MAKALAH MAKALAH LASER S
LASER SEMIKONDUKTOEMIKONDUKTOR R
Nama
Nama : : MELKIANUS MELKIANUS DONADONA NIM
NIM : : 13060610071306061007 Jurusan
Jurusan : : FisikaFisika
LAORATORIUM FISIKA LAORATORIUM FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK UNI!ERSITAS NUSA "ENDANA UNI!ERSITAS NUSA "ENDANA
KU#AN$ KU#AN$
%016 %016
BAB I . PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Hampir semua dari komponen elektronika memerlukan sumber arus searah.Penyearah digunakan untuk mendapatkan arus searah dari suatu arus bolak- balik. Arus atau tegangan tersebut harus benar-benar rata tidak boleh
berdenyut-denyut agar tidak menimbulkan ganguan bagi peralatan yang di !atu. "etikan suatu sambungan dibentuk dari bahan semikonduktor tipe-P dan tipe- N perangkat atau komponen yang di hasilkan disebut diode. Dioda sebagai salah satu komponen akti# $uga sangat popular digunakan dalam rangkaian elektronika karena bentuknya yang sederhana sehingga penggunaannya sangat luas. Dioda memiliki #ungsi yang unik yaitu hanya dapat mengalirkan arus satu arah sa$a. %truktur dioda tidak lain adalah sambungan semikonduktor P dan N. %atu sisi adalah semikonduktor tipe P dan sisi lainnya adalah semikonduktor tipe N. Dengan struktur yang demikian maka arus hanya akan dapat mengalir dari sisi P menu$u sisi N. %alah satu man#aat dari semikonduktor ialah untuk pembuatan LA%E&.
B. &umusan 'asalah
a. Apa yang di maksud dengan Laser %emikonduktor b. Bagaimana si#at-si#at dari Laser %emikonduktor
(. )u$uan
a. Agar penulis dapat memahami tentang Laser semikonduktor
b. Agar penulis dapat memahami !ara pembuatan Laser %emikonduktor berdasarkan si#at-si#at laser
A. Pengertian dan %e$arah Laser
LA%E& *singkatan dari bahasa Inggris+ Light Ampli#i!ation by %timulated Emission o# &adiation, Laser memperkuat !ahaya. Laser dapat mengambil berkas !ahaya yang lemah dan membuatnya men$adi berkas yang kuat. Beberapa laser menghasilkan berkas yang sangat kuat sehingga dapat membakar lubang ke!il di dalam selembar besi dalam aktu kurang dari satu detik. %inar laser dapat men!apai $arak $auh melalui angkasa luar tanpa menyebar dan men$adi lemah. "arena itulah sinar laser men$adi alat komunikasi penting dalam berkomunikasi dalam $aman angkasa luar. Banyak kegunaan laser sudah ditemukan dalam ilmu kedokteran ilmu pengetahuan dan industri. Ilmuan menganggap !ahaya sebagai gelombang yang bergerak. arak dari kulit sebuah gelombang ke kulit berikutnya disebut pan$ang gelombang. (ahaya dari matahari atau dari lampu adalah !ampuran banyak pan$ang gelombang. %etiap pan$ang gelombang yang berbeda menghasilkan arna yang berbeda. %inar laser terbuat dari !ahaya yang semuanya terdiri dari pan$ang gelombang yang sama. Berkas !ahaya dalam !ahaya biasa mengalir ke arah yang berbeda. %inar laser bergerak dalam arah yang sama persis. %inar laser tidak menyebar dan tidak melemah.
Pada aal perkembangannya orang tidak menyebut dengan nama laser. Para ahli masa itu menyebutnya sebagai 'A%E& *'i!roa/e Ampli#i!ation by the %timulated Emission o# &adiation. Dan orang yang disebut-sebut pertama kali mengungkapkan keberadaan maser adalah Albert Einstein antara tahun 0102 - 0103. Ilmuan yang terkenal eksentrik ini $uga yang pertama kali berpendapat baha !ahaya atau sinar bukan hanya terdiri dari gelombang elektromagnetik tapi $uga bermuatan partikel dan energi. Dan dikenal lah apa yang disebut sebagai radiasi. )api maser dari Einsten ini baru sebatas teori. )eknologi pada dekade kedua abad 45 belum mampu meu$udkannya. Disamping itu banyak ilmuan yang menganggap teori dari Eisntein itu sebagai teori yang kontro/ersial. Pada tahun-tahun berikutnya terlebih pada perang dunia kedua maser lebih banyak digunakan untuk
kepentingan militer yaitu untuk pengembangan radar. Hingga akhirnya (harles H. )ones ames 6ordon dan Herbert 7eiger berhasil membuat maser dengan menggunakan gas Amoniak. Dan inilah maser yang pertama kali dibuat orang. "eberhasilan itu dipublikasikan pada tahun 0189. Itu merupakan maser dengan satu tingkat energi. %elan$utnya ide emisi dua tingkat untuk mempertahankan in/ersi pada maser telah dikembangkan oleh dua orang ilmuan %o/yet Nikolai Baso/ dan Ale:ander Prokhoro/.
