Cara Membuat Sinar Laser

Dengan memanfaatkan kekuatan cahaya melalui laser, Anda dapat menggunakan laser untuk berbagai tujuan dan memahaminya lebih baik dengan mempelajari fisika dan kimia dasar yang membuatnya bekerja.

Umumnya, laser dihasilkan oleh bahan laser, baik padat, cair atau gas, yang memancarkan radiasi dalam bentuk cahaya. Sebagai akronim untuk "amplifikasi cahaya dengan emisi radiasi terstimulasi", metode emisi terstimulasi menunjukkan bagaimana laser berbeda dari sumber radiasi elektromagnetik lainnya. Mengetahui bagaimana frekuensi cahaya ini muncul dapat memungkinkan Anda memanfaatkan potensinya untuk berbagai kegunaan.

Laser dapat didefinisikan sebagai perangkat yang mengaktifkan elektron untuk memancarkan radiasi elektromagnetik. Definisi laser ini berarti radiasi dapat mengambil bentuk apapun pada spektrum elektromagnetik, dari gelombang radio hingga sinar gamma.

Umumnya cahaya laser bergerak di sepanjang jalur sempit, tetapi laser dengan rentang gelombang yang luas juga dimungkinkan. Melalui pengertian laser ini, Anda dapat menganggapnya sebagai gelombang seperti gelombang laut di tepi pantai.

Para ilmuwan telah menggambarkan laser dalam hal koherensi mereka, sebuah fitur yang menggambarkan apakah perbedaan fase antara dua sinyal dalam langkah dan mereka memiliki frekuensi dan bentuk gelombang yang sama. Jika Anda membayangkan laser sebagai gelombang dengan puncak, lembah, dan palung, perbedaan fasenya adalah bagaimana banyak satu gelombang tidak cukup sinkron dengan yang lain atau seberapa jauh jarak kedua gelombang itu dari tumpang tindih.

Frekuensi cahaya adalah berapa banyak puncak gelombang yang melewati titik tertentu dalam satu detik, dan panjang gelombang adalah seluruh panjang gelombang tunggal dari palung ke palung atau dari puncak ke puncak.

Foton, partikel energi kuantum individu, membentuk radiasi elektromagnetik laser. Paket terkuantisasi ini berarti bahwa cahaya laser selalu memiliki energi sebagai kelipatan energi a foton tunggal dan itu datang dalam "paket" kuantum ini. Inilah yang membuat gelombang elektromagnetik seperti partikel.

Banyak jenis perangkat memancarkan laser, seperti rongga optik. Ini adalah ruang yang memantulkan cahaya dari bahan yang memancarkan radiasi elektromagnetik kembali ke dirinya sendiri. Mereka umumnya terbuat dari dua cermin, satu di setiap ujung bahan sehingga, ketika memantulkan cahaya, berkas cahaya menjadi lebih kuat. Sinyal yang diperkuat ini keluar melalui lensa transparan di ujung rongga laser.

Ketika ada sumber energi, seperti baterai eksternal yang memasok arus, bahan yang memancarkan radiasi elektromagnetik memancarkan cahaya laser pada berbagai tingkat energi. Tingkat energi ini, atau tingkat kuantum, bergantung pada bahan sumber itu sendiri. Keadaan energi elektron yang lebih tinggi dalam material lebih cenderung tidak stabil, atau dalam keadaan tereksitasi, dan laser akan memancarkannya melalui cahayanya.

Tidak seperti lampu lain, seperti cahaya dari senter, laser memancarkan cahaya secara periodik dengan sendirinya. Itu berarti puncak dan palung setiap gelombang laser sejajar dengan gelombang yang datang sebelum dan sesudahnya, membuat cahayanya koheren.

Laser dirancang sedemikian rupa sehingga memancarkan cahaya dengan frekuensi tertentu dari spektrum elektromagnetik. Dalam banyak kasus, cahaya ini mengambil bentuk sempit, sinar diskrit yang laser memancarkan pada frekuensi yang tepat, tetapi beberapa laser mengeluarkan luas, rentang cahaya terus menerus.

Salah satu fitur laser yang ditenagai oleh sumber energi eksternal yang mungkin terjadi adalah inversi populasi. Ini adalah bentuk emisi terstimulasi, dan itu terjadi ketika jumlah partikel dalam keadaan tereksitasi lebih banyak daripada jumlah partikel pada tingkat energi yang lebih rendah.

