DASAR-DASAR LASER P26 (F2F) LASER merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . Pembahasan dalam pertemuan terakhir ini akan meliputi asal usul LASER , interaksi antara materi - cahaya , medium aktif , populasi inversi , keadaan metastabil , pemompaan optik , rongga osilator , prinsip kerja laser dan macam-macam LASER serta kegunaannya. 1. LASER Prinsip dasar dari pada Laser adalah : adanya emisi terstimulasi dan keadaan metastabil dari bahan laser. • Interaksi antara materi cahaya. . Ditinjau atom tunggal dengan dua tingkat energi E1 dan E2 7/11/2017 1 • E2 foton E2 diserap • E1 Awal (ground state) Akhir (excited state) - Foton menumbuk atom E1 - energi foton diserap atom sehingga tingkat energi . atom naik dari E1 menjadi E2 : E2 - E1 = h f ; f = frekuensi h = konstanta Planck - Elektron pindah ke tingkat energi lebih tinggi • Emisi cahaya ♫ Emisi spontan 7/11/2017 2 • E2 hf Emisi spontan E1 Excited state E1 • Ground state E1 - elektron pindah kembali secara spontan ke tingkat energi . terendah (ground state) setelah berada pada tingkat . energi lebih tinggi (excited state E2) selama 10-8 detik . sambil melepaskan foton (cahaya) dengan tenaga E = hf ♫ Emisi terangsang (stimulated emission) • foton 7/11/2017 hf Excited state E2 foton emisi exc. E1 E2 • Ground state E1 3 -.. foton dengan tenaga hf menyentil atom yang berada dalam keadaan terangsang dan atom kembali ke keadaan dasar sebelum 10-8 detik berlalu dengan melepaskan foton dengan tenaga hf ,sehingga foton yang keluar ada 2 buah yaitu ; yang masuk (merangsang) dan yang berasal dari emisi terangsang . Kedua foton ini : frekuensi , arah , dan polarisasinya sama (koherensi spatial) demikian pula dengan fase dan kecepatannya (koherensi temporal) • Medium aktif Medium aktif adalah bahan (materi) yang atom-atomnya mudah tereksitasi bila terkena cahaya (foton) : seperti gas , zat cair , bahan semi konduktor dan zat padat tertentu . • Populasi inversi Agar emisi terangsang dapat efektif,yaitu menghasilkan kondisi sinar laser maka diperlukan atom-atom bahan (medium aktif) lebih banyak berada pada tingkat energi 7/11/2017 lebih tinggi dari pada di tingkat rendah (groung state). 4 • Keadaan metastabil Keadaan metastabil adalah suatu keadaan dari bahan / molekul / atom dimana jumlah keadaan energi lebih banyak berada pada tingkat energi yang lebih tinggi (E2) dari pada ground state (E1) dan berada pada tingkat ini lebih lama Diagram keadaan energi ground state suatu elektron / atom E2 E1 E0 7/11/2017 ••• •••••••••• Ground state Distribusi kesetimbangan termal suatu atom .Jumlah kedaan energi pada tingkat E2 dan lebih besar adalah kosong sedangkan pada tingkat E1 ada 3 buah dan pada tingkat ground state ada 9 buah . 5 Untuk mendapatkan pelipat gandaan jumlah foton yang keluar diperlukan operasi pumping yang akan menyebabkan tingkat energinya naik dari ground state ke tingkat energi E 2 atau lebih besar yang kemudian secara emisi spontan akan mencapai tingkat energi E1 ,yang disebut tingkat metastabil seperti yang digambarkan pada diagram di bawah ini . Diagram eksitasi dan deeksitasi elektron / atom : pumping level E 2 •••••••••• E1 pumping E0 7/11/2017 ••• Ground state Emisi spontan Tingkat metastabil Sinar laser foton 6 Menurut Ludwig Boltzman ,dalam keadaan kesetimbangan termal untuk system yang mempunyai dua tingkat energi , maka banyaknya keadaan yang mempunyai tingkat energi tertentu adalah : EX nx C exp kT nx Ex T k adalah jumlah keadaan adalah tingkat energi = suhu dalam 0K = konstanta Boltzman = 8.62 x 10-5 eV/ 0K .mol Perbandingan antara dua keadaan dapat dinyatakan sebagai berikut : 7/11/2017 E2 E1 n2 n1 exp kT 7 Contoh 1. Sebuah laser He-Ne memancarkan radiasi pada panjang .. . . . gelombang 632.8 nm.dan mempunnyaai daya keluaaran .. .. . sebesar 2 mW ..Berapakah jumlah foton per detik yang … . . bersesuaian dengan ini. Jawaban : E = N h f : N adalah jumlah foton E N hf 2mWx(103 / m) x(( J / det) / W ) N 6.63x10 34 J det x ((3x108 m / det) /( 632.8 x10 9 m)) N = 6.4 x 1018 foton/det Contoh 2 : Sebuah laser batu delima memancarkan cahaya pada . . . . panjang gelombang 694.4 nm. Bila sebuah pulsa laser . . ,, . dipancarkan sselama 10-11 det dan energi yang dilepas. kan per pulsa adalah 0.15 J , berapakah : . a). Jarak ruang dari pulsa , . 