"arena sumbangannya yang sangat penting ini dalam pengembangan maser (harles H. )ones Nikolai Baso/ dan Ale:ander Prokhoro/ berbagi hadiah Nobel bidang ;isika pada tahun 0129. (harles H. )ones memang orang yang berperan penting dalam dunia maser. %ebelumnya beliau bersama Arthur %!halo telah meneliti kemungkinan pembuatan maser optik *yang kemudian berkembang men$adi laser, dan sinar in#ra merah. &in!ian penelitian itu diterbitkan pada bulan Desember 018<. Namun mereka berdua masih menemui kesulitan dan pembuatan laser *maser optik,. Hingga akhirnya sebelum memasuki tahun 0125 )heodore 'aiman bisa meu$udkan ker$a sinar laser. 'aiman menggunakan silinder batu &uby untuk memi!u timbulnya laser hingga laser buatannya dikenal sebagai &uby Laser. )api &uby Laser hanya mampu beker$a pada energi tingkat ketiga. %etelah memasuki tahun 0125 Peter %orokin dan 'irek %te/enson mulai mengembangkan laser tingkat keempat yang pertama. )api itu pun masih sebatas teori dan tu$uan untuk merealisasikannya masih belum
ter!apai. Namun demikian se$ak saat itulah era laser dimulai.
%ekilas baha )heodore 'aiman dianggap sebagai orang yang pertama kali berhasil membuat laser *bukan maser,. )api sebenarnya ada orang lain yang telah mendahuluinya yaitu 6ordon 6ould. Pada tahun 018< 6ordon 6ould kabarnya telah berhasil membuat maser optik *laser, bahkan dia $uga yang dianggap sebagai orang yang pertama kali menggunakan istilah Laser *Light Ampli#i!ation by the %timulated Emission o# &adiation,. )api 6ordon gagal menda#tarkan paten laser-nya pada tahun 0181. Hingga pada tahun 0133 6ordon memenangkan paten tersebut. Butuh aktu < tahun untuk mendapatkan pengakuan itu. Pada masa yang hampir bersamaan $uga beberapa ilmuan lain berhasil membuat laser dengan menggunakan bahan yang berbeda. 'isalnya Ali a/an =illiam Bennet dan Donald Herriot yang membuat laser dengan media gas helium dan neon pada tahun 0125 dan keberhasilannya baru dipublikasikan pada tahun 0120. "umar N. Patel membuat laser dengan perantaraan karbondioksida nitrogen dan helium pada tahun 0129. Dan pada tahun yang sama $uga *0129, Earl Bell membuat laser dengan bantuan helium dan merkuri. Para ilmuan ini dianggap pembuat untuk laser gas karena bahan-bahan yang mereka gunakan untuk membuat laser pada umumnya berupa >at gas. Perkembangan yang !ukup penting ter$adi pada tahun 0124 ketika seorang ilmuan yang beker$a pada perusahaan 6eneral Ele!tri! &obert Hall menemukan laser semikonduktor berukuran mini dengan biaya murah. Biasanya mesin atau peralatan pemroduksi sinar laser berukuran besar. Laser buatan &ober Hall inilah yang hingga kini digunakan pada perangkat /!d dan d/d player printer laser pemba!a kode bar dri/e pada (PU sistem komunikasi yang menggunakan serat optik dan
sebagainya. %ebuah penemuan yang re/olusioner dibuat pada tahun 0135 ketika (harles "ao dan 6eorge Ho!kham berhasil membuat apa yang sekarang disebut serat optik *#iberglass,. 'ereka berdua memang tidak membuat laser tapi penemuannya sangat penting dalam penggunaan aplikasi laser. Dan seperti kita tahu serat optik banyak digunakan dalam bidang komunikasi. Bidang inilah yang memang dianggap sebagai pengguna terbesar aplikasi laser. Laser dan serat optik memang dua penemuan yang sangat saling mendukung.
