Teknologi Laser 101: Struktur & Prinsip Kerja

Struktur dasar laser diilustrasikan pada Gambar 1 dan terdiri dari komponen-komponen berikut ini:

1) Media Aktif Laser

Produksi sinar laser memerlukan media aktif yang sesuai, yang bisa berupa gas, cairan, padat, atau semikonduktor. Dalam media ini, inversi populasi dapat dicapai untuk menciptakan kondisi yang diperlukan untuk menghasilkan sinar laser. Keberadaan tingkat energi metastabil sangat memudahkan inversi populasi.

Terdapat hampir seribu jenis media aktif yang tersedia, yang mampu menghasilkan panjang gelombang laser mulai dari ultraviolet hingga inframerah-jauh, yang mencakup spektrum yang luas.

Sebagai jantung dari laser, media aktif terdiri dari partikel aktivator (biasanya logam) dan matriks. Struktur tingkat energi partikel aktivator menentukan karakteristik spektral dan masa pakai fluoresensi laser, sedangkan matriks terutama menentukan sifat fisik dan kimiawi medium aktif.

Laser dapat dibagi menjadi sistem tiga tingkat (seperti laser ruby) dan sistem empat tingkat (seperti laser Nd:YAG) berdasarkan struktur tingkat energi partikel aktivator. Bentuk yang umum digunakan untuk media aktif adalah silinder (paling banyak digunakan), planar, cakram, dan tubular.

2) Sumber Pemompaan Eksternal

Untuk mencapai inversi populasi dalam medium aktif, atom harus dieksitasi dengan cara tertentu untuk meningkatkan jumlah partikel pada tingkat energi yang lebih tinggi. Output laser yang terus menerus memerlukan "pemompaan" konstan untuk mempertahankan populasi partikel yang lebih tinggi pada tingkat energi yang lebih tinggi daripada tingkat energi yang lebih rendah, sehingga sumber pemompaan eksternal juga disebut sebagai sumber pompa.

Sumber pompa menyediakan energi untuk membalikkan populasi antara tingkat energi tinggi dan rendah, dengan pemompaan optik menjadi metode utama yang digunakan saat ini. Sumber pompa harus memenuhi dua kondisi dasar: sumber pompa harus memiliki efisiensi cahaya yang tinggi dan karakteristik spektralnya harus sesuai dengan spektrum penyerapan media aktif. Sumber pompa yang umum termasuk lampu pelepasan gas inert, energi matahari, dan laser dioda.

Lampu pelepasan gas inert adalah sumber pompa yang paling umum digunakan. Pemompaan energi surya sering digunakan untuk perangkat berdaya rendah, terutama laser kecil dalam aplikasi luar angkasa yang dapat menggunakan energi surya sebagai sumber daya permanen. Pemompaan dioda mewakili arah masa depan laser solid-state, menggabungkan banyak keuntungan dan menjadi salah satu laser yang paling cepat berkembang.

Metode pemompaan dioda dapat dibagi menjadi dua jenis: pemompaan melintang (pemompaan ujung-muka dengan insiden koaksial) dan pemompaan memanjang (pemompaan samping dengan insiden vertikal).

Laser solid-state yang dipompa dengan dioda memiliki banyak keuntungan, termasuk umur panjang, stabilitas frekuensi yang baik, dan distorsi optik termal minimal, dengan keuntungan yang paling menonjol adalah efisiensi pemompaan yang tinggi karena kecocokan yang tepat antara panjang gelombang cahaya pompa dan spektrum penyerapan media aktif.

3) Rongga Pemfokusan

Rongga pemfokusan memiliki dua fungsi: secara efektif memasangkan sumber pompa dengan medium aktif dan menentukan distribusi densitas cahaya pompa pada medium aktif, sehingga memengaruhi keseragaman, divergensi, dan distorsi optik sinar output.

Karena media aktif dan sumber pompa dipasang di dalam rongga pemfokusan, maka kualitasnya secara langsung berdampak pada efisiensi dan performa pompa. Rongga pemfokusan silinder elips paling sering digunakan pada laser solid-state kecil.

4) Resonator Optik

Resonator optik pada dasarnya adalah dua cermin yang sangat reflektif yang ditempatkan berhadapan pada ujung laser