KONSEP DASAR LASER
TUGAS MATA KULIAH
MEKANIKA LANJUTAN
Matius Biu Sarra
S2 PENDIDIKAN FISIKA
UNIVERSITAS NEGERI JAKARTA
KONSEP DASAR LASER - Tugas Akhir Mekanika Lanjut . S2 Pendidikan Fisika UNJ Jakarta. 1 | Matius Biu Sarra
KONSEP DASAR LASER
P E N G A N T A R
LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, dapat diartikan
penguatan intensitas cahaya oleh pemancaran radiasi yang terstimulasi. Melalui proses stimulasi ini, cahaya yang
dipancarkan oleh laser dapat memiliki karakteristik, yakni:
1. Monokromatik: memiliki satu panjang gelombang yang spesifik.
2. Koheren: memiliki frekuensi yang sama.
3. Menuju arah yang sama (sehingga menempuh garis lurus).
Karakteristik di atas sangat berbeda dengan cahaya dari dari lampu yang cahayanya lemah karena memiliki
panjang gelombang dan frekuensi bermacam-macam, cahaya laser memiliki sifat kuat dan terkonsentrasi.
Yang dimaksud dengan cahaya dalam istilah laser adalah gelombang elektromagnetik secara umum, sehingga
βcahayaβ yang digunakan tidak hanya cahaya tampak, namun juga gelombang inframerah, ultraungu, sinar-X
dan lainnya.
Saat ini kata laser telah menjadi perbendaharaan kata sehari-hari sehingga laser dapat juga di anggap sebagai alat
yang dapat memancarkan cahaya (gelombang elektromagnetik) yang mempunyai sifat monokromatis, koheren,
terarah dan mempunyai ingkat kecerahan tinggi.
Prinsip yang melandasi mekanisme kerja laser dapat ditelusuri lebih lanjut dengan menelaah sifat elektron yang
berada di dalam atom. Mekanisme laser melibatkan tiga proses dasar interaksi radiasi dengan materi yaitu
serapan, emisi spontan, dan emisi terstimulasi. Pada kondisi kesetimbangan termal proses serapan dan emisi
spontan saling mengimbangi sehingga untuk menghasikan laser maka emisi terstimulasi harus diperbesar. Emisi
terstimulasi ini dapat diperoleh dengan cara pemompaan (pumping). Pemompaan laser dapat dilakukan dengan
cara optis, elektrik atau kimia.
Makalah ini akan dibahas tentang proses terjadinya laser dan cara pemompaan (pumping) untuk menghasilkan
laser.
Prinsip Kerja Laser
Setiap atom/molekul memiliki tingkat-tingkat energi, elektron hanya diperbolehkan berada di tingkat energi
tersebut. Jika elektron berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi lain maka kita mengatakan
atom/molekul mengalami transisi. Transisi ke tingkat energi lebih tinggi disebut eksitasi dan transisi ke tingkat
energi lebih rendah disebut deeksitasi.
Gambar 2: keadaan serapan terimbas, pancaran spontan dan pancaran terstimulasi.
foton dipancarkan
Pancaran terstimulasi
Atom mengalami deeksitasi
dari E2 ke E1.
E1
E2
foton stimulator
foton
dipancarkan
Pancaran spontan
Atom mengalami deeksitasi
dari E2 ke E1.
E1
E2
foton diserap
Serapan terimbas
Atom meyerap foton sehingga
terjadi eksitasi dari E1 ke E2
E1
E2
KONSEP DASAR LASER - Tugas Akhir Mekanika Lanjut . S2 Pendidikan Fisika UNJ Jakarta. 2 | Matius Biu Sarra
Proses-proses transisi dalam atom/molekul antara lain serapan imbas (induction absorption), pancaran spontan
(Spontaneous Emission) dan pancaran terstimulasi (Stimulated Emission).
Jika sebuah atom/molekul melakukan transisi dari keadaan E1 ke keadaan E2 yang aras energinya lebih tinggi
maka atom menyerap foton berenergi hv. Energi serap ini sama dengan selisih kedua aras energi. Proses ini
disebut serapan terimbas.