B. enis-enis laser
Ada berbagai $enis laser. 'edium laser bisa padat gas !air atau semikonduktor. Laser biasanya ditentukan oleh $enis bahan yang digunakan oleh penguatnya.
-
%olid-state laser material telah dikuatkan terdistribusi dalam matriks padat *sepertiruby atau neodymium+ yttrium-aluminium garnet laser yag,. Laser neodymium-yag meman!arkan !ahaya in#ramerah pada 0.529 nanometer *nm,.
-
laser 6as *helium dan helium-neon hene merupakan laser gas yang palingumum, memiliki output utama dari lampu in#ramerah. (?4 laser meman!arkan energi $auh dr in#ramerah dan digunakan untuk memotong material keras.
-
laser E:!imer *nama ini berasal dari istilah e:!ited dan dimers, menggunakan gasreakti# seperti klorin dan #luorin di!ampur dengan gas inert seperti argon kripton atau :enon. "etika elektrik dirangsang molekul pseudo *dimer,. "etika lased dimer menghasilkan !ahaya dalam kisaran ultra/iolet.
-
Dye laser menggunakan pearna organik kompleks seperti rhodamine 2g dalamlarutan !air atau suspensi sebagai media penguat.
-
%emi!ondu!tor laser kadang-kadang disebut dioda laser laser yg tidak solid-state.Perangkat elektronik yg menggunakan ini umumnya sangat ke!il dan menggunakan daya yang rendah. 'ereka dapat dibangun men$adi array yang lebih besar seperti sumber penulisan dalam beberapa printer laser atau (D player.
(. 'an#aat %inar Laser
Dalam kehidupan sehari-hari laser digunakan pada berbagai bidang. Dalam penggunaannya energi laser yang terpan!ar tiap satuan aktu dinyatakan dengan orde dari beberapa m=*Laser yand digunakan dalam system audio laser disk, sampai dengan beberapa '=*Laser yang digunakan untuk sen$ata,. Besarnya energi laser yang dipilih bergantung pada penggunaannya. Peman#aatan sinar laser misalnya pada bidang kedokteran pelayanan
-
Dalam bidang kedokteran dan kesehatan sinar laser digunakan antara lain untukmendiagnosis penyakit pengobatan penyakit dan perbaikan suatu !a!at serta penbedahan.
-
Pada bidang industri sinar laser berman#aat untuk pengelasan pemotongan lempengba$a serta untuk pengeboran.
-
Pada bidang astronomi sinar laser berdaya tinggi dapat digunakan untuk mengukur$arak Bumi Bulan dengan teliti.
-
Dala bidang #otogra#i laser mampu menghasilkan bayangan tiga dimensi dari suatubenda disebut hologra#i.
-
Dalam bidang elektronika laser solid state berukuran ke!il digunakan dalam systempenyimpanan memori optik dalam !omputer.
-
Dalam bidang komunikasi laser ber#ungsi untuk memperkuat !ahaya sehingga dapatmenyalurkan suara dan sinyal gambar melalui serat optik. D. %i#at-%i#at Laser
%inar laser sangat berbeda dengan sinar-sinar biasa. %inar laser memiliki si#at-si#at berikut+
• %inar laser bersi#at monokromatik artinya sinar laser hanya mengandung satu pan$ang
gelombang tertentu sa$a. Pan$ang gelombang sinar ini ditentukan oleh $umlah energi yang dilepaskan pada saat elektron $atuh ke tingkat orbit yang lebih rendah.
• %inar yang dilepaskan oleh laser bersi#at koheren artinya sinar laser @terorganisasi
yaitu tiap-tiap #oton penghasil sinar laser bergerak serempak se!ara teratur satu sama lain. %e!ara teknis ini berarti baha semua #oton memiliki muka gelombang yang sama dan menyatu satu sama lain.
• %inar laser sangat terarah. %inar laser memiliki berkas yang sangat rapat kuat dan
terkonsentrasi. Bandingkan dengan sinar lampu biasa yang meman!arkan !ahaya dalam berbagai arah serta sinarnya sangat lemah dan menyebar.
