secara spontan dipancarkan satu foton saja yang berenergi sama dengan selisih energi antara tingkat metastabil dengan tingkat dasar, ia akan memicu dan mengajak atom-atom lain di tingkat metastabil untuk kembali ke tingkat dasar.

Akibatnya atom-atom itu melepaskan foton-foton yang energi dan fasenya persis sama dengan foton yang mengajaknya tadi, terjadilah laser. Proses demikian inilah yang terjadi pada banyak jenis laser seperti pada laser ruby dan laser-laser gas.

C. Laser Gas

Laser gas adalah sejenis laser dimana campuran gas digunakan sebagai medium aktif atau media laser. Laser gas adalah laser yang paling banyak digunakan. Laser gas berkisar dari laser helium-neon daya rendah hingga laser karbon dioksida yang sangat tinggi. Laser helium-neon paling sering digunakan di laboratorium perguruan tinggi sedangkan laser karbon dioksida digunakan dalam aplikasi industri. Keuntungan utama laser gas (misalnya: laser He-Ne) karena laser solid state adalah bahwa mereka kurang rentan mengalami kerusakan akibat kepanasan sehingga bisa terus berjalan. Umumnya Gas Laser

(10)

menggunakan helium, neon, argon, atau karbon dioksida. Argon laser digunakan untuk retina fototerapi (untuk diabetes), dan CO 2 adalah salah satu laser yang paling efisien, digunakan dalam industri pemotongan dan pengelasan.

Laser gas mempunyai linewidth yang lebih sempit dibandingkan dengan laser zat padat dan cair. Kontribusi pelebaran garis ini bersal dari tumbukan antar atom/ molekul gas, karena umumnya tekanan gas yang digunakan beberapa Torr atau kurang, kontribusi terbesar berasal dari pelebaran karena efek doppler. Menyebabkan proses pemompaan secara optik dengan menggunakan flash lamp seperti pada laser zat padat dan cair tidak mungkin diterapkan pada laser gas. Proses pemompaan umumnya secara listrik dengan melewatkan arus listrik dengan melewatkan arus listrik DC atau AC pada medium gas yang akan menimbulkan elektron bebas dan ion. Adanya medan listrik akan mempercepat muatan ini sehingga dapat memperoleh energi kinetik untuk menimbulkan eksitasi selanjutnya melalui tumbukan. Pada gas dengan tekanan rendah seperti umumnya digunakan dalam laser gas, energi kinetik elektron jauh lebih besar dibandingkan dengan atom atau ion.

a. Proses Eksitasi pada Gas

1. Untuk gas yang terdiri dari satu satu, eksitasi terjadi dari tumbukan elektron. Dimana X dan X- adalah tingkat eksitasi. Proses ini disebut tumbukan jenis pertama.

2. Untuk gas yang terdiri dari dua jenis misalnya A dan B, eksitasi dapat terjadi melalui tumbukan antar atom yang berlainan jenis melalui proses yang disebut resonant energy transfer. Proses ini disebut tumbukan jenis kedua.

Atom A berada dalam keadaan eksitasi sedang B pada tingkat dasar. Apabila selisih tingkat energi eksitasi atom A dan B, ∆E < kT, maka pada saat tumbukan akan terjadi perpindahan tingkat energi eksitasi dari A ke B. Proses ini sangat penting dalam pemompaan atom B bila tingkat eksitasi A adalah tingkat metastable. Tingkat eksitasi A dapat terjadi melalui proses tumbukan elektron. Karena sifatnya yang metastabel, tingkat ini menjadi semacam cadangan energi (reservoir) untuk eksitasi atom B. Atom yang terkesitasi akan pindah ke tingkat yang lebih rendah atau tingkat dasar melalui 4 cara sebagai berikut:

1) Tumbukan antara elektron dan atom yang tereksitasi, dimana atom memberikan energinya pada elektron (tumbukan jenis kedua)

(11)

2) Tumbukan antar atom

3) Tumbukan antar atom dan dinding tabung

4) Emisi spontan, disini mungkin terjadi suatu radiation trapping, dimana photon yang teremisi diserap oleh atom lain yang kemudian terkeksitasi.

Sebagai akibat dari proses eksitasi tersebut diatas, untuk suatu harga arus tertentu akan terjadi keseimbangan antara beberapa tingkat energi. Keadaan ini akan tercapai bila untuk suatu tingkat energi, kecepatan eksitasi telah sama dengan kecepatan transisi ke tingkat yang lebih rendah.

b. Pengelompokkan Laser Gas

Umumnya inversi populasi akan terjadi pada tingkat dimana kecepatan eksitasi lebih tinggi dibandingkan dengan kecepatan turun ke tingkat lebih rendah, sehingga gas laser dikelompokkan dalam:

1. Laser gas dengan atom netral

Sebagai contoh Laser He-Ne yang dapat berisolasi pada panjang gelombang λ=0.633 µm, 1.15 µm, dan 3.39 µm. Laser He-Ne dengan λ=1.15 µm merupakan laser gas yang pertama kali berosilasi, sedang laser He-Ne dengan λ=0.633 µm merupakan laser gas yang banyak digunakan. Tingkat energi He-Ne dapat dilihat pada gambar.

