Laser Gas

BAB I

PENDAHULUAN

1.      Tujuan:

a.       Memahami pengertian laser gas

b.      Mengetahui dan memahami jenis-jenis laser gas

2.      Rumusan Masalah

a.       Apa yang dimaksud dengan laser gas?

b.      Apa saja pengelompokan pada laser gas?

3.      Latar Belakang

LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang artinya perbesaran intensitas cahaya oleh pancaran terangsang. Kata kuncinya adalah “perbesaran” dan “pancaran terangsang” yang akan menjadi jelas kemudian. Dewasa ini, 30 tahun setelah ditemukan, kata laser telah menjadi perbendaharaan kata sehari-hari. Peralatan yang menggunakan komponen laser dapat ditemukan dimana-mana, seperti pembaca kode harga di kasir pasar swalayan, laserprinter, compact - disk player, pemandu pesawat jet dan pertunjukan laser dalam festival musik.

Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan amat lurus. Cara kerjanya mencakup optika dan elektronika. Para ilmuwan biasa menggolongkannya dalam bidang elektronika kuantum. Sebetulnya laser merupakan perkembangan dari MASER, huruf M disini singkatan dari Microwave, artinya gelombang mikro. Cara kerja maser dan laser adalah sama, hanya saja mereka bekerja pada panjang gelombang yang berbeda. Laser bekerja pada spektrum infra merah sampai ultra ungu, sedangkan maser memancarkan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang jauh lebih panjang, sekitar 5 cm, lebih pendek sedikit dibandingkan dengan sinyal TV - UHF. Laser yang memancarkan sinar tampak disebut laser - optik.

BAB II

ISI

LASER GAS

Mempunyai linewidth yang lebih sempit dibandingkan dengan laser zat padat dan cair. Kontribusi pelebaran garis ini bersal dari tumbukan antar atom/ molekul gas, karena umumnya tekanan gas yang digunakan beberapa Torr atau kurang, kontribusi terbesar berasal dari pelebaran karena efek doppler. Menyebabkan proses pemompaan secara optik dengan menggunakan flash lamp seperti pada laser zat padat dan cair tidak mungkin diterapkan pada laser gas. Proses pemompaan umumnya secara listrik dengan melewatkan arus listrik dengan melewatkan arus listrik DC atau AC pada medium gas yang akan menimbulkan elektron bebas dan ion. Adanya medan listrik akan mempercepat muatan ini sehingga dapat memperoleh energi kinetik untuk menimbulkan eksitasi selanjutnya melalui tumbukan. Pada gas dengan tekanan rendah seperti umumnya digunakan dalam laser gas, energi kinetik elektron jauh lebih besar dibandingkan dengan atom atau ion.

a)      Proses Eksitasi pada Gas

1.      Untuk gas yang terdiri dari satu satu, eksitasi terjadi dari tumbukan elektron.

Dimana X dan X^- adalah tingkat eksitasi. Proses ini disebut tumbukan jenis pertama.

2.      Untuk gas yang terdiri dari dua jenis misalnya A dan B, eksitasi dapat terjadi melalui tumbukan antar atom yang berlainan jenis melalui proses yang disebut resonant energy transfer. Proses ini disebut tumbukan jenis kedua.

Atom A berada dalam keadaan eksitasi sedang B pada tingkat dasar. Apabila selisih tingkat energi eksitasi atom A dan B, ∆E < kT, maka pada saat tumbukan akan terjadi perpindahan tingkat energi eksitasi dari A ke B. Proses ini sangat penting dalam pemompaan atom B bila tingkat eksitasi A adalah tingkat metastable. Tingkat eksitasi A dapat terjadi melalui proses tumbukan elektron. Karena sifatnya yang metastabel, tingkat ini menjadi semacam cadangan energi (reservoir) untuk eksitasi atom B.

Atom yang terkesitasi akan pindah ke tingkat yang lebih rendah atau tingkat dasar melalui 4 cara sebagai berikut:

1.      Tumbukan antara elektron dan atom yang tereksitasi, dimana atom memberikan energinya pada elektron (tumbukan jenis kedua)

2.      Tumbukan antar atom

3.      Tumbukan antar atom dan dinding tabung

4.      Emisi spontan, disini mungkin terjadi suatu radiation trapping, dimana photon yang teremisi diserap oleh atom lain yang kemudian terkeksitasi.

Sebagai akibat dari proses eksitasi tersebut diatas, untuk suatu harga arus tertentu akan terjadi keseimbangan antara beberapa tingkat energi. Keadaan ini akan tercapai bila untuk suatu tingkat energi, kecepatan eksitasi telah sama dengan kecepatan transisi ke tingkat yang lebih rendah.

b)     Pengelompokan Laser Gas

Umumnya inversi populasi akan terjadi pada tingkat dimana kecepatan eksitasi lebih tinggi dibandingkan dengan kecepatan turun ke tingkat lebih rendah, sehingga gas laser dikelompokkan dalam:

1.      Laser gas dengan atom netral

Sebagai contoh Laser He-Ne yang dapat berisolasi pada panjang gelombang λ=0.633 µm, 1.15 µm, dan 3.39 µm. Laser He-Ne dengan λ=1.15 µm  merupakan laser gas yang pertama kali berosilasi, sedang laser He-Ne dengan λ=0.633 µm merupakan laser gas yang banyak digunakan. Tingkat energi He-Ne dapat dilihat pada gambar2.

