1
BAB I
Pendahuluan
1.1.
Latar Belakang
Laser adalah singkatan dari bahasa Inggris: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, merupakan mekanisme suatu alat yang memancarkan radiasi elektromagnetik
yang bisa juga diartikan perbesaran intensitas cahaya oleh pancaran
terangsang
, biasanya dalam bentuk cahaya yang tidak dapat dilihat maupun dapat lihat dengan mata normal, melalui proses pancaran terstimulasi. Pancaran laser biasanya tunggal, memancarkan foton dalam pancaran koheren.Dewasa ini, setelah L.A.S.E.R. diperkenalkan kira-kira 39 tahun yang lalu (1977-2016), kata laser telah menjadi perbendaharaan kata sehari-hari hingga sekarang biasa
ditulis de ga laser saja. Peralatan yang menggunakan komponen laser dapat ditemukan dimana-mana, seperti pembaca kode harga di kasir pasar swalayan, laser printer, c/dv-disc player, pertunjukan laser dalam festival musik bahkan dalam dunia medis dan militer.
Sinar laser terbuat dari cahaya yang semuanya terdiri dari panjang gelombang yang sama. Berkas cahaya dalam cahaya biasa mengalir ke arah yang berbeda. Sinar laser bergerak dalam arah yang sama persis. Sinar laser tidak menyebar dan tidak melemah
Dimulai dengan sejarah singkatnya, pada awal perkembangan, orang tidak menyebut dengan nama laser. Para ahli masa itu menyebutnya sebagai MASER (Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation). Dan orang yang disebut-sebut pertama kali mengungkapkan keberadaan maser adalah Albert Einstein antara tahun 1916 - 1917. Ilmuwan yang terkenal eksentrik ini juga yang pertama kali berpendapat bahwa cahaya atau sinar bukan hanya terdiri dari gelombang elektromagnetik, tapi juga bermuatan partikel dan energi. Dan dikenal lah apa yang disebut sebagai radiasi. Tapi maser dari Einsten ini baru sebatas teori. Teknologi pada dekade kedua abad 20 belum mampu mewujudkannya. Disamping itu, banyak ilmuwan yang menganggap teori dari Eisntein itu sebagai teori yang kontroversial.
2 Townes, Nikolai Basov, dan Alexander Prokhorov berbagi hadiah Nobel bidang Fisika pada tahun 1964.
Charles H. Townes memang orang yang berperan penting dalam dunia maser. Sebelumnya dia bersama Arthur Schawlow telah meneliti kemungkinan pembuatan maser optik (yang kemudian berkembang menjadi laser) dan sinar infra merah. Rincian penelitian itu diterbitkan pada bulan Desember 1958. Namun mereka berdua masih menemui kesulitan dan pembuatan laser (maser optik). Hingga akhirnya sebelum memasuki tahun 1960 Theodore Maiman bisa mewujudkan kerja sinar laser. Maiman menggunakan silinder batu Ruby untuk memicu timbulnya laser hingga laser buatannya dikenal sebagai Ruby Laser. Tapi Ruby Laser hanya mampu bekerja pada energi tingkat ketiga. Setelah memasuki tahun 1960, Peter Sorokin dan Mirek Stevenson mulai mengembangkan laser tingkat keempat yang pertama. Tapi itu pun masih sebatas teori dan tujuan untuk merealisasikannya masih belum tercapai. Namun sejak saat itu lah era laser dimulai.
Sekilas bahwa Theodore Maiman dianggap sebagai orang yang pertama kali berhasil membuat laser (bukan maser). Tapi sebenarnya ada orang lain yang telah mendahuluinya yaitu Gordon Gould. Pada tahun 1958, Gordon Gould kabarnya telah berhasil membuat maser optik (laser) bahkan dia juga yang dianggap sebagai orang yang pertama kali menggunakan istilah Laser (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation). Tapi Gordon gagal mendaftarkan paten laser-nya pada tahun 1959. Hingga pada tahun 1977 Gordon memenangkan paten tersebut. Butuh waktu 8 tahun untuk mendapatkan pengakuan itu.
Pada masa yang hampir bersamaan juga beberapa ilmuwan lain berhasil membuat laser dengan menggunakan bahan yang berbeda. Misalnya Ali Javan, William Bennet dan Donald Herriot yang membuat laser dengan media gas helium dan neon pada tahun 1960 dan keberhasilannya baru dipublikasikan pada tahun 1961. Kumar N. Patel membuat laser dengan perantaraan karbondioksida, nitrogen, dan helium pada tahun 1964. Dan pada tahun yang sama juga (1964), Earl Bell membuat laser dengan bantuan helium dan merkuri. Para ilmuwan ini dianggap pembuat untuk laser gas karena bahan-bahan yang mereka gunakan untuk membuat laser pada umumnya berupa zat gas.