(12)

Transisi laser terjadi antara tingkat energi atom Ne sedang He dalam proses pemompaan. Tingkat energi 23s dan 21s He merupakan tingkat yang berdekatan dengan 2s dan 3s dari atom Ne. Karena tingkat 23s dan 21s He merupakan tingkat metastable, maka He sangat efisien dalam pemompaan tingkat 2s dan 3s atom Ne melalui proses resonant energy transfer. Kedua tingkat energi ini dapat diperbesar populasinya hingga dapat menjadi tingkat atas transisi laser. Osilasi yang terjadi ditentukan oleh reflektivitas cermin yang digunakan. Umumnya digunakan cermin dielektrik dengan reflektivitas maksimum disesuaikan dengan λ yang diinginkan. Linewidth suatu gas laser ditentukan oleh kontribusi dari pelebaran doppler, karena gerak thermal atom-atom Ne, pada suhu T=300K besarnya :

∆VDoppler = 1.7 GHz pada λ=0.633 µm

Konstruksi He-Ne yang umum digunakan dapat dilihat pada gambar.

Gambar. Kontruksi laser gas He-Ne

2. Laser gas dengan medium aktif atom molekul yang terionisir.

Tingkat energi lebih tinggi dibandingkan dengan atom netral, sehingga umunya mempunyai panjang gelombang di daerah cahaya tampak atau ultra violet. Populasi laser tingkat atas terjadi dari tumbukan yang berurutan dengan elektron. Tumbukan pertama menyebabkan terjadinya ionisasi sedang berikutnya akan menaikkan ion ke tingkat eksitasi. Proses pemompaan dilakukan dua tahap, hingga daya laser yang timbul berbanding lurus dengan kuadrat rapat arus J. Dibutuhkan kerapatan arus lebih tinggi dibandingkan laser gas dengan atom netral. Diantara beberapa macam laser ion, yang banyak digunakan adalah laser Ar-, disini akan ditinjau sebagai contoh. Tingkat energi ion Ar+ dilukiskan pada gambar.

(13)

Gambar. Tingkat energi ion Ar+

Populasi tingkat atas dari transisi laser (4p) dicapai melalui tiga proses sebagai berikut:

a. Tumbukan antar elektron dengan ion Ar+ pada tingkat dasar b. Tumbukan antara elektron dengan tingkat metastable

c. Proses radiasi dari tingkat energi yang lebih tinggi

Ketiga proses diatas secara bersama-sama akan menaikkan populasi tingkat 4p. Karena rapat arus yang tinggi pada laser terjadi migrasi ion Ar– ke arah katoda, maka untuk mencegah terjadinya penumbukan ion dipasang suatu return path. Berbeda dengan He-Ne, laser Ar– mempunyai daya yang berbanding lurus dengan kuadrat rapat arus. Laser ion yang juga banyak dipakai Kr+ dengan panjang gelombang 647,1 nm (merah)

3. Laser dengan medium aktif molekul

Laser ini berosilasi sebagai akibat dari transisi yang terjadi antara tingkat vibrasi rotasi suatu molekul. Beda tingkat energi rotasi kecil, umumnya panjang gelombang laser ini didaerah inframerah, antara 5-300 µm. Contohnya laser CO2. Osilasi yang terjadi antara vibrasi dan rotasi CO2 berfungsi sebagai katalisator dalam mempertinggi efisiensi laser. Daya laser ini dapat di buat sangat tinggi karena efisiensi yang tinggi pada laser ini Pada CO2 yang terdiri dari 3 atom, terdapat 3 model vibrasi:

(14)

b. Bending

c. Asimetric strectching

Linewidth dari laser CO2 dipengaruhi oleh peleburan Doppler berharga kira-kira 50 MHz untuk tekanan total beberapa Torr (antara 10-5 Torr). Dilihat dari kontruksinya laser CO2 dapat dikeleompokkan dalam:

a. Laser dengan aliran gas longitudinal b. Laser dengan aliran gas transversal c. Tea laser

d. Laser gas dinamik

Proses pemompaan pada laser gas dinamik digunakan cara ekspansi yang tiba-tiba dari suatu campuran gas yang telah dipanaskan sebelumnya (1400ºC). Ekspansinya dilakukan dengan kecepatan supersonik (mach4) untuk menurunkan temperatur dan tekanan gas dalam selang waktu yang:

a Lebih pendek dari waktu relaksasi (T) tingkat atas transisi laser b panjang dari waktu relaksasi tingkat bawah transisi

Dalam keadaan ini, populasi tingkat atas gas hasil ekspansi akan tetap seperti pada suhu sebelumnya (1400ºC), sedang populasi tingkat bawah akan berkurang sesuai dengan suhu ruang. Untuk ini, waktu relaksasi tingkat bawah harus jauh lebih kecil dibandingkan dengan tingkat atas. Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan campuran CO2-N2 H2O.

(15)

BAB III

PENUTUP

A. Kesimpulan

1. Laser gas merupakan suatu laser yang mempunyai linewidth yang lebih sempit dibandingkan dengan laser zat padat dan cair. Pada gas dengan tekanan rendah seperti umumnya digunakan dalam laser gas, energi kinetik elektron jauh lebih besar dibandingkan dengan atom atau ion.

2. Pada laser gas, terdapat pengelompokan yaitu: a. Laser gas atom netral

b. Gas laser ion

c. Laser gas molekul

DAFTAR PUSTAKA

Siregar, Masbah RT, Light Sources. Telkoma LIPI. 1998