Transisi laser terjadi antara tingkat energi atom Ne sedang He dalam proses pemompaan. Tingkat energi 2³s dan 2¹s He merupakan tingkat yang berdekatan dengan 2s dan 3s dari atom Ne. Karena tingkat 2³s dan 2¹s He merupakan tingkat metastable, maka He sangat efisien dalam pemompaan tingkat 2s dan 3s atom Ne melalui proses resonant energy transfer. Kedua tingkat energi ini dapat diperbesar populasinya hingga dapat menjadi tingkat atas transisi laser.

Osilasi yang terjadi ditentukan oleh reflektivitas cermin yang digunakan. Umumnya digunakan cermin dielektrik dengan reflektivitas maksimum disesuaikan dengan λ yang diinginkan. Linewidth suatu gas laser ditentukan oleh kontribusi dari pelebaran doppler, karena gerak thermal atom-atom Ne, pada suhu T=300K besarnya :

∆V_Doppler = 1.7 GHz pada λ=0.633 µm

Konstruksi He-Ne yang umum digunakan dapat dilihat pada gambar3.

2.       Laser gas dengan medium aktif atom molekul yang terionisir.

Tingkat energi lebih tinggi dibandingkan dengan atom netral, sehingga umunya mempunyai panjang gelombang di daerah cahaya tampak atau ultra violet. Populasi laser tingkat atas terjadi dari tumbukan yang berurutan dengan elektron. Tumbukan pertama menyebabkan terjadinya ionisasi sedang berikutnya akan menaikkan ion ke tingkat eksitasi. Proses pemompaan dilakukan dua tahap, hingga daya laser yang timbul berbanding lurus dengan kuadrat rapat arus J. Dibutuhkan kerapatan arus lebih tinggi dibandingkan laser gas dengan atom netral.

Diantara beberapa macam laser ion, yang banyak digunakan adalah laser Ar^-, disini akan ditinjau sebagai contoh. Tingkat energi ion Ar⁺ dilukiskan pada gambar4.

Populasi tingkat atas dari transisi laser (4p) dicapai melalui tiga proses sebagai berikut:

a.       Tumbukan antar elektron dengan ion Ar⁺ pada tingkat dasar

b.      Tumbukan antara elektron dengan tingkat metastable

c.       Proses radiasi dari tingkat energi yang lebih tinggi

Ketiga proses diatas secara bersama-sama akan menaikkan populasi tingkat 4p.

Karena rapat arus yang tinggi pada laser terjadi migrasi ion Ar ^– ke arah katoda, maka untuk mencegah terjadinya penumbukan ion dipasang suatu return path. Berbeda dengan He-Ne, laser Ar ^–  mempunyai daya yang berbanding lurus dengan kuadrat rapat arus. Laser ion yang juga banyak dipakai  Kr ⁺ dengan panjang gelombang 647,1 nm (merah)

3.      Laser dengan medium aktif molekul

Laser ini berosilasi sebagai akibat dari transisi yang terjadi antara tingkat vibrasi rotasi suatu molekul. Beda tingkat energi rotasi kecil, umumnya panjang gelombang laser ini didaerah inframerah, antara 5-300 µm. Contohnya laser CO₂. Osilasi yang terjadi antara vibrasi dan rotasi CO₂  berfungsi sebagai katalisator dalam mempertinggi efisiensi laser. Daya laser ini dapat di buat sangat tinggi karena efisiensi yang tinggi pada laser ini

Pada CO₂  yang terdiri dari 3 atom, terdapat 3 model vibrasi:

▫         Symetric stretching

▫         Bending

▫         Asimetric strectching

Linewidth dari laser CO₂ dipengaruhi oleh peleburan Doppler berharga kira-kira 50 MHz untuk tekanan total beberapa Torr (antara 10-5 Torr). Dilihat dari kontruksinya laser CO₂ dapat dikeleompokkan dalam:

                                            i. Laser dengan aliran gas longitudinal

                                          ii.Laser dengan aliran gas transversal

                                        iii.Tea laser

                                        iv.Laser gas dinamik

Laser gas CO₂ dengan aliran gas longitudinal dapat dilihat pada gambar8, sedangkan gambar 9a dan 9b diperlihatkan gambar laser gas dinamik.

Proses pemompaan pada laser gas dinamik digunakan cara ekspansi yang tiba-tiba dari suatu campuran gas yang telah dipanaskan sebelumnya (1400ºC). Ekspansinya dilakukan dengan kecepatan supersonik (mach4) untuk menurunkan temperatur dan tekanan gas dalam selang waktu yang:

a.       Lebih pendek dari waktu relaksasi (T) tingkat atas transisi laser

b.      Lebih panjang dari waktu relaksasi tingkat bawah transisi

Dalam keadaan ini, populasi tingkat atas gas hasil ekspansi akan tetap seperti pada suhu sebelumnya (1400ºC), sedang populasi tingkat bawah akan berkurang sesuai dengan suhu ruang. Untuk ini, waktu relaksasi tingkat bawah harus jauh lebih kecil dibandingkan dengan tingkat atas. Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan campuran CO₂-N₂ H₂O.

BAB III

PENUTUP

Kesimpulan

§  Laser gas merupakan suatu laser yang mempunyai linewidth yang lebih sempit dibandingkan dengan laser zat padat dan cair. Pada gas dengan tekanan rendah seperti umumnya digunakan dalam laser gas, energi kinetik elektron jauh lebih besar dibandingkan dengan atom atau ion.

§  Pada laser gas, terdapat pengelompokan yaitu:

1.      Laser gas atom netral

2.      Gas laser ion

3.      Laser gas molekul

Daftar Pustaka

Siregar, Masbah RT, Light Sources. Telkoma LIPI. 1998