Hal tersebut mencerminkan ide inti atom bagaimana laser dapat bekerja. Setelah elektron bergerak ke orbit energi yang lebih tinggi, pada akhirnya

Transkripsi

1 JENIS-JENIS LASER Sebelum menjelaskan jenis-jenis laser maka alangkah baiknya mengenal dahulu bagaimana dari sebuah laser itu bekerja. Dasar dari sebuah atom sifat atom adalah terus bergerak. Mereka terus bergetar, bergerak dan berputar. Bahkan atom yang membentuk kursi yang kita duduk adalah bergerak. Atom memiliki energi yang berbeda. Jika kita menerapkan banyak energi untuk atom, maka atom dapat meninggalkan apa yang disebut tingkat energi keadaan dasar dan pergi ke tingkat energy yang lebih besar. Tingkat eksitasi tergantung pada jumlah energi yang diterapkan pada atom melalui panas, cahaya, atau listrik. Gambar di atas adalah interpretasi klasik dari atom. Atom sederhana ini terdiri dari inti (berisi proton dan neutron) dan awan electron. Penyerapan energi adalah Sebuah atom menyerap energi dalam bentuk panas, cahaya, atau listrik. Elektron dapat berpindah dari orbit energi yang lebih rendah ke orbit energi yang lebih tinggi.

2 Hal tersebut mencerminkan ide inti atom bagaimana laser dapat bekerja. Setelah elektron bergerak ke orbit energi yang lebih tinggi, pada akhirnya ingin kembali ke keadaan dasar. Ketika hal itu terjadi, ia melepaskan energi sebagai foton, partikel cahaya. Akan terlihat atom melepaskan energi sebagai foton sepanjang waktu. Misalnya, ketika elemen pemanas dalam pemanggang roti berubah merah cerah, warna merah disebabkan oleh atom, melepaskan foton merah. Sebuah laser adalah perangkat yang mengontrol cara energi atom melepaskan foton. "Laser" adalah singkatan untuk light amplification by stimulated emission of radiation, yang menggambarkan secara singkat bagaimana laser bekerja. Meskipun ada banyak jenis laser, semua memiliki fitur penting tertentu. Dalam laser, media penguat adalah "dipompa" untuk mendapatkan atom ke dalam keadaan tereksitasi. Biasanya, intensitas cahaya atau muatan listrik adalah media pompa penguat dan membuat koleksi besar atom di bagian tereksitasi (atom dengan elektron energi tinggi). Hal ini diperlukan untuk memiliki atom banyak dalam keadaan tereksitasi untuk laser dan dapat bekerja secara efisien. Secara umum, atom tereksitasi ke tingkat yang dua atau tiga tingkat di atas keadaan dasar. Hal ini meningkatkan tingkat inversi populasi. Inversi populasi adalah jumlah atom dalam keadaan tereksitasi. Sinar laser sangat berbeda dari cahaya normal. Sinar laser memiliki sifat sebagai berikut: Cahaya yang dikeluarkan monokromatik. Ini berisi satu panjang gelombang cahaya tertentu (satu warna tertentu). Panjang gelombang cahaya ditentukan oleh jumlah energi yang dilepaskan ketika elektron turun ke orbit rendah. Lampu dirilis koheren. setiap foton bergerak sejalan dengan yang lain. Ini berarti bahwa semua foton memiliki gelombang yang diluncurkan bersamaan. Lampu ini sangat terarah. Sebuah sinar laser memiliki sinar yang sangat ketat dan