Ketika laser mencapai inversi populasi, jumlah emisi terstimulasi yang dapat dihasilkan cahaya ini akan lebih besar daripada jumlah penyerapan dari cermin. Ini menciptakan penguat optik, dan, jika Anda menempatkannya di dalam rongga optik resonansi, Anda telah membuat osilator laser.

Metode elektron yang menarik dan memancarkan ini membentuk dasar untuk laser sebagai sumber energi, prinsip laser yang ditemukan dalam banyak kegunaan. Tingkat terkuantisasi yang dapat ditempati elektron berkisar dari tingkat energi rendah yang tidak memerlukan banyak energi untuk dilepaskan dan partikel energi tinggi yang tetap dekat dan rapat dengan inti. Ketika elektron melepaskan karena atom bertabrakan satu sama lain dalam orientasi yang tepat dan tingkat energi, ini adalah emisi spontan.

Ketika emisi spontan terjadi, foton yang dipancarkan oleh atom memiliki fase dan arah acak. Ini karena Prinsip Ketidakpastian mencegah para ilmuwan mengetahui posisi dan momentum partikel dengan presisi sempurna. Semakin banyak Anda mengetahui posisi partikel, semakin sedikit Anda mengetahui momentumnya, dan sebaliknya.

Anda dapat menghitung energi emisi ini menggunakan persamaan Planck

untuk sebuah energiEdalam joule, frekuensiνelektron dalam s^-1 dan konstanta Planckh​ = ​6.63 × 10^-34 saya² kg / detik.Energi yang dimiliki foton ketika dipancarkan dari atom juga dapat dihitung sebagai perubahan energi. Untuk menemukan frekuensi yang terkait dengan perubahan energi ini, hitungνmenggunakan nilai energi emisi ini.

Mengingat luasnya penggunaan laser, laser dapat dikategorikan berdasarkan tujuan, jenis cahaya, atau bahkan bahan laser itu sendiri. Menemukan cara untuk mengkategorikannya perlu memperhitungkan semua dimensi laser ini. Salah satu cara untuk mengelompokkannya adalah dengan panjang gelombang cahaya yang mereka gunakan.

Panjang gelombang radiasi elektromagnetik laser menentukan frekuensi dan kekuatan energi yang mereka gunakan. Panjang gelombang yang lebih besar berkorelasi dengan jumlah energi yang lebih kecil dan frekuensi yang lebih kecil. Sebaliknya, frekuensi seberkas cahaya yang lebih besar berarti memiliki lebih banyak energi.

Anda juga dapat mengelompokkan laser menurut sifat bahan lasernya. Laser solid state menggunakan matriks atom padat seperti neodymium yang digunakan dalam kristal Yttrium Aluminium Garnet yang menampung ion neodymium untuk jenis laser ini. Laser gas menggunakan campuran gas dalam tabung seperti helium dan neon yang menghasilkan warna merah. Laser pewarna dibuat oleh bahan pewarna organik dalam larutan atau suspensi cair

Laser pewarna menggunakan media laser yang biasanya merupakan pewarna organik kompleks dalam larutan cair atau suspensi. Laser semikonduktor menggunakan dua lapisan bahan semikonduktor yang dapat dibangun menjadi susunan yang lebih besar. Semikonduktor adalah bahan yang menghantarkan listrik menggunakan kekuatan antara isolator dan konduktor yang menggunakan sedikit pengotor, atau bahan kimia yang dimasukkan, karena bahan kimia yang dimasukkan atau perubahan dalam suhu.

Untuk semua kegunaannya yang berbeda, semua laser menggunakan dua komponen sumber cahaya ini dalam bentuk padat, cair atau gas yang mengeluarkan elektron dan sesuatu untuk merangsang sumber ini. Ini bisa berupa laser lain atau emisi spontan dari bahan laser itu sendiri.

Beberapa laser menggunakan sistem pemompaan, metode untuk meningkatkan energi partikel dalam media laser yang memungkinkan partikel mencapai keadaan tereksitasinya untuk membuat inversi populasi. Lampu kilat gas dapat digunakan dalam pemompaan optik yang membawa energi ke bahan laser. Dalam kasus di mana energi bahan laser bergantung pada tumbukan atom di dalam bahan, sistem ini disebut sebagai pemompaan tumbukan.

