Stimulated Emission dan Spontaneous Emission

2.4 Dimana adalah frekuensi dan h adalah konstanta Planck h = 6.675 × 10 -31 Js.

2.3.1.2 Amplification

Amplifier sudah kita kenal sejak diaplikasikan pada TV set, radio dan telepon genggam yang kita gunakan sehari-hari. Pada umumnya, ketika sebuah signal dengan amplitudo yang kecil yang diteruskan ke amplifier sebagai masukan, signal tersebut muncul dengan amplitudo beberapa kali lebih tinggi pada keluarannya. Selama bertahun-tahun, komponen elektronika dirancang dari semikonduktor yang dapat lebih cepat membawa beberapa frekuensi gigahertz sehingga diperkuat tanpa penyimpangan yang signifikan. Namun amplifier elektronik tetap tidak memadai untuk amplifikasi gelombang elektromagnetik dengan fekuensi dalam kisaran 10 14 Hz. Amplifikasi osilasi frekuensi dari cahaya tampak memerlukan proses fisik yang sama sekali berbeda, yakni amplifikasi dengan menstimulasi emisi cahaya yang dijelaskan pertama kali pada tahun 1922 oleh Albert Einstein. Hans – Jochen Forth, 2008 Pada laser, yang proses yang terpenting adalah proses dasar yang memungkinkan penguatan amplification pada frekuensi optik sampai pada frekuensi yang diperoleh. Proses ini menggunakan energi yang terlibat ketika partikel yang berlainan membentuk materi, terkhususnya atom-atom, io-ion dan molekul-molekul yang berpindah dari tingkat energi yang satu ke tingkat energi yang lainnya. Colin E. Webb, 2004