7/11/2017 b). Jumlah foton dalam setiap pulsa 8 Jawaban : a). Jarak ruang dari pulsa = kecepatan cahaya x waktu . = 3 x 108 m/det x 10-11 det . = 3 mm . . b). Jumlah foton adalah N . 0.15 J 17 .N 5 . 23 x 10 foton 34 8 9 . 6.63x10 J . det x ((3x10 m / det) /( 694.4 x10 m)) . SOAL : Sebuah sinar laser berdaya tinggi ( λ = 600 nm ) dengan … . diameter sinar sebesar 12 cm di arahkan ke bulan yang . …. . jauhnya 3.8 x 105 km . Penyebaran sinar hanya disebabkan . oleh difraksi yang mana mengikuti persamaan berikut : 1.22 sin ; d diameter apertur d 7/11/2017 Berapakah diameter lingkaran difraksi pusat di permukaan bulan. 9 • Pemompaan optik (Optical pumping) Salah satu cara untuk memperoleh populasi inversi .Cahaya luar digunakan untuk mengek sitasi atom-atom medium aktif ke tingkat energi lebih tinggi (lebih tinggi dari tingkat metastabil) yang kemudian meluruh secara spontan ke tingkat metastabil • Rongga osilator (Resonator cavity) Rongga resonator adalah alat untuk meningkat kan populasi inversi serta menyelaraskan semua foton hasil eksitasi stimulasi agar searah dan berfrekuensi sama serta fase yang sama, Pada kedua ujungnya terdapat cermin , yang satu cermin penuh ,yang lainnya cermin setengah tembus cahaya Semua foton yang tidak koaksial dengan sumbu resonator akan terhilang Medium aktif berada dalam resonator. • Kondisi ambang Panjang rongga resonator (L), agar terbentuk gelombang 7/11/2017 10 stasioner maka : L = m [λ / 2] λ = panjang gelombang cahaya m = 1 , 2 , …. Frekuensi resonansi : fm = m [C / 2L] C = kecepatan cahaya Beda frekuensi antara ragam getaran : ∆ f = C / 2L • Prinsip kerja laser Cahaya yang diradiasikan saat electron/atom pindah dari tingkat energi metastabil ke tingkat energi lebih rendah, dibuat melintasi suatu medium aktif berulang kali dalam suatu rongga resonator yang di kedua ujungnya terdapat 7/11/2017 11 cermin Pantulan berulang kali oleh cermin dan adanya medium aktif diantaranya menyebabkan terben tuknya gelombang stasioner yang terus membesar. Pada cermin yang refleksitasnya sebagian akan terpancar sinar laser yang koheren dengan intensitas tinggi. Sifat sinar laser yang menguntungkan : - Cahaya yang koheren - Cahayanya hampir monokromatik - Berkas sinar laser hampir tidak menyebar - Intensitasnya sangat tinggi . 3. Macam-macam laser - Laser gas Contoh : Laser gas CO2 dan laser helium-neon - Laser zat padat Contoh : Laser Ruby , laser GaAs 7/11/2017 12 Kegunaan laser : - Untuk peralatan presisi / pengendali Untuk bidang - Untuk bidang kedokteran (bedah) - Untuk senjata (peralatan perang) Rangkuman : . . . . . . LASER merupakan singkatan dari Light Amplifica tion by Stimulated Emission of Radiation • Prinsip dasar LASER adalah adanya emisi terang -…. sang dan adanya bahan yang berada dalam keadaan metastabil • Hubungan antara jumlah keadaan dari dua tingkat energi dinyatakan oleh : • E2 E1 n2 n1 exp kT 7/11/2017 13 . • Panjang rongga resonator (L), agar terbentuk gelombang stasioner adalah : L = m [λ / 2] λ = panjang gelombang cahaya m = 1 , 2 , …. Frekuensi resonansi : f = m [C / 2L] C = kecepatan cahaya Beda frekuensi antara ragam getaran : ∆ f = C / 2L 7/11/2017 14
© Copyright 2024 Paperzz