3 sangat kuat dan terkonsentrasi. Di sisi lain, sebuah senter, melepaskan cahaya ke berbagai arah, dan cahaya yang sangat lemah dan menyebar. Untuk membuat tiga sifat tersebut terjadi maka harus mengambil sesuatu yang disebut emisi terstimulasi. Hal ini tidak terjadi pada senter biasa, semua atom melepaskan foton mereka secara acak. Dalam emisi terstimulasi, emisi foton diatur. Foton bahwa setiap rilis atom memiliki panjang gelombang tertentu yang tergantung pada perbedaan energi antara keadaan tereksitasi dan keadaan dasar. Jika foton ini (yang memiliki energi dan fase tertentu) harus menghadapi atom lain yang memiliki sebuah elektron dalam keadaan tereksitasi yang sama, emisi terstimulasi bisa terjadi. Foton pertama dapat merangsang atau menginduksi emisi atom sehingga foton dipancarkan berikutnya (dari atom kedua) bergetar dengan frekuensi yang sama dan arah sebagai foton yang masuk. Kunci lain untuk laser adalah sepasang cermin, satu pada setiap ujung dari media penguat. Foton dengan panjang gelombang dan fase yang sangat spesifik, mencerminkan dari cermin untuk perjalanan bolak-balik melalui media penguat. Dalam prosesnya, mereka merangsang elektron lain untuk membuat lompatan energi ke bawah dan dapat menyebabkan emisi foton lebih dari panjang gelombang dan fase yang sama. Sebuah efek kaskade terjadi, dan segera setelah disebarkan banyak, banyak foton dari panjang gelombang dan fase yang sama. Cermin di salah satu ujung laser adalah "setengah perak", berarti itu mencerminkan beberapa cahaya dan memungkinkan beberapa cahaya yang dapat dilalui. Cahaya yang membuatnya melalui adalah sinar laser. Setelah media penguat dipompa, berisi kumpulan atom dengan beberapa electron di tingkat tereksitasi. Elektron yang tereksitasi memiliki energi lebih besar daripada elektron lebih tidak tereksitasi. Sama seperti elektron menyerap beberapa jumlah energi untuk mencapai tingkat

4 eksitasi tersebut, juga dapat melepaskan energi tersebut. Seperti gambar di atas yang menggambarkan elektron hanya dapat bersantai, dan pada gilirannya melepaskan diri dari beberapa energi. Energi yang dipancarkan ini datang dalam bentuk foton (energi cahaya). Foton yang dipancarkan memiliki panjang gelombang yang sangat spesifik (warna) yang tergantung pada keadaan energi elektron ketika foton dilepaskan. Dua atom yang identik dengan elektron di state-state yang sama akan merilis foton dengan panjang gelombang yang sama. Tipe laser Ada berbagai jenis laser. Media laser bisa padat, gas, cair atau semikonduktor. Laser biasanya ditentukan oleh jenis bahan penguat digunakan: Solid-state laser memiliki bahan penguat didistribusikan dalam matriks padat (seperti ruby atau neodymium : yttrium - aluminium garnet " Yag " laser). The neodymium - Yag laser memancarkan cahaya inframerah pada nanometer (nm). Nanometer adalah 1x10-9 meter. Laser solid-state adalah laser yang berdasarkan pada media gain solid-state seperti kristal atau gelas yang didoping dengan transisi ion logam, atau laser semikonduktor. (Meskipun laser semikonduktor tentu juga perangkat solid-state, akan tetapi laser semikonduktor bukan termasuk dalam laser solid-state) Ion-doped laser solid-state (juga kadang-kadang disebut doped insulator laser) dapat dibuat dalam bentuk bulk lasers, fiber lasers, atau jenis laser Waveguide. Solid-state laser dapat menghasilkan kekuatan output antara beberapa miliwatt dan (dalam versi daya tinggi) banyak kilowatt. Pumping optik dan Penyimpanan Energi Banyak laser solid-state yang dipompa optik dengan lampu kilat atau lampu busur. Sumber pompa tersebut relatif murah dan dapat memberikan kekuatan yang sangat tinggi. Namun, mereka mengarah pada efisiensi daya yang cukup rendah, dan efek termal yang kuat seperti lensing termal dalam medium gain. Untuk alasan tersebut, dioda laser yang sangat sering digunakan untuk memompa laser solid-state. Transisi laser logam transisi - doped - kristal atau kaca biasanya lemah diperbolehkan transisi, yaitu transisi dengan kekuatan osilator yang sangat rendah, yang menyebabkan radiasi tahan atas state panjang dan akibatnya adalah baik untuk penyimpanan energi. Misalnya, kristal laser yang dipompa dengan 10 W dapat menyimpan energi dari urutan 10 mj. Meskipun penyimpanan energi yang bermanfaat bagi generasi pulsa nanodetik, juga dapat menyebabkan