Proses sebaliknya dapat pula terjadi yaitu atom atau molekul yang berada di keadaan E2 melakukan transisi ke
keadaan E1 dengan memancarkan foton berenergi sama dengan selisih kedua aras energi. Ada dua kemungkinan
terjadinya transisi dari keadaan E2 ke keadaan E1.
Kemungkinan pertama adalah atom/molekul yang berada di keadaan E2 melakukan transisi secara spontan ke
keadaan E1. Proses demikian disebut pancaran spontan. Kemungkinan kedua adalah transisi terjadi karena
dirangsang oleh foton yang datang pada atom/molekul. Proses demikian disebut pancaran terstimulasi. Dalam
Laser proses pancaran terangsang harus dominan.
Beberapa perbedaan antara pancaran spontan dan pancaran terstimulasi dirangkum pada tabel berikut ini.
Pancaran Spontan Pancaran Terstimulasi
Tidak ada hubungan fase antara gelombang-
gelombang (radiasi) elektromagnet yang
dipancarkan oleh atom/molekul.
Gelombang (radiasi) elektromagnet yang
dipancarkan oleh atom/molekul memiliki fase yang
sama dengan gelombang elektromagnet yang
datang, sehingga saling memperkuat.
Radiasi elektromagnet (foton) dipancarkan
atom/molekul dalam arah sembarang.
Radiasi elektromagnet (foton) yang dipancarkan
atom/molekul memiliki arah yang sama dengan arah
foton datang.
Laju pancaran spontan tidak bergantung pada
intensitas radiasi datang.
Laju pancaran terstimulasi bergantung pada rapat
intensitas radiasi datang.
Serapan Terimbas
Misalkan populasi atom/molekul yang berada pada tingkat energi E1 adalah N1. Lalu sebuah atom menyerap
foton berfrekuensi π£ maka atom tersebut akan mengalami eksitasi ke tingkat energi E2. Populasi N1 akan
berkurang seiring dengan atom-atom yang mengalami eksitasi, jumlah atom yang tereksitasi sebanding dengan
intensitas foton datang. Cacah atom/molekul yang mengalami transisi dapat dituliskan π΅12 πΌ π£ dengan
πΌ π£ adalah intensitas foton yang diserap dan π΅12 adalah koefisien serapan Einstein. Laju perubahan populasi
atom/molekul di tingkat E1 adalah:
ππ1
ππ‘ π ππππππ
= π΅12 πΌ π£ π1 ................................................ (1)
Pancaran Spontan (Spontaneous Emission)
Misalkan populasi atom/molekul yang berada pada keadaan tereksitasi di tingkat energi E2 adalah N2.
Atom/molekul ini akan mengalami transisi deeksitasi ke tingkat energi dasar E1 dan memancarkan radiasi foton
(karena E2 > E1). Proses ini terjadi tanpa pengaruh dari luar (lingkungan sistem) dan disebut sebagai emisi
spontan.
Gambar 3. Beberapa atom
mengalami eksitasi.
KONSEP DASAR LASER - Tugas Akhir Mekanika Lanjut . S2 Pendidikan Fisika UNJ Jakarta. 3 | Matius Biu Sarra
Akibat adanya emisi spontan ini maka populasi atom/molekul yang berada pada keadaan E2 berkurang. Laju
pancaran spontan tergantung pada populasi atom/molekul di E2. Jika laju pancaran spontan adalah π΄21 (disebut
juga koefisien pancaran spontan Einstein) sedang N2 adalah populasi atom/molekul yang berada pada keadaan
E2 maka laju perubahan populasi atom/molekul di tingkat E2 adalah:
ππ2
ππ‘ π ππππ‘π π
= π΄21 π2 ................................................ (2)
Emisi Terstimulasi (Stimulated Emission)
Atom/molekul yang mengalami deeksitasi tidak hanya terjadi secara spontan, bisa juga terjadi karena ada foton
yang mengenai atom/molekul tersebut. Jika atom/molekul yang berada pada keadaan tereksitasi (tingkat energi
E2) menerima sebuah foton dengan frekuensi π£ =πΈ2 β πΈ1
β, maka foton ini akan merangsang (menstimulasi) atom
untuk mengalami deeksitasi ke tingkat energi E1 sambil memacarkan foton yang berfrekuensi sama dengan
foton yang diterima tadi.
