INTERAKSI CAHAYA DENGAN MATERIAL

LASER

(

L

IGHT

A

MPLIFICATION BY

S

TIMULATED

INTERAKSI CAHAYA DENGAN MATERIAL

1. ABSORPSI, EMISI SPONTAN DAN EMISI TERSTIMULASI

Pandang suatu sistem dengan dua-tingkatan energi E₁ dan E₂ (E₂ > E₁)

E₁ E₂

hν hν hν

hν

hν

hν

(a). absorpsi (b). emisi spontan (c). emisi terstimulasi

Frekuensi cahaya yang dipancarkan:

h

E

E

_{2 1}

21

−

=

ν

h = konstanta Planck

1. Absorpsi : tereksitasinya elektron dari E₁ ke E₂ akibat penyerapan foton dengan energi hν > (E₂ - E₁)

2. Emisi spontan : peluruhan elektron dari E₂ ke E₁

♦ Emisi radiatif (memancarkan foton dengan energi = E₂ – E₁)

♦ Emisi non-radiatif ( tidak memancarkan foton)

3. Emisi terstimulasi : elektron yang sudah berada di E₂ distimulasi oleh foton yang datang untuk meluruh ke E₁ sehingga akan memperkuat

Contoh : Bagaimana Laser Rubi bekerja ?

1. Keadaan tidak lasing 2. Cahaya yang mengenai kristal Rubi menyebabkan eksitasi atom

3. Beberapa atom mengemisi foton atau cahaya

4. Beberapa foton bergerak sejajar dengan sumbu kristal Rubi dan dipantulkan oleh cermin, sehingga menstimulasi emisi oleh atom lain

Bagaimana probabilitas absorpsi dan emisi ?

Assumsikan Ni adalah jumlah molekul/atom persatuan volume yang menduduki tingkat energi ke-i pada waktu t (populasi level-i)

2

1

N₂, E₂

N₁, E₁

1. Kasus Absorpsi

1 12 a

1

_W

_N

dt

dN

−

=













Laju transisi 1 → 2 W₁₂ = laju absorpsi

= σ₁₂ F

2. Kasus Emisi Spontan

Peluruhan non-radiatif:

nr



τnr = lifetime emisi non-radiatif (det)

Apa perbedaan dari emisi radiatif (spontan) dan non-radiatif ?

3. Kasus Emisi Terstimulasi

σ₂₁ = penampang emisi terstimulasi

Proses emisi terstimulasi dicirikan oleh emisi terstimulasi dan absorpsi.

Menurut Einstein:

12

g₁ = jumlah degenerasi di tingkatan energi -1

Bila foton yang datang mempunyai penampang lintang S, maka perbedaan foton yang datang dan yang keluar dari daerah dz adalah SdF.

S dF = perbedaan emisi spontan dan absorpsi di daerah dz persatuan waktu

(

W

N

W

)

S

dF

dF

S

=

_{21 2}

−

₁₂

2

1

N₂, E₂

N₁, E₁ dz

Sumbu-z

F F + dF

Bila suatu foton datang dengan fluks F ke dalam bahan, maka akan terjadi perubahan fluks sebesar dF akibat absorpsi dan emisi terstimulasi

1

Arti fisis dari pers…(1)

..(1)

• Bahan bersifat penguat (amplifier) jika:

1

> Inversi populasi

• Bahan bersifat penyerap (absorber) jika:

1

Komponen Dasar dari LASER

Untuk membuat suatu osilator dari amplifier, maka diperlukan suatu feedback positif

yang sesuai. Dalam kasus Laser, feedback diperoleh dengan menempatkan bahan aktif diantara dua cermin pemantul (reflecting mirrors), seperti cermin bidang yang sejajar

output

cermin-2 bahan aktif

cermin-1

• Agar terjadi emisi terstimulasi, maka harus ada inversi populasi.

• Pada kesetimbangan termal, absorpsi lebih dominan daripada emisi

terstimulasi, sehingga diharapkan akan terjadi inversi populasi. Namun kenyataannya tidak pernah terjadi (setidaknya pada kasus steady state).

• Jika g₂N₂ = g₁N₁, proses absorpsi dan emisi terstimulasi saling mengkompensasi, sehingga material menjadi transparan. Keadaan ini disebut

two-level saturation.

• Populasi inversi tidak akan pernah bisa dihasilkan oleh material dengan dua tingkatan energi (two-level).

• Agar terjadi inversi populasi, maka harus dilakukan pada three-level atau four-level

fast decay fast decay

1 2 pumping

laser

(a)

1 2 pumping laser

0 fast decay

(b)

Sifat-sifat cahaya LASER

Sifat cahaya laser dicirikan oleh monokromatis, koheren, terarah dan brightness

A. Monokromatis

Monokromatis artinya hanya satu frekuensi yang dipancarkan. Sifat ini diakibatkan oleh:

1. Hanya satu frekuensi yang dikuatkan [ν = (E₂-E₁)/h]

2. Susunan dua cermin yang membentuk cavity-resonant sehingga osilasi terjadi hanya pada frekuensi yang sesuai dengan frekuensi cavity.

B. Koheren

B.1. Koheren ruang (spatial coherence)

C. Keterarahan (directionality)

Merupakan konsekuensi langsung ditempatkannya bahan aktif dalam cavity resonant.

Hanya gelombang yang merambat dalam arah yang tegak lurus terhadap cermin2 yang dapat dipertahankan dalam cavity.

C.1. Koheren ruang yang sempurna

Pada jarak tertentu masih terjadi divergensi akibat difraksi

D layar

Prinsip Huyghens : muka-muka gelombang pada layar dapat diperoleh akibat

superposisi dari gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap titik di apertur D

D

d

βλ

=

θ

λ = panjang gelombang D = diameter berkas/celah

β = koefisien numerik

Suatu berkas cahaya dimana divergensinya dapat diungkapkan dalam bentuk θ_d diatas disebut diffraction limited.

C.2. Koheren ruang parsial

Divergensi lebih besar daripada nilai minimum untuk difraksi

( )

1/2

Sc

βλ

=

θ

Sc = luas koherensi yang berperilaku sebagai apertur_{batas terjadinya superposisi koheren dari wavelets}

elementer.

D. Brightness

Brightness suatu sumber cahaya didefinisikan sebagai daya yang dipancarkan persatuan luas permukaan persatuan sudut ruang.

n

O

O’

θ

d

Ω

Daya yang dipancarkan dP oleh permukaan luas dS ke sudut ruang dΩ di sekitar titik OO’:

Ω

θ

=

B

cos

dS

d

dP

Faktor cos θ secara fisis merupakan proyeksi dS para bidang ortogonal terhadap arah OO’.

B adalah brightness sumber pada titik O dalam arah OO’. Besaran ini bergantung pada koordinat θ.

O

Berkas laser dengan daya P mempunyai

diameter berkas D dan divergensi θ (biasanya

θ <<), maka cos θ ≈ 1

Luas berkas:

4

Maka brightness:

(

)

2

Bila berkas adalah limit difraksi θ = θ_D, maka brightness maksimum:

Brightness merupakan parameter yang sangat penting. Secara umum brightness dari sumber cahaya:

p

d

( )

NA

B

4

Ip

=

π

2 NA = numerical apertur dari lensa.

f

D_L = diameter lensa

Suatu berkas laser bahkan dengan daya yang sedang (mW) mempunyai brightness beberapa orde yang lebih tinggi dibandingkan dengan sumber cahaya konvensional. Hal ini diakibatkan oleh sifat keterarahan yang tinggi.

Tipe-tipe cahaya LASER

♦ Berdasarkan bentuk fisik bahan aktif: laser zat padat, zat cair dan gas.

Bentuk khusus : laser elektron bebas (free- electron LASER) adalah bahan aktifnya terdiri dari elektron-elektron bebas dengan bergerak melewati susunan medan magnet yang periodik.

♦ Berdasarkan panjang gelombang yang dipancarkan : UV laser, visible, infra-merah

Klasifikasi LASER

LASER diklasifikasikan kedalam 4-kelas berdasarkan pada potensi kerusakan organ biologi.

Class I : Tidak berbahaya.

Class I.A. : Laser ini tidak boleh langsung mengenai mata (scanner di supermarket). Batas atas dayanya 4.0 mW.

Class II : Laser cahaya tampak berdaya rendah. Daya maksimum 1 mW.

Class IIIA : Laser berdaya sedang (cw: 1-5 mW), yang hanya berbahaya jika mengenai mata secara langsung.

(contoh : laser pointer).

Class IIIB : Laser berdaya sedang.

Class IV : Laser berdaya tinggi (cw: 500 mW, pulsed: 10 J/cm2_).

Berbahaya jika dilihat dari berbagai kondisi (langsung atau yang terhambur) dan berpotensi menyebabkan kebakaran atau membakar kulit.