5 fenomena spiking yang tidak diinginkan di laser kontinyu - gelombang, misalnya ketika sumber pompa diaktifkan. Gambar di atas setup Typical laser bulk solid-state, konversi pompa cahaya (biru) ke sinar laser (merah): dipompa (atas) dan (bawah) versi sisi-dipompa. Pulse Generation Daya tahan atas state yang lama membuat solid-state laser sangat cocok untuk Q switching: kristal laser dapat dengan mudah menyimpan sejumlah energi, ketika dilepas dalam bentuk pulsa nanodetik, mengarah ke peak power yang besarnya di atas daya rata-rata dapat dicapai. Laser massal dapat dengan mudah mencapai energi pulsa millijoule dan peak power megawatt. Dalam operasi modus-terkunci, solid-state laser dapat menghasilkan pulsa ultrashort dengan jangka waktu diukur dalam picoseconds atau femtoseconds (minimum: 5 fs, dicapai dengan Ti: laser safir). Dengan penguncian mode pasif, mode tersebut memiliki kecenderungan untuk Q-switching dengan ketidakstabilan jika tidak ditekan dengan langkah yang tepat.

6 Tuning panjang gelombang Dalam hal potensi, untuk tuning panjang gelombang, berbagai jenis laser solid-state sangat berbeda. Sebagian-langka-doped kristal laser, seperti Nd: YAG dan Nd: YVO4, memiliki gain bandwidth yang cukup kecil dari urutan 1 nm atau kurang, sehingga tuning yang mungkin hanya dalam kisaran yang terlalu terbatas. Di sisi lain, tuning kisaran puluhan nanometer dan kemungkinan lebih dari kaca doped, dan terutama dengan kristal transisi-logam doped seperti Ti: sapphire, Cr: LisaF dan Cr: ZnSe ( laser vibronic). Laser Gas ( helium dan helium - neon, HeNe, adalah laser gas yang paling umum ) memiliki output utama dari lampu merah yang terlihat. Laser CO2 memancarkan energi dalam inframerah-jauh, dan digunakan untuk memotong bahan keras. Dalam laser ini media penguat dibuat dari satu atau campuran gas atau uap. Laser gas dapat diklasifikasikan dalam jenis transisi yang mengarah pada operasinya: atom atau molekul. Yang paling umum dari semua laser gas adalah helium-neon (He-Ne) laser. Adanya dua jenis atom (helium dan neon) dalam gas laser ini menunjukkan bahwa media yang terbuat adalah dari molekul, tetapi dua jenis atom ini tidak membentuk molekul yang stabil. Bahkan, semua atom lembam seperti helium, argon, dan kripton memegang erat awan elektron mereka sendiri dan jarang membentuk molekul atau bereaksi dengan atom lain. Dalam laser He-Ne transisi yang menghasilkan cahaya output adalah transisi atom. Laser gas yang menggunakan gas atau uap molekul untuk penggunaan media transisi molekuler penguat mereka untuk operasi penguat mereka. Transisi molekuler cenderung lebih kompleks daripada yang atom. Akibatnya sinar laser yang dihasilkan oleh laser molekuler cenderung memiliki koleksi yang lebih luas dan lebih bervariasi dari properti. Contoh beberapa laser gas molekul umum adalah karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO 2 ), excimer, dan nitrogen (N 2) laser. Helium Neon (He-Ne) Laser Laser He-Ne adalah gelombang kontinu laser pertama (cw) yang diciptakan. Beberapa Laser gas ini adalah laser empat-tingkat yang menggunakan atom helium untuk merangsang atom neon. Ini adalah transisi atom neon yang menghasilkan sinar laser. Neon transisi yang paling umum digunakan dalam laser ini menghasilkan cahaya merah pada 632,8 nm. Tapi laser ini juga dapat menghasilkan cahaya hijau dan kuning dalam terlihat serta UV dan IR (Javan pertama He-Ne beroperasi di IR pada 1152,3 nm). Dengan menggunakan cermin yang sangat