2.3.1.3 Stimulated Emission dan Spontaneous Emission

Ketika sebuah partikel secara spontan berpindah dari tingkat energi lebih tinggi ke tingkat energi lebih rendah yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 b, foton yang dipancarkan memiliki frekuensi : Universitas Sumatera Utara 2.5 Foton ini dipancarkan pada sebuah arah yang acak dengan polarisasi yang berubah-ubah kecuali pada medan magnet. Foton membawa pergi momentum h = h c dan partikel yang dipancarkan atom, molekul atau ion mundur dalam arah yang berlawanan. a Absorpsi b Emisi spontan c Emisi terstimulasi Gambar 2.3 Interaksi cahaya dengan 2 level sistem 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. Radiasi pada atom-atom atau molekul-molekul dapat menyebabkan penyerapan sinar. Dalam mekanika kuantum, energi dari foton harus sebanding dengan jarak antara tingkat energi. Sebagai contoh : 2.6 dimana u mewakili kepadatan kekuatan dari medan radiasi pada frekuensi , dt adalah interval waktu dan B 12 adalah koefisien Einstein untuk peralihan dari level 1 ke level 2. Universitas Sumatera Utara Energi yang tersimpan pada level 2 dengan populasi N 2 tidak akan tinggal untuk selamanya. Energi tersebut bertahan pada range 10 -8 s dimana energi disini dipancarkan ulang secara spontan melalui emisi foton lihat pada Gambar 2.1 b. Laju transisi untuk emisi spontan ini adalah : 2.7 A 21 merupakan koefisien Einstein untuk transisi secara spontan dari level 2 ke level 1. Hans-Jochen Foth, 2008 Disisi lain, jika sebuah elektron berada pada tingkat energi E 2 dan mengalami peluruhan energi sampai pada tingkat energi E 1 , tetapi sebelumnya elektron tersebut memiliki kesempatan untuk meluruh secara spontan, maka sebuah foton yang dihasilkan dengan energi sebesar E 2 – E 1 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. Absorpsi merupakan proses tereksitasinya elektron dari E 1 ke E 2 akibat penyeraapan foton dengan energi, dimana h E 2 – E 1 . Absorpsi, emisi spontan dan emisi terstimulasi akan digambarkan pada Gambar 2.4. www.bgu.ac.il~gleviwebsiteGuidesLasers Universitas Sumatera Utara Gambar 2.4 Emisi spontan dan emisi terstimulasi www.bgu.ac.il~gleviwebsiteGuidesLasers Laser merupakan alat yang menghasilkan dan memperkuat radiasi koheren pada frekuensi – frekuensi di daerah inframerah, cahaya tampak visible, atau daerah ultraviolet dari spektrum elektromagnetik. Laser menghasilkan cahaya yang merupakan radiasi elektromagnetik. Ketika radiasi elektrogamnetik berinteraksi dengan material, beberapa radiasi direfleksikan, beberapa diserap dan beberapa ditransmisikan. Koefisien absopsi tergantung pada medium panjang gelombang dari radiasi dan intesitas. Makin tinggi intensitas maka akan menghasikan banyak foton yang berinteraksi. Laser memanfaatkan proses yang meningkatkan atau memperkuat sinyal cahaya setelah sinyal tersebut telah dihasilkan dengan cara lain. Proses-proses ini terdiri dari emisi terstimulasi dan optik umpan balik yang dihasilkan oleh cermin. Dengan demikian, dalam bentuk yang paling sederhana, laser terdiri dari media penguatan dimana dirangsang oleh emisi terstimulasi dan cermin sebagai umpan untuk mengembalikan cahaya ke amplifier untuk proses penguatan sinyal cahaya selanjutnya lihat Gambar 2.5. William T. Silfvast, 2004 Universitas Sumatera Utara Gambar 2.5 Skema sederhana dari tipe laser William T. Silfvast, 2004 2.3.2 Komponen Laser Berdasarkan sifat keluarannya, ada dua jenis laser yakni laser kontinyu dan laser pulsa. Laser kontinyu adalah laser yang memancarkan cahaya yang tetap selama medium lasernya dieksitasi, sedangkan laser pulsa adalah laser yang memancarkan cahaya dalam bentuk pulsa pada interval tertentu. Komponen penting sebuah laser adalah laser resonator atau laser cavity. Laser cavity ini terdiri dari 3 komponen penting yaitu: 1. An lasing medium or gain medium Laser Medium Laser Biasanya terbuat dari bahan padatan seperti kristal, gelas, cairan seperti pelarut organic, gas seperti Helium, CO 2 atau semikonduktor dioda. 2. An energy source or pump Sumber energi atau pemompa energi Tempat terjadinya proses pelepasan energi tinggi, reaksi kimia, dioda, lampu kilat. 3. An optical resonator or optical cavity resonator optic atau rongga optik Terdiri dari rongga yang berisi media penguat, dengan 2 cermin yang paralel di kedua sisinya. Cermin pertama sebagai pemantul total dan cermin yang kedua sebagai pemantul sebagian yang memungkinkan beberapa cahaya meninggalkan rongga untuk menghasilkan keluaran sinar lase. Cermin kedua ini disebut the output coupler. Dr. Emily Simpson, 2012 Universitas Sumatera Utara Gambar 2.6 Tiga komponen laser Dr. Emily Simpson, 2012 Medium laser mengandung atom-atom yang mempunyai tingkat energi metastabil yang dapat dieksitasi dengan menyerap energi dari luar. Medium ini dapat berupa zat cair, gas maupun zat padat sehingga jenis-jenis laser juga dapat dikategorikan berdasarkan medium yang digunakan seperti laser CO 2 laser yang menggunakan medium gas, yakni gas CO 2 , laser DPSS laser yang menggunakan medium zat padat, yakni dioda dan laser cat dye laser. Laser membutuhkan energi untuk mengeksitasi atom-atom dalam medium laser. Energi ini diperoleh dari beberapa cara. Sebagai contoh pada laser CO 2 , energy eksitasi diperoleh dari sebuah lampu pelucut muatan discharge lamp. Sepasang cermin yaitu pemantul total high reflector dan pengganda keluaran output coupler berfungsi untuk memantulkan radiasi cahaya yang diemisikan oleh medium laser bolak-balik melewati medium sehingga terjadi penguatan yang sangat signifikan. Pemantul total mempunyai koefisien pemantulan 100 sementara pengganda keluaran mempunyai koefisien pemantulan lebih kecil sehingga sebagian dari cahaya laser dapat keluar dan digunakan untuk beberapa aplikasi. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.7 Skema rongga laser Laser Cavity Dr. Minarni, 2010 Dalam laser cavity, cahaya yang diemisikan atom-atom akan bolak-balik karena dipantulkan oleh kedua cermin, cahaya ini akan membentuk sebuah gelombang berdiri standing wave yang menentukan karakteristik frekuensi dan panjang gelombang laser yang dihasilkan. Gelombang berdiri didalam laser cavity harus memenuhi kondisi dimana simpul gelombang harus berada pada kedua ujung cavity tersebut, gelombang berdiri akan ada jika jumlah ½ gelombang dapat memenuhi jarank antara kedua cermin seperti yang ditunjuk pada Gambar 2.7, dimana : atau 2.8 Disini N adalah jumlah total dari ½ gelombang, L adalah jarak antara kedua cermin. Panjang gelombang dan frekuensi gelombang ke mode N diberikan oleh : , dan 2.9 Disini c adalah kecepatan cahaya dalam laser cavity, n adalah indeks bias medium laser, ∆ adalah perbedaan antara dua mode yang berdekatan atau disebut juga free spectral range FSR. Keluaran laser tidak sepenuhnya monokromatik tetapi mempunyai bandwitih ∆ dan beberapa longitudinal modes dengan perbedaan ∆ dapat tepat berada dalam bandwith tersebut. Dr. Minarni, 2010 Universitas Sumatera Utara

2.3.3 Karakteristik Laser Secara Umum