Laju pancaran terstimulasi tergantung pada intensitas foton yang mengstimulasi. Dapat dituliskan π΅21 πΌ π£
dengan πΌ π£ adalah intensitas foton yang mengstimulasi dan π΅21 adalah koefisien serapan Einstein.
Populasi atom/molekul pada keadaan E2 juga berkurang akibat semisi terstimulasi ini. Laju perubahan populasi
atom/molekul akibat pancaran terstimulasi ini dapat ditulis sebagai:
ππ2
ππ‘ π‘πππ π‘πππ’πππ π
= π΅21 πΌ π£ π2 ................................................ (3)
Dalam keadaan kesetimbangan termal, laju perubahan populasi atom/molekul yang mengalami eksitasi sama
dengan laju populasi yang mengalami deeksitasi, sehingga:
π΅12 πΌ π£ π1 = π΅2 1πΌ π£ π2 + π΄21 π2
πΌ π£ π΅12π1 β π΅21π2 = π΄21π2 ................................................ (4)
Disamping itu untuk kondisi kesetimbangan termal, agihan populasi atom/molekul pada setiap keadaan
mengikuti agihan Bolztman yaitu:
π1 = πΆ π βπΈ1ππ
dan π2 = πΆ π
βπΈ2ππ
Sehingga
π1
π2= π
πΈ2βπΈ1ππ
= π
βπ£
ππ ................................................ (5)
Persamaan ini menunjukkan bahwa dalam keadaan setimbang termal N1 selalu lebih besar daripada N2, tingkat
energi rendah selalu lebih padat populasinya dibandingkan dengan tingkat yang lebih tinggi.
Gambar 4. Proses pancaran
spontan dari atom (molekul).
Gambar 5. Proses pancaran
terstimulasi dari atom (molekul).
KONSEP DASAR LASER - Tugas Akhir Mekanika Lanjut . S2 Pendidikan Fisika UNJ Jakarta. 4 | Matius Biu Sarra
Jika persamaan (4) dan (5) digabung diperoleh persamaan:
πΌ π£ =π΄21
π΅12 π βπ£ππ βπ΅21
................................................... (6)
Atau
πΌ π£ =π΄21
π΅21
π΄21
π΅12π΅21
π βπ£ππ β1
................................................ (7)
Persamaan terakhir ini mirip dengan rumusan Planck tentang intensitas radiasi benda hitam yaitu:
π π£ =8πβπ£3
π3 1
π βπ£ππ β1
................................................. (8)
Dengan menyamakan persamaan tersebut diperoleh:
π΄21
π΅21=
8πβπ£3
π3 .................................................... (9)
π΅12 = π΅21 ................................................... (10)
Dari analisis ini dapat ditarik kesimpulan bahwa π΅21 β 0 artinya transisi terstimulasi dalam atom/molekul
memang terjadi. Dan π΅12 = π΅21 menunjukkan bahwa peluang atom-atom melakukan transisi serapan sama
dengan peluang melakukan transisi akibat emisi terstimulasi. Tetapi pada keadaan norma/setimbang termal
pengaruh serapanlah yang lebih terasa. Hal ini demikian karena populasi atom lebih besar di tingkat energi yang
lebih rendah.
Dari penjelasan di atas tampaknya ketiga proses: serapan, emisi spontan dan emisi terstimulasi, terjadi melalui
suatu persaingan. Laser yang dihasilkan oleh emisi terstimulasi dengan demikian hanya bisa terjadi jika emisi
terstimulasi dapat dibuat mengungguli dua proses yang lainnya. Nisbah laju pancaran terstimulasi terhadap
serapan dapat dihitung sebagai berikut.