Perkembangan yang cukup penting terjadi pada tahun 1962 ketika seorang ilmuwan yang bekerja pada perusahaan General Electric, Robert Hall, menemukan laser semikonduktor berukuran mini dengan biaya murah. Biasanya mesin atau peralatan pemroduksi sinar laser berukuran besar. Laser buatan Rober Hall inilah yang hingga kini digunakan pada perangkat vcd dan dvd player, printer laser, pembaca kode bar, drive pada CPU, sistem komunikasi yang menggunakan serat optik, dan sebagainya.
3 komunikasi. Bidang inilah yang memang dianggap sebagai pengguna terbesar aplikasi laser. Laser dan serat optik memang dua penemuan yang sangat saling mendukung.
Dalam makalah ini akan dibahas mengenai jenis-jenis laser yang telah dikembangkan.
1.2.
Rumusan Masalah
1. Apa saja jenis-jenis laser yang digunakan untuk penelitian pengembangan ilmu dan teknologi?
2. Bagaimana istrumentasi, prinsip dasar, serta manfaat dari jenis-jenis laser yang dikembangkan?
1.3.
Tujuan Penulisan
1. Mengetahui jenis-jenis laser yang telah digunakan dan dikembangkan untuk sains dan teknologi.
4
BAB II
Pembahasan
2.1.
Klasifikasi Jenis Laser
Pengkasifikasian jenis laser dapat dilihat dari beberapa sisi, baik dari material atau medium penguat yang digunakan, potensi kerusakan organ biologis, fungsi, maupun tujuan penggunaanya. Dalam makalah ini akan lebih dibahas pengklasifikasian berdasarkan berdasarkan jenis medium penguatnya yaitu, material aktif yang digunakan.
2.1.1.
Laser Zat Padat
Laser zat padat adalah laser yang bahan aktifnya memiliki impuritas ion-ion pada material host dielektriknya (dalam hal ini berbentuk kristal atau gelas). Ion-ion yang terletak di dalam elemen transisi, khususnya tanah jarang (rare earth, RE) atau ion-ion logam transisi yang sering digunakan sebagai impuritas aktif. Untuk Solid-state laser, Material yang umum digunakan untuk kristal induk (host) adalah golongan oksida seperti Al2O3, atau flourida
x`seperti YLiF4 (YLF). Impuritas bahan aktif adalah bahan RE yang memiliki struktur
elektronik 4fN5s25p65d06s2. Pada 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).
Berikut adalah konfigurasi electron dari beberapa elemen tanah jarang (RE) dan logam transisi yang sering digunakan sebagai material aktif laser.
5 Laser rubi terbuat dari Kristal alam Al2O3 (corundum), jika material Al2O3 tidak
dicampur dengan material lain, maka akan membentuk kristal tak berwarna atau disebut safir. Material aktif kristal ditumbuhkan dengan campuran antara Al2O3 dan
Cr2O3 (0,05% berat), memberikan warna pink. Pancaran gelombang = ,
6 Cara laser rubi bekerja ialah sebagai berikut.
Keadaan tidak lasing
Cahaya yang mengenai kristal rubi menyebabkan eksitasi atom
Beberapa atom mengemisi cahaya (foton)
7 Foton yang sefasa, monokromatis akan keluar dari cermin menghasilkan cahaya laser.
b. Laser Neodymium
Sebagai material host digunakan kristal Y3Al5O12 (Yttrium Aluminium Garnet,
YAG), material lain yang banyak digunakan sebagai host adalah fluoride YLiF4),
vanadate (YVO4), posfat dan gelas silika. Laser Nd:YAG dapat beroperasi kontinu
dan pulsa, dipompa oleh lampu atau laser semikonduktor AlGaAs.
c. Laser YAG lainnya
8
d. Laser Titanium Safir
Laser titanium safir (Ti:Al2O3) merupakan jenis laser zat padat tunable (panjang
gelombang yang dipancarkan dapat diubah). Laser ini dapat dioperasikan pada rentang pita ya g le ar Δ ≈ , sehi gga e erika le ar-pita (bandwidth) yang paling besar. Material Ti:Safir dibuat dengan mendoping kristal Al2O3 dengan Ti2O3 (konsentrasi 0,1 – 0,5 % berat), sehingga beberapa ion Ti
3+
menggantikan kedudukan ion-ion Al3+. Dapat dibuat dalam bentuk kontinu (cw) atau pulsa.
