INTERAKSI CAHAYA DENGAN MATERIAL

  

LASER

( L

  IGHT A MPLIFICATION BY S TIMULATED

E MISSION OF R ADIATION)

INTERAKSI CAHAYA DENGAN MATERIAL

  1. ABSORPSI, EMISI SPONTAN DAN EMISI TERSTIMULASI Pandang suatu sistem dengan dua-tingkatan energi E dan E (E > E )

  1

  2

  2

  1 E

  2

  h

  ν

  h h h

  ν ν ν

  h

  ν

  h

  ν

  E

  1

  (a). absorpsi (b). emisi spontan (c). emisi terstimulasi Frekuensi cahaya yang dipancarkan: h = konstanta Planck

  E E −

  2

  

1

ν =

  21

• 34

  = 6,626 x 10 J.s

  h

• E

  1 ♦

  amplification by stimulated emission of radiation

  sehingga akan memperkuat energi cahaya yang datang (

  1

  distimulasi oleh foton yang datang untuk meluruh ke E

  2

  3. Emisi terstimulasi : elektron yang sudah berada di E

  Emisi non-radiatif ( tidak memancarkan foton)

  ♦

  )

  1

  2

  Emisi radiatif (memancarkan foton dengan energi = E

  ke E

  2

  2. Emisi spontan : peluruhan elektron dari E

  )

  1

  2

  > (E

  ν

  akibat penyerapan foton dengan energi h

  2

  ke E

  1

  1. Absorpsi : tereksitasinya elektron dari E

• – E

  )

  

Contoh : Bagaimana Laser Rubi bekerja ?

  1. Keadaan tidak

  2. Cahaya yang mengenai kristal Rubi

  3. Beberapa atom mengemisi foton lasing menyebabkan eksitasi atom atau cahaya

5. Foton yang sefasa, monokromatis akan keluar

  4. Beberapa foton bergerak sejajar dengan

dari cermin menghasilkan cahaya laser sumbu kristal Rubi dan dipantulkan oleh

1. Kasus Absorpsi

1 N W

   

  )

  det

  = penampang absorpsi F = fluks foton (cm

  12

  12 F σ

  σ

  = laju absorpsi =

  12

  2 W

  →

  Laju transisi 1

     

  Bagaimana probabilitas absorpsi dan emisi ?

  dt dN − =

  12 a

  1

  1

  , E

  1

  2 N

  , E

  2

  1 N

  2

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

• 2
• 1

2. Kasus Emisi Spontan

• 1
• 1

  nr

  bergantung pada transisi tertentu dan keadaan media sekelilingnya.

  τ nr

  hanya bergantung pada transisi tertentu, sedangkan

  τ sp

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

    τ

nr

     

  dt dN τ − =

  2 nr

  = lifetime emisi spontan (det) Peluruhan non-radiatif:

  sp

  = A

  τ sp

  )

  1 A = laju emisi spontan/koef. Einstein (det

  →

  Laju transisi 2

   

  τ − = − =    

  2 N AN dt dN

  2 sp

  2

2 N

3. Kasus Emisi Terstimulasi

• 1

  Laju transisi 2

  1 W = laju emisi terstimulasi (det )

  →

  21

  = F

  σ

  21   dN

  2   W N

  = −

  21

  2

  = penampang emisi terstimulasi

  σ

  21   dt st Proses emisi terstimulasi dicirikan oleh emisi terstimulasi dan absorpsi.

  Menurut Einstein:

  g W g W =

  2

  21

  1

  12 g g

  σ = σ

  2

  21

  1

  

12

  g = jumlah degenerasi di tingkatan energi -1

  1

  g = jumlah degenerasi di tingkatan energi -2

  2 IDE DASAR DARI LASER (Proses emisi terstimulasi)

  dz

  2 N , E

  2

  2 F

  F + dF

  1 N , E

  1

  1 Sumbu-z

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

  

S dF W N W S dF

= −

  (

  21

  2 12 ) g

1 W F W

  S dF W N W S dF = −

  = σ = (

  21

  2 12 )

  21

  21

  12 g

  2

         

  dN dN

  1

  2  dN 

      S dz

  =  − 

2 SE : W N

    = −

   dt   dt 

  21

  2 a sp

   

  dt   sp

   dN 

1 Abs : W N

    = −

  12

  1   g

  2 dt

    a

  ..(1)

  dF F N N dz = σ −

  21 

  2 1  g

   

  1 Arti fisis dari pers…(1)

• Bahan bersifat jika:

  penguat (amplifier) dF

  Inversi populasi

  maka N N > >

  2

  1 dz

• Bahan bersifat penyerap (absorber) jika:

  dF maka N N < <

  2

  1 dz

  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

  Gelombang EM menjalar dalam arah yang tegak lurus dari cermin, sehingga terjadi pemantulan oleh kedua cermin, dan dikuatkan pada setiap lintasan melalui bahan aktif. Jika cermin-2 dibuat transparan sebagian, maka berkas cahaya output akan diperoleh dari cermin-2.

  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 g • N = g N , proses absorpsi dan emisi terstimulasi saling

  2

  2

  1

  1

  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

  2

  

2

pumping pumping laser

  1 laser fast decay

  

1

(a) (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 [ = (E -E )/h]

  ν

  2

  1

  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) B.2. Koheren waktu (temporal 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

  θ

d

  : muka-muka gelombang pada layar dapat diperoleh akibat

  Prinsip Huyghens

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

  λ βλ

  D = diameter berkas/celah

  θ = d

  D

  = koefisien numerik

  β

  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 Sc = luas koherensi yang berperilaku sebagai apertur

  βλ θ = 1 /

  2

  batas terjadinya superposisi koheren dari wavelets

  Sc ( ) elementer.

  Kesimpulan: berkas output laser harus dibuat dalam batas difraksi (diffraction limited)

D. Brightness

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

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

  Ω d

  Ω θ dP = B cos θ dS d Ω n

  O Faktor cos secara fisis merupakan proyeksi dS para bidang ortogonal terhadap

  θ arah OO’.

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

  θ.

  Bila B merupakan suatu konstanta, maka sumber cahaya dikatakan isotropik (sumber Lambertian)

  O’

  θ

  D

  n θ

  O dS Berkas laser dengan daya P mempunyai diameter berkas D dan divergensi (biasanya

  θ

  <<), maka cos

  1

  θ θ ≈

  2 D π

  A

  Luas berkas: =

  4 D

  2 Sudut emisi: πθ dP

  4 P

  Maka brightness:

  B = =

  2 cos dS d

  θ Ω D π θ ( )

  Bila berkas adalah limit difraksi = , maka brightness maksimum:

  θ θ D

  2  

2 B P

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

  ( ) B NA

  2 π = NA = numerical apertur dari lensa. f D

4 Ip

  F D NA tan sin

  L L

  1 ≈

     

       

    =

  −

  D

  L

  = diameter lensa f = fokus 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 Berdarkan durasi berkas cahaya: kontinu dan pulsa

  ♦

  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/cm

  2 ).

  Berbahaya jika dilihat dari berbagai kondisi (langsung atau yang terhambur) dan berpotensi menyebabkan kebakaran atau membakar kulit. Laser ini memerlukan penanganan khusus.