πΏπππ’ ππππππππ π‘πππ π‘πππ’πππ π
πΏπππ’ π ππππππ=π΅21πΌ π£ π2
π΅12πΌ π£ π1
= π2
π1
Dari persamaan ini tebukti tidaklah mungkin pancaran terstimulasi dapat mengungguli serapan pada
kesetimbangan termal, karena N1 yang selalu lebih besar daripada N2. Laser bisa dibuat hanya jika N2 > N1
yang tentu saja tidak alamiah, keadaan terbalik seperti ini disebut inversi populasi. Inversi populasi ini harus
dipertahankan selama laser bekerja. Cara untuk memperoleh inversi populasi disebut pemompaan (pumping)
antara lain dengan cara Pumping Elektris (memasang tegangan tinggi) dan Pumping Optis (disinari dengan
cahaya).
Pemompaan elektris adalah penembakan elektron melalui lucutan listrik, sedang pemompaan optis dengan cara
penembakan foton. Untuk menuju keadaan inversi populasi pemompaan ini harus melakukan pemindahan atom
ke tingkat eksitasi dengan laju yang lebih cepat dibandingkan dengan laju emisi spontannya. Hal ini dapat
dilakukan jika menggunakan medium laser yang atom-atomnya memiliki tingkat energi yang metastabil. Keadaan
metastabil ini waktunya relatif lebih lama sebelum terdeeksitasi dibandingkan dengan umurnya di tingkat
eksitasi yang lain. Dengan demikian pada saat pemompaan terus berlangsung, terjadi penumpukan di tingkat
metastabil, populasinya akan lebih padat dibandingkan dengan populasi tingkat energi di bawahnya.
Gambar 6: Tingkat energi metastabil
Bila suatu saat secara spontan dipancarkan satu foton saja yang berenergi sama dengan selisih energi antara
tingkat metastabil dengan tingkat dasar, ia akan memicu dan mengajak atom-atom lain di tingkat metastabil
untuk kembali ke tingkat dasar.
Tingkat energi
tinggi
Tingkat energi
dasar
Tingkat energi metastabil
Terjadi Laser
................................................. (11)
KONSEP DASAR LASER - Tugas Akhir Mekanika Lanjut . S2 Pendidikan Fisika UNJ Jakarta. 5 | Matius Biu Sarra
Akibatnya atom-atom itu melepaskan foton-foton yang energi dan fasenya persis sama dengan foton yang
mengajaknya tadi, terjadilah laser. Proses demikian inilah yang banyak terjadi pada jenis laser seperti laser ruby
dan laser-laser gas.
Syarat penting lainnya untuk menghasilkan laser adalah meningkatkan nisbah laju pancaran terstimulasi terhadap
laju pancaran spontannya. Nisbah tersebut mudah sekali didapat
πΏπππ’ ππππππππ π‘ππ π‘πππ’πππ π
πΏπππ’ ππππππππ π ππππ‘ππ=π΅21 πΌ π£ π2
π΄21π2
Dengan memasukkan nilai πΌ π£ dari persamaan ( 6 ) kita peroleh:
πΏπππ’ ππππππππ π‘ππ π‘πππ’πππ π
πΏπππ’ ππππππππ π ππππ‘ππ=
1
π βπ£ππ β 1
= πβπ£ππ β 1
β1
Persamaan (12) menunjukkan bahwa untuk memperoleh laju pancaran terstimulasi dominan maka
intensitas πΌ π£ harus cukup besar agar laser dapat dihasilkan. Intensitas foton ini dapat ditingkatkan dengan
cara memberikan suatu rongga resonansi optis. Kedua ujung diberi cermin sehingga foton bertambah menjadi
besar sekali melalui pantulan yang berulang-ulang pada kedua ujung rongga, dan terjadilah perbesaran
intensitas.