7 reflektif dirancang untuk satu dari banyak transisi penguat yang mungkin, output He-Ne yang diberikan dibuat untuk beroperasi pada panjang gelombang tunggal. He-Ne laser biasanya menghasilkan beberapa hingga puluhan mw (mili-watt, atau 10-3 W). Mungkin salah satu fitur yang paling penting dari laser ini adalah bahwa mereka sangat stabil, baik dari segi panjang gelombang mereka (stabilitas mode) dan intensitas cahaya output mereka (low jitter in power level). Untuk alasan ini, He-Ne laser sering digunakan untuk menstabilkan laser lainnya. Mereka juga digunakan dalam aplikasi, seperti holografi, di mana stabilitas modus penting. Sampai pertengahan 1990-an, He-Ne laser adalah jenis yang dominan laser yang diproduksi untuk aplikasi daya rendah - dari temuan kisaran pemindaian untuk transmisi optik, untuk laser pointer, dll Namun baru-baru, jenis-jenis laser, terutama laser semikonduktor, tampaknya telah banyak digunakan karena biaya rendah. Diagram tingkat energi di atas menunjukkan dua keadaan tereksitasi dari atom helium, 2 3 S dan 2 1 S, yang bisa diisi sebagai akibat dari pemompaan elektromagnetik dalam debit. Kedua state ini metastabil dan tidak mengizinkan de-eksitasi melalui transisi radiasi. Sebaliknya, atom helium mengeluarkan energi mereka ke atom neon melalui eksitasi tumbukan. Dengan cara ini 4s dan tingkat 5s di neon bisa diisi. Ini adalah dua tingkat penguat atas, masing-masing untuk satu set terpisah transisi penguat. Peluruhan radiasi dari 5s ke tingkat 4s dilarang. Jadi, 4p dan 3p tingkat berfungsi sebagai penguat tingkat yang lebih rendah dan cepat membusuk ke tingkat 3s

8 metastabil. Dengan cara ini inversi populasi mudah dicapai di He-Ne. Laser 632,8 nm transisi, misalnya, melibatkan 5s dan 3p tingkat, seperti yang ditunjukkan di atas. Dalam kebanyakan He-Ne lasers gas, campuran 5 bagian helium dengan 1 bagian neon, yang terkandung dalam tabung gelas tertutup dengan sempit (2 sampai 3 mm diameter) lubang yang terhubung ke tabung ukuran yang lebih besar disebut pemberat, seperti yang ditunjukkan di atas. Biasanya optik rongga cermin laser, reflektor tinggi dan output coupler, membentuk dua topi penyegelan untuk tabung bore sempit. Elektroda tegangan tinggi membuat debit listrik yang sempit sepanjang tabung ini, yang kemudian mengarah ke sinar sempit sinar laser. Fungsi ballast adalah menjaga campuran gas yang diinginkan. Karena beberapa atom mungkin bisa tertanam dalam kaca dan / atau elektroda karena mereka mempercepat dalam debit, dengan tidak adanya ballast tabung maka tidak akan berlangsung lama. Untuk lebih memperpanjang tabung seumur hidup beberapa laser ini juga menggunakan "getter", sering logam seperti titanium, yang menyerap kotoran dalam gas. Laser Argon-ion Gas laser yang lain yang umum digunakan adalah laser argon-ion. Dalam laser ini, seperti dalam He-Ne jenis transisi penguat adalah atom. Tapi bukan atom netral, di sini penguat adalah hasil dari de-eksitasi ion. Dibutuhkan lebih banyak energi untuk mengionisasi atom daripada untuk mengeksitasi. Dengan cara yang sama, lebih banyak energi dapat diperoleh dari de-eksitasi ion. Jadi, dua kali lipat (Ar + +) dan terionisasi tunggal atom (Ar +) argon dapat memancarkan

9 cahaya panjang gelombang lebih pendek daripada atom argon netral, Ar. Karena itu, laser argonion dapat menghasilkan cahaya uv dengan panjang gelombang sesingkat 334 nm. Selain itu, laser ini bisa menghasilkan tenaga lebih dari He-Ne laser. Laser Argon-ion biasanya berkisar daya output dari satu sampai sebanyak 20 W. Pada tingkat daya yang lebih tinggi output mereka adalah multi-mode, yaitu mengandung beberapa panjang gelombang yang berbeda Beberapa panjang gelombang ini.: 334 nm, UV 351 nm, UV 364 nm, UV 458 nm, violet 477 nm, violet 488 nm, (kuat) biru 497 nm, biru-hijau 514 nm, (terkuat) green Karena dua alasan ini, daya tinggi dan output multicolor, argon-ion adalah salah satu laser yang paling umum digunakan dalam laser yang menunjukkan cahaya, serta dalam berbagai aplikasi. bentuk dari laser argon-ion khas sangat mirip dengan He-Ne, tapi dengan sedikit perbedaan beberapa. Pertama, laser ini jauh lebih besar ukurannya. A Ar + + Laser tabung khas adalah sekitar satu meter panjang, dibandingkan dengan hanya 20 cm untuk yang dari He-Ne. Kedua, rongga optik laser ini dibangun eksternal ke tabung. Hal ini sebagian karena operasi daya tinggi laser dan sebagian karena pengaturan eksternal seperti memungkinkan untuk penggunaan opsional optik seleksi panjang gelombang dalam rongga optik. Sebuah prisma atau kisi difraksi terletak tepat sebelum tinggi mencerminkan cermin memilih hanya satu dari transisi penguat untuk amplifikasi dalam rongga, panjang gelombang lain yang dibelokkan keluar dari rongga resonan. Dengan cara ini laser ion ini dapat beroperasi dalam mode single.