e. Laser Cr:LiSAF dan Cr:LiCAF
Laser Cr:LiSAF (Cr3+:LiSrAlF6) dan laser Cr:LiCAF (Cr 3+
:LiCaAlF6) merupakan jenis
laser zat-padat tunable, kedua material ini menawarkan rentang tuning yang lebar, dipompa/dibangkitkan dengan lampu flash atau laser dioda. Laser Cr:LiSAF digunakan memiliki panjang gelombang sekitar 850 nm dan lebar garis (linewidth) gain yang besar sehingga membuat material digunakan sebagai pembangkit pulsa femtodetik.
2.1.2.
Laser Dye
Laser Dye adalah jenis laser yang menggunakan medium aktif, terdiri dari larutan dye organik dalam pelarut cair, seperti etil, metil-alkohol, gliserol dan air. Dye organik merupakan molekul poliatomik mengandung rantai ikatan konjugasi ganda yang panjang [contoh (-CH=)n)]. Dye organic umumnya memiliki pita absorpsi dan fluoresensi yang lebar tanpa adanya fitur yang tajam; pita fluoresensi umumnya bergeser ke panjang gelombang yang lebih panjang daripada pita absorpsi (Stokes-shift),
sehingga memungkinkan dye organik ini digunakan untuk tunable laser. Umumnya, laser dye termasuk ke dalam salah satu golongan berikut:
1. Dye polymethine, osilasi laser pada daerah merah dan inframerah (0,7 – , ,
se agai o toh , diethylthiatri ar o ya i e iodide erosilasi pada pa jang
gelo a g pu ak, p= .
2. Dye xanthene, beroperasi pada panjang gelombang cahaya tampak, sebagai contoh
dye rhoda i e G de ga p = .
3. Dye coumarine, dimana ia berosilasi pada daerah hijau-biru (400 – 500 nm), sebagai contoh coumarine 2 berosilasi pada daerah iru p = .
Parameter optik dan spektroskopi dari media laser Dye
9
Laser Dye memiliki kemampuan tunable panjang gelombang dan mencakup spektral yang lebar.
2.1.3.
Laser Semi-konduktor
Laser semi-konduktor atau 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. Laser semi-konduktor menggunakan material semikonduktor direct-gap, silikon dan germanium tidak dapat digunakan. Mayoritas bahan merupakan kombinasi antara golongan IIIA pada tabel periodik (Al, Ga, In) dan golongan IVA (N, P, As, SB), sehingga membentuk senyawa III-IV, seperti GaAs, InGaAsP, AlGaAs.Laser ini memiliki panjang gelombang sekitar 630 nm – 1600 nm. Laser InDaN dapat memancarkan cahaya pada panjang gelombang biru (~400 nm). Kombinasi golongan II-VI (CdSe, ZnS) memancarkan panjang gelombang daerah hijau-biru.
Prinsip Kerja
• Beberapa elektron tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi akibat mekanisme pumping. Setelah waktu tertentu (~ 1 ps), elektron-elektron pada pita konduksi akan turun ke tingkatan energi paling bawah di pita konduksi.
• Beberapa elektron di tingkatan energi paling atas pada pita valensi turun ke tingkatan energi yang lebih rendah, sehingga meninggalkan lubang pada pita valensi (b)
10 konduksi meluruh ke pita valensi & berekombinasi dengan suatu lubang (hole). Pada kondisi tertentu, dapat terjadi emisi terstimulasi dari proses
rekombinasi sehingga menghasilkan lasing. • Energi yang dipancarkan
Aplikasi Laser Semikonduktor
• Laser AlGaAs berdaya rendah (5 – 20 Watt) : CD player dan printer; berdaya tinggi : pumping laser zatpadat.
• Laser InGaAsP/InP memiliki panjang gelombang 1310 nm dan 1550 nm : komunikasi optik.
• Laser InGaAs/GaAs memiliki panjang gelombang emisi sekitar 900 – 1100 nm : pumping Er-doped fiber amplifier dan laser Yb:Er:gelas dan Yb:YAG, inerkoneksi optik, komunikasi optik dan pemrosesan sinyal optik.
• Laser InGaP/InGaAlP mengemisi radiasi pada spektrum merah : pengganti laser He:Ne untuk scanner barcode.