Persamaan (13) menunjukkan bahwa untuk memperoleh laju pancaran terstimulasi lebih dominan maka nilai
πβπ£ππ β 1
β1
> 1 , dan ini bisa diperoleh jika nilai βπ£ β€ ππ , misalnya gelombang mikro yang memiliki frekuensi
π£ kecil dan pada kondisi suhu kamar laser bisa dihasilkan. Dan ini juga sebabnya laser berenergi tinggi dengan
frekuensi yang tinggi amat sulit dibuat, karena pancaran spontan akan lebih dominan.
Pemompaan Laser secara optis.
Pada laser cara pemompaan optis ini laser ini dihasilkan melalui transisi atom dari tingkat metastabil ke tingkat
energi dasar. Pemompaan optisnya dilakukan dengan menempatkan batang ruby di dalam tabung yang dapat
menghasilkan kilatan cahaya. Foton-foton yang dihasilkan tabung ini akan bertumbukan dengan atom-
atom/molekul dalam ruby, mengakibatkan eksitasi besar-besaran ke pita tingkat energi tinggi. Dengan cepat
ion-ion itu meluruh ke tingkat metastabil, di tingkat ini mereka berumur kira-kira 0,005 detik, suatu selang
waktu yang relatif cukup panjang dibanding dengan waktu rata atom mengalami eksitasi. sebelum mereka
kembali ke tingkat energi dasar. Tentu saja pemompaan terjadi dengan laju yang lebih cepat dibanding selang
waktu tersebut sehingga terjadi inversi populasi. Setelah terjadi satu saja pancaran spontan, maka beramai-
ramailah atom yang lain melakukan hal yang sama, dan mereka semua memancarkan foton dengan energi dan
fase yang sama, yaitu laser.
Gambar 7 : Skema sebuah laser ruby
Jika pada laser ini dibuatkan rongga resonansi optis maka cacah foton yang dipancarkan dapat dibuat banyak
sekali. Rongga resonansinya adalah batang ruby itu sendiri. Batang tersebut harus dipotong dan digosok rata di
kedua ujungnya. Kedua ujung juga harus betul-betul sejajar, yang satu dilapisi tebal dengan perak dan satunya
lagi tipis- tipis saja. Akibatnya rapat energi foton makin lama makin besar dengan terjadinya pemantulan
berulang-ulang yang dilakukan kedua ujung batang ruby, sampai suatu saat ujung yang berlapis tipis tidak mampu
lagi memantulkan foton yang datang, sehingga tumpahlah foton-foton dari ujung tersebut sebagai sinar yang
kuat, monokromatik dan koheren yang tidak lain adalah laser.
Pada saat pancaran terangsang berlangsung, tentu saja tingkat metastabil akan cepat sekali berkurang
populasinya. Akibatnya keluaran laser terdiri dari pulsa-pulsa berintensitas tinggi yang selangnya masing-masing
sekitar beberapa nanodetik sampai milidetik. Setelah letupan laser terjadi, proses inversi populasi dan
................................................. (12)
............................................... (13)
KONSEP DASAR LASER - Tugas Akhir Mekanika Lanjut . S2 Pendidikan Fisika UNJ Jakarta. 6 | Matius Biu Sarra
peningkatan intensitas foton dimulai lagi dari awal, demikianlah seterusnya sehingga terjadi rentetan letupan-
letupan berupa pulsa-pulsa. Keluaran yang kontinu dapat diperoleh yaitu jika sistem lasernya ditaruh dalam
sebuah kriostat agar suhu operasi laser menjadi rendah sekali.
Efisiensi laser ruby ini sangat rendah, karena terlalu banyak energi yang harus dipakai untuk mencapai inversi
populasinya. Sebagian besar cahaya dari tabung cahaya tidak memiliki panjang gelombang yang diharapkan
untuk proses pemompaan sehingga merupakan pemborosan energi. Walaupun demikian daya rerata dari tiap
pulsa laser dapat mencapai beberapa kilowatt karena selang waktunya yang sangat pendek. Dengan daya
sebesar ini laser dapat digunakan untuk melubangi, memotong maupun mengelas logam.