Komponen sinar laser juga bervariasi dalam berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mengirimkan energi. Laser gelombang kontinu menggunakan daya pancaran rata-rata yang stabil. Dengan sistem daya yang lebih tinggi, Anda biasanya dapat menyesuaikan daya, tetapi, dengan laser gas berdaya lebih rendah seperti laser helium-neon, tingkat daya ditetapkan berdasarkan kandungan gas.

Laser helium-neon adalah sistem gelombang kontinu pertama dan diketahui memancarkan cahaya merah. Secara historis, mereka menggunakan sinyal frekuensi radio untuk membangkitkan materi mereka, tetapi saat ini mereka menggunakan debit arus searah kecil antara elektroda dalam tabung laser.

Ketika elektron dalam helium tereksitasi, mereka melepaskan energi ke atom neon melalui tumbukan yang menciptakan inversi populasi di antara atom neon. Laser helium-neon juga dapat berfungsi secara stabil pada frekuensi tinggi. Ini digunakan dalam menyelaraskan pipa, survei dan sinar-X.

Tiga gas mulia, argon, kripton dan xenon, telah menunjukkan penggunaan dalam aplikasi laser di puluhan frekuensi laser yang menjangkau ultraviolet hingga inframerah. Anda juga dapat mencampur ketiga gas ini satu sama lain untuk menghasilkan frekuensi dan emisi tertentu. Gas-gas ini dalam bentuk ioniknya membiarkan elektronnya menjadi tereksitasi dengan bertabrakan satu sama lain sampai mencapai inversi populasi.

Banyak desain jenis laser ini memungkinkan Anda memilih panjang gelombang tertentu untuk rongga yang dipancarkan untuk mencapai frekuensi yang diinginkan. Memanipulasi sepasang cermin di dalam rongga juga memungkinkan Anda mengisolasi frekuensi cahaya tunggal. Tiga gas, argon, kripton, dan xenon, memungkinkan Anda memilih dari banyak kombinasi frekuensi cahaya.

Laser ini menghasilkan output yang sangat stabil dan tidak menghasilkan banyak panas. Laser ini menunjukkan prinsip kimia dan fisika yang sama yang digunakan di mercusuar serta lampu listrik yang terang seperti stroboskop.

Laser karbon dioksida adalah laser gelombang kontinu yang paling efisien dan efektif. Mereka berfungsi menggunakan arus listrik dalam tabung plasma yang memiliki gas karbon dioksida. Tabrakan elektron menggairahkan molekul gas ini yang kemudian mengeluarkan energi. Anda juga dapat menambahkan nitrogen, helium, xenon, karbon dioksida, dan air untuk menghasilkan frekuensi laser yang berbeda.

Saat melihat jenis laser yang dapat digunakan di berbagai area, Anda dapat menentukan mana yang dapat menghasilkan daya dalam jumlah besar. karena mereka memiliki tingkat efisiensi yang tinggi sehingga mereka menggunakan sebagian besar energi yang diberikan kepada mereka tanpa melepaskan banyak energi limbah. Sementara laser helium-neon memiliki tingkat efisiensi kurang dari 0,1%, tingkat untuk laser karbon dioksida adalah sekitar 30 persen, 300 kali lipat dari laser helium-neon. Meskipun demikian, laser karbon dioksida memerlukan lapisan khusus, tidak seperti laser helium-neon, untuk memantulkan atau mentransmisikan frekuensi yang sesuai.

Laser Excimer menggunakan sinar ultraviolet (UV) yang, ketika pertama kali ditemukan pada tahun 1975, berusaha menciptakan sinar laser yang terfokus untuk presisi dalam bedah mikro dan mikrolitografi industri. Nama mereka berasal dari istilah "excited dimer" di mana dimer adalah produk dari kombinasi gas yang secara elektrik bersemangat dengan konfigurasi tingkat energi yang menciptakan frekuensi cahaya tertentu dalam kisaran UV elektromagnetik spektrum.

Laser ini menggunakan gas reaktif seperti klorin dan fluor bersama sejumlah gas mulia argon, kripton, dan xenon. Dokter dan peneliti masih mengeksplorasi kegunaannya dalam aplikasi bedah mengingat seberapa kuat dan efektifnya mereka dapat digunakan untuk aplikasi laser operasi mata. Laser excimer tidak menghasilkan panas di kornea, tetapi energinya dapat memutuskan ikatan antarmolekul dalam jaringan kornea dalam proses yang disebut "dekomposisi fotoablatif" tanpa menyebabkan kerusakan yang tidak perlu pada mata.