• Laser dioda nitrida III-V seperti In0,2GaN/In0,05Ga0,95N multiple quantum well (MQW)
menghasilkan emisi pada daerah biru (417 nm): berpotensi untuk highdensity CD.
2.1.4.
Laser Gas
Laser gas umumnya terbuat dari gas netral dimana atom-atomnya dapat berupa gas atau bentuk uap. Laser gas netral umumnya terbuat dari gas mulia, yang dapat berosilasi pada panjang gelombang 1 – . Laser yang terbuat dari uap logam seperti Pb, Cu, Au, Ca, Sr dan Mn berosilasi pada daerah hijau (510 nm) dan kuning (578,2) nm.
a. Laser Gas Netral : Laser Helium-Neon
Lasing diperoleh dari transisi atom neon, dimana helium ditambahkan ke dalam campuran gas untuk memfasilitasi proses pumping. Laser ini dapat berosilasi pada beberapa panjang
gelo a g; ya g pali g populer adalah =
nm (merah). Panjang gelombang lain adalah hijau (543 nm), inframerah (1150 nm dan 3390 nm). Laser He:Ne yang berosilasi pada =
merupakan laser gas kontinu (cw) pertama yang dibuat.
11 Tingkatan-tingkatan He, 23S dan 21S hampir resonan dengan keadaan 4s dan 5s atom Ne, atom-atom He memberikan pumping yang sangat efisien pada atom 4s dan 5s atom Ne melalui transfer energi resonan. Aksi lasing terjadi pada peluruhan dari keadaan 5s ke 4p (3390 nm), 5s ke 3p (543 nm dan 632,8 nm) dan transisi dari 4s ke 3p (1152 nm). Daya output tidak meningkat secara monoton dengan arus discharge, tetapi mencapai maksimum dan kemudian berkurang.
Atom-atom terionisasi dapat dijadikan sebagai medium aktif laser. Secara umum dibagai kedalam dua katagori :
1) Laser ion gas: gas-gas mulia, seperti Ar+ (515,5 nm dan 488 nm), dan laser Kr+ (647,1 nm),
2) Laser uap ion-metal, yang menggunakan beberapa logam (Sn, Pb, Zn, Cd dan Se), dimana jenis laser ini adalah He:Cd dan He:Se.
a. Laser Argon
Eksitasi ion Ar menghasilkan ion-ion di keadaan 4p oleh tiga proses yang berbeda :
a. Eksitasi langsung dari ground state Ar+ ke tingkatan 4p
b. Eksitasi ke tingkatan yang lebih tinggi diikuti oleh peluruhan radiatif ke tingkatan 4p
c. Eksitasi ke tingkatan metastable diikuti oleh tumbukan ketiga menghasilkan eksitasi ke keadaan 4p.
b. Laser He:Cd
12
2.2.
Aplikasi Laser
Sejak diperkenalkannya laser pada tahun 1960, sebagai sebuah penyelesaian suatu masalah, maka dalam perkembangan berikutnya laser telah digunakan secara meluas, dalam bermacam-macam aplikasi modern, termasuk dalam bidang optik, elektronik, opto-elektronik, teknologi informasi, sains, kedokteran, industri, dan militer. Secara umum, laser dianggap suatu pencapaian teknologi yang paling berpengaruh dalam abad ke-20.
Umumnya laser beroperasi dalam spektrum tampak pada frekuensi sekitar 1014 Hertz-15 Hertz atau ratusan ribu kali frekuensi gelombang mikro. Pada awalnya peralatan penghasil sinar laser masih serba besar dan merepotkan. Selain tidak efisien, ia baru dapat berfungsi pada suhu sangat rendah. Sinar laser yang dihasilkan belum terpancar lurus. Pada kondisi cahaya sangat cerah pun, pancarannya gampang meliuk-liuk mengikuti kepadatan atmosfer. Waktu itu, sebuah pancaran laser dalam jarak 1 km, bisa tiba di tujuan akhir pada banyak titik dengan simpangan jarak hingga hitungan meter.
Peragaan peralatan Laser Helium-Neon di Laboratorium Kastler-Brossel dari Universitas Pierre and Marie Curie. Beberapa kelebihan laser diantaranya adalah kekuatan daya keluarannya yang amat tinggi sangat diminati untuk beberapa applikasinya. Namun laser dengan daya yang rendah sekalipun (beberapa miliwatt) yang digunakan dalam pemancaran, masih dapat membahayakan penglihatan manusia, karena pancaran cahaya laser dapat mengakibatkan mata seseorang yang terkena mengalami kebutaan dalam sesaat atau tetap.