Pemompaan Laser secara Elektris.
Sistem laser dengan pemompaan elektris menggunakan gas sebagai media. Gas yang dipakai bisa terdiri dari
satu atau lebih jenis gas yang ditempatkan dalam tabung. Kedua ujung tabung dipasangi elektroda yang diberi
tegangan listrik tinggi. Tegangan listrik tinggi ini membuat lucutan elektron yang bergerak dari katoda ke anoda
melewati atom-atom gas. Elektron yang menumbuk atom gas memberikan energi ke atom tersebut. Dalam
keadaan normal atom gas berada di tingkat energi dasarnya, pada saat elektron lucutan menumbuk atom gas
ia mendapatkan energi untuk tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi. Kedua ujung tabung juga dapat
dipasangi cermin agar foton yang teremisi dapat mengalami pemantulan bolak-balik yang tentunya juga
dapat mengeksitasi atom gas lainnya. Dengan demikian inversi populasi akan bisa diperoleh dan kondisi
untuk menghasilkan laser terpenuhi.
Gambar 8 : Sistem laser gas
Gambaran Cara Kerja Laser Batu Delima.
Gambar berikut memberikan ringkasan tentang cara kerja laser yang
menggunakan medium Ruby/Batu Delima.
Laser ini terdiri dari batu delima sebagai medium, sebuah lampu βflash
tubeβ untuk pumping, satu cermin di sisi kiri dan satu cemin lain dipasang
di sisi lainnya kedua cermin harus benar-benar paralel. Cermin yang
kedua ini setengah tembus sehingga pada kondisi tertentu akan
ditembus oleh foton sebagai bentuk laser.
Cahaya dari lampu merangsang atom-atom, sebagian atom mulai
tereksitasi.
Setelah tereksitasi maka atom-atom tersebut kembali ke keadaan awal
dengan cara memancarkan foton.
KONSEP DASAR LASER - Tugas Akhir Mekanika Lanjut . S2 Pendidikan Fisika UNJ Jakarta. 7 | Matius Biu Sarra
Sebagian dari foton-foton yang dipancarkan akan bergerak pada arah
yang sejajar dengan batang, dan akan dipantulkan secara bolak-balik
oleh cermin pada sisi-sisi batang. Foton yang bolak-balik ini akan
mengenai atom lain yang menyebabkan atom lebih banyak lagi yang
tereksitasi.
Atom-atom yang sudah banyak mengalami eksitasi berarti lebih
banyak juga atom yang terdeeksitasi dan memancarkan foton.
Suatu saat cermin kanan tidak kuat lagi menahan foton yang bolak-
balik akibat intensitas yang semakin besar sehingga keluar menjadi
sinar laser.
P E N U T U P.
Untuk membuat laser diperlukan bahan material yang memiliki tingkat-tingkat energi sedemikian sehingga
terdapat tingkat energi metastabil. Tingkat energi ini diperlukan karena waktu rata-rata keadaan ini untuk
bertahan lebih lama dibanding waktu rata-rata atom mengalami eksitasi. Dengan demikian populasi atom dalam
kondisi tereksitasi lebih besar dibanding populasi atom dalam keadaan dasar (inversi populasi). Sebuah kondisi
yang diperlukan untuk mendapatkan laser.
Agar terjadi inversi populasi perlu didukung oleh pumping laser seperti pumping secara optis maupun pumping
secara elektris.
DAFTAR PUSTAKA.
1. Beiser, A. 1989. Konsep Fisika Modern, Jakarta: Erlangga.
2. Kusminarto. 2011. Esensi Fisika Modern, Yokyakarta: Andi Offset.
3. Pikatan, S. Juni 1991. Laser, Kristal no. 4.
4. Prinsip Dasar Laser. Diperoleh 24 Desember 2012, dari http://www.oocities.org/ikhsan75/index.htm.
5. Buah Akal (11 Desember 2008). L a s e r . diperoleh 24 Desember 2012, dari
http://eigenzone.blogspot.com/2008/12/laser.html.