10 Dengan pengaturan ini dua pemegang cermin di sisi berlawanan dari tabung laser yang biasanya melekat bersama-sama dengan batang invar untuk stabilisasi termal. Invar adalah baja paduan yang mengandung nikel. Properti yang paling berharga adalah bahwa hal itu mengembang dan kontrak sangat sedikit ketika perubahan suhu. Akibatnya, ketika perubahan suhu laser sebagai memanas karena arus listrik yang besar dalam pompa debit elektromagnetik, jalan panjang optik, dan karena itu karakter modal dari output laser, tetap relatif tidak berubah. Akhirnya, karena daya tinggi laser argon-ion mereka memerlukan pendinginan aktif. Hal ini paling sering dilakukan oleh sirkulasi air, baik secara langsung dari keran atau dari pendingin diproduksi secara komersial, dalam gulungan tertutup yang mengelilingi plasma (gas dari ion bermuatan) tabung dan bagian dari catu daya listrik. Beberapa laser argon-ion bertenaga rendah hanya berpendingin udara menggunakan kipas, yang membuat tidak rumit untuk digunakan. Laser Excimer (nama ini berasal dari istilah bersemangat dan dimer) menggunakan gas reaktif, seperti klorin dan fluorin, dicampur dengan gas inert seperti argon, kripton atau xenon. Ketika elektrik dirangsang, molekul semu (dimer) diproduksi. Ketika lased, dimer menghasilkan cahaya dalam kisaran ultraviolet. Laser Dye menggunakan pewarna organik kompleks, seperti rhodamine 6G, dalam larutan cair atau suspensi sebagai media yang penguat. Mereka adalah merdu atas berbagai panjang gelombang. The Dye Laser adalah Laser Liquid. Laser cair adalah mereka yang menggunakan laser cair sebagai media aktif. Dalam dye laser bahan cair yang disebut pewarna (misalnya rhodamine B, natrium fluoresein dan rhodamie 6G) menggunakan sebagai media yang aktif, yang menyebabkan untuk menghasilkan cahaya laser. Characteristics of Dye Lasers Laser dye menghasilkan output dengan panjang gelombang lebih dalam terlihat, ultra violet dan inframerah dekat spektrum. Yang biasanya tergantung pada pewarna yang digunakan panjang gelombang karena itu bervariasi dari 390 sampai 1000nm. Daya output laser dye dapat dianggap mulai dari 1 watt tanpa batas atas teoritis. Diameter keluaran sinar biasanya 0.5mm dan divergensi balok adalah 0,8-2 mili radian. Efisiensi konversi cahaya dari sumber memompa ke output dari laser dye si relatif tinggi sekitar 25%.

11 Construction of Dye Liquid Lasers Laser dye dapat dibangun dalam dua cara yang mungkin, sesuai dengan metode memompa mereka. Konfigurasi dapat ditampilkan sebagai berikut Dalam menunjukkan konfigurasi, pewarna dipompa melalui pipa kapiler dari tangki penyimpanan. Sementara dalam tabung kapiler itu optik gembira dengan lampu kilat. Output dari laser melewati jendela Brewster ke coupler output yang 50% cermin reflektif. Laser semikonduktor, kadang-kadang disebut dioda laser, bukan laser solid-state. Perangkat elektronik ini umumnya sangat kecil dan menggunakan daya rendah. Mereka dapat dibangun menjadi array yang lebih besar, seperti sumber penulisan dalam beberapa printer laser atau CD player.