E. (ara "er$a Laser
"etiga karakteristik sinar laser di atas dapat ter!apai berkat adanya proses rangsangan emisi *emisi yang distimulasi,. Peristia emisi terstimulasi ini tidak ter$adi pada sumber sinar lampu biasa. Dalam sumber-sumber sinar seperti itu semua atom-atom melepaskan
#oton-#oton mereka se!ara a!ak. %ementara itu pada emisi terstimulasi peman!aran #oton-#oton ter$adi se!ara terorganisasi terstruktur.
;oton yang dilepaskan oleh atom memiliki pan$ang gelombang tertentu yang bergantung pada perbedaan energi antara keadaan eksitasinya dengan keadaan energi dasarnya. ika #oton ini *yang memiliki sebuah energi dan #ase tertentu, bertemu dengan atom-atom lain yang memiliki sebuah elektron dengan keadaan eksitasi yang sama maka emisi terstimulasi dapat ter$adi. ;oton yang pertama dapat menstimulasi atau memberikan emisi atomik sehingga #oton yang terpan!ar berikutnya *dari atom yang kedua, bergetar dengan #rekuensi yang sama dan dengan arah yang sama dengan #oton yang datang.
prinsip ker$a dari laser adalah dengan menggunakan sepasang !ermin masing-masing satu di u$ung medium penguat. ;oton dengan pan$ang gelombang dan #ase yang sangat spesi#ik memantul dari !ermin !ermin-!ermin tersebut untuk bergerak pulang balik melalui medium penguat. Dalam proses gerakan pulang balik ini #oton akan banyak menstimulasi elektron-elektron lainnya untuk melakukan perpindahan energi ke tingkat yang lebih rendah dan dapat menyebabkan peman!aran lebih banyak #oton yang memiliki pan$ang gelombang dan #ase yang sama. %alah satu !ermin pada u$ung lain dari laser ini merupakan !ermin setengah perak yang berarti baha $enis !ermin ini memantulkan sebagian sinar dan sebagian sinar lainnya dileatkan. %inar yang dileatkan ini merupakan sinar laser.
Berkas laser umumnya sangat koheren yang mengandung arti baha !ahaya yang dipan!arkan tidak menyebar dan rentang #rekuensinya sempit *monochromatic light ,. Laser merupakan bagian khusus dari sumber !ahaya. %ebagian besar sumber !ahaya emisinya tidak koheren spektrum #rekuensinya lebar dan phasenya ber/ariasi terhadap aktu dan posisi. Daerah ker$a di/ais laser tidak terbatas pada spektrum !ahaya tampak sa$a tetapi dapat beker$a pada daerah #rekuensi yang luas ?leh karena itu di/ais tersebut dapat berupa laser
in#a red laser ultra /iolet laser C-ray atau laser /isible.
Laser dikatakan baik $ika #rekuensi atau pan$ang gelombang yang dipan!arkannya bersi#at tunggal. Daya laser dapat dibuat ber/ariasi dari mulai nano att untuk laser kontinyu sampai triliunan att untuk laser pulsa. Laser merupakan komponen utama pada sistem komunikasi modern saat ini. %elain itu laser $uga diman#aatkan sebagai probe untuk pemba!aan data (D atau DD sebagai sumber !ahaya pada alat pemba!a bar!ode alat bantu
na/igasi pada bidang militer alat bantu operasi pada bidang kedokteran dan masih banyak lagi aplikasi lainnya.
%e!ara umum suatu di/ais laser terdiri dari media penguat berkas !ahaya *gain medium, sumber energi pemompa * pumping source, dan resonator optik *optical resonator ,.
Bahan media penguat dapat berupa gas !airan padatan atau plasma. 'edia penguat menyerap energi yang di pompakan dan mengakibatkan se$umlah elektron tereksitasi ketingkat energi yang lebih tinggi. Partikel dapat berinteraksi dengan !ahaya melalui !ara mengabsopsi atau mengemisikan #oton. Emisi dapat ter$adi se!ara spontan atau dengan !ara stimulasi. "etika $umlah elektron pada suatu tingkat eksitasi melebhi umlah elektron pada tingkat energi dibaahnya maka populasi in/ersi telah ter$adi. Hal tersebut dapat mengakibatkan ter$adinya emeisi terstimulasi yang $umlahnya lebih besar daripada yang di absorbsi.
;. Laser %emikonduktor
Laser disebut laser in$eksi karena pemi!uannya dilakukan dengan in$eksi arus listrik leat sambungan PN semikonduktornya. adi laser ini tidak lain adalah sebuah diode dengan bias ma$u biasa. Diode diode yang digunakan adalah galium ar senida-#los#ida 6aAsP *sinar
tampak merah,.
Proses laser $enis ini mirip dengan ker$a LED biasa. Pan!aran #otonnya disebabkan oleh bergabungnya kembali elektron dan lubang *hole, di daerah sambungan PN-nya. Bahan semikonduktor yang dipakai harus memiliki gap energi yang langsung agar dapat melakukan radiasi #oton tanpa melanggar hukum kekekalan momentum. ?leh sebab itu laser semikonduktor tidak pernah menggunakan bahan seperti silikon maupun germanium yang gap energinya tidak langsung.
Dibandingkan dengan LED laser semikonduktor masih mempunyai dua syarat tambahan. Fang pertama bahannya harus diberi doping banyak sekali sehingga tingkat energi ;ermi-nya melampauitingkat energi pita konduksi di bagian N dan masuk ke baah tingkat energi pita /alensi di bagian P.Hal ini perlu agar keadaan in/ersi populasi di daerah
sambungan PN dapat di!apai. Fang kedua rapatarus listrik ma$u yang digunakan haruslah besar begitu besar sehingga melampaui harga ambangnya.Besarnya sekitar 85 ribu ampere!m4 agar laser yang dihasilkan bersi#at kontinu. &apat arus ini luar biasa besar sehingga diode laser harus ditaruh di dalam kriostat supaya suhunya tetap rendah * 33 " , $ika tidak arus yang besar ini dapat merusak daerah sambungan PN dan diode berhenti menghasilkan laser.
Pada gambar diatas tampak baha di sebagian daerah deplesi ter$adi in/ersi populasi $ikasambungan PN diberi tegangan ma$u daerah ini disebut lapisan akti#. Daerah deplesi adalah daerah di sekitar sambungan PN yang tidak memiliki pembaa muatan listrik bebas. Pada saatdilakukan in$eksi arus listrik melalui sambungan elektron-elektron di pita konduksi pada lapisan akti# dapat bergabung kembali dengan lubang-lubang di pita /alensi.
Dioda yang disingkat dengan lambang D ialah suatu komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor yang saling di pertemukan. Dioda mempunyai dua elektroda bahan positi#nya disebut anoda dan bahan negati#nya disebut katoda. ika dua tipe bahan semikonduktor ini diletakkan maka akan didapat sambungan P-N *p-n $un!tion, yang di kenal sebagai dioda. Pada pembuatannya memang material tipe P dan N bukan disambung se!ara harpiah melainkan dari satu bahan *monoliti!, dengan memberi doping *impuriti material, yang berbeda. Dibaah ini adalah $enis-$enis dioda antara lain+
0. Dioda germanium yaitu + Dioda yang terbuat dari bahan 6ermanium 4. Dioda selenium yaitu Dioda yang terbuat dari bahan %ilenium
9. Dioda 7ener yaitu Dioda yang terbuat dari bahan 7ener dan banyak digunakan dalam rangkaian (atu Daya sebagai %tabilisator.
8. Dioda !ahaya atau yang sering disebut LED.
2. Dioda laser adalah se$enis dioda dimana media akti#nya menggunakan sebuah semikonduktor persimpangan p-n yang mirip dengan yang terdapat pada diode peman!ar !ahaya.
Prinsip ker$a diode ini sama seperti diode lainnya yaitu melalui sirkuit dari rangkaian elektronika yang terdiri dari $enis p dan n. Pada kedua $enis ini sering dihasilkan 4 tegangan yaitu+
a. Biased #oreard dan b. Ba!k#orard biased
%alah satu !ontoh laser dioda ialah laser diode biru. Laser biru sangat sulit didapat karena sistem semikonduktor yang tepat untuk laser ini sulit ditemukan serta pembaa muatan dari berbagai lapisan harus !o!ok agar energi yang di lepaskan memiliki pan$ang gelombang yangdiinginkan. Banyak per!obaan gagal dilakukan karena material penyusun memiliki struktur yang berbeda sehingga tidak !o!ok satu sama lain. Berbagai kombinasi telah di!oba selama 4 dasaarsa penelitiannamun tdak $uga behasil. "ebanyakan peneliti menggunakan kombinasi 7n-%e *>in!-selenium, dan kombinasi semikonduktor serupa. "ombinasi tersebut tampaknya memberi harapan tetapi dalam prakteknya sulit karean mda han!ur dan peka terhadap panas. "erusakan dalam struktur kristal yang tak dapay diperbaiki menghalangi peningkatan usia Laser.