Berikut adalah fungsi laser berdasarkan kekuatannya.
Kekuatan Kegunaan/Fungsinya
1-5 mW Laser penunjuk
5 mW Perangkat CD-ROM
5–10 mW DVD Player atau perangkat DVD-ROM 100 mW Kecepatan tinggi pembakaran citra CD-RW 250 mW Pemakai pembakaran DVD-R 16x
400 mW Membakar kotak perhiasan dengan Diska di dalamnya selama 4 detik dan
percetakan DVD piringan ganda 24x.
1 W Laser hijau digunakan di dalam piringan Holographic Versatile Disc (HVD)
1–20 W Tidak dijual umum, tetapi ada dan digunakan untuk mesin kecil 30–100 W Pembedahan CO2
100–3000 W Pembedahan CO2 dan laser ini digunakan untuk pemotongan di pabrik
5 kW Daya pengeluarannya mencapai 1 Cm/bar
100 kW Digunakan dalam bidang persenjataan dan didistribusikan oleh Northrop Grumman
13 dipilih bergantung pada penggunaannya. Pemanfaatan sinar laser misalnya pada bidang kedokteran, pelayanan (jasa), industri, astronomi, fotografi, elektronika, dan komunikasi. Dalam bidang kedokteran dan kesehatan, sinar laser digunakan antara lain untuk
mendiagnosis penyakit, pengobatan penyakit, dan perbaikan suatu cacat serta penbedahan.
Pada bidang industri, sinar laser bermanfaat untuk pengelasan, pemotongan lempeng baja, serta untuk pengeboran.
Pada bidang astronomi, sinar laser berdaya tinggi dapat digunakan untuk mengukur jarak Bumi Bulan dengan teliti.
Dala bidang fotografi, laser mampu menghasilkan bayangan tiga dimensi dari suatu benda, disebut holografi.
Dalam bidang elektronika, laser solid state berukuran kecil digunakan dalam system penyimpanan memori optik dalam computer.
Dalam bidang komunikasi, laser berfungsi untuk memperkuat cahaya sehingga dapat menyalurkan suara dan sinyal gambar melalui serat optik.
Berdasarkan potensi kerusakan yang bisa diakibatkan oleh 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.
14
BAB III
Penutup
3.1.
Kesimpulan
Laser, singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, merupakan mekanisme suatu alat yang memancarkan radiasi elektromagnetik,
yang bisa
juga diartikan perbesaran intensitas cahaya oleh pancaran terangsang.
Komponen yang diperhatikan dalam kerja laser ditinjau dari sisi elektronika
dan sisi optika pada tingkatan atomik.
Pancaran laser biasanya tunggal, memancarkan foton dalam pancaran koheren. Dalam teknologi laser, cahaya yang koheren menunjukkan suatu sumber cahaya yang memancarkan panjang gelombang yang diidentifikasi dari frekuensi yang sama, beda fase yang konstan dan polarisasinya. Selanjutnya untuk menghasilkan sebuah cahaya yang koheren dari medium lasing adalah dengan mengontrol kemurnian, ukuran, dan bentuknya.Dilihat dari material aktif penyusunnya, jenis laser yang dikembangkan untuk pengembangan penelitian dalam sains dan teknologi diantaranya ialah laser zat padat ( solid-state laser), laser-cair (dye laser), laser semi-konduktor, dan laser ion (atau yang lebih spesifik dikenal dengan excimer laser: exited and dimer).
3.2.
Saran
Pada bagian akhir dalam makalah ini, di jelaskan bahwa dalam kehidupan sehari-hari, laser digunakan pada berbagai bidang. Dalam penggunaannya, energi laser yang terpancar tiap satuan waktu dinyatakan dengan orde dari beberapa mW(Laser yand digunakan dalam system audio laser disk) sampai dengan beberapa MW(Laser yang digunakan untuk senjata). Besarnya energi laser yang dipilih bergantung pada penggunaannya. Pemanfaatan sinar laser misalnya pada bidang kedokteran, pelayanan (jasa), industri, astronomi, fotografi, elektronika, dan komunikasi.
15
Daftar Pustaka
Charles H. Townes (2003). "The first laser". Di Laura Garwin and Tim Lincoln. A Century of Nature: Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World. University of Chicago Press. pp. 107–12.
Conceptual physics, Paul Hewitt, 2002
Fundamentals of Optics, 4th ed., chap.29-30, Jenkins-White, Mc. Graw-Hill, 1981 Pikatan, S. 1991. LASER. Surabaya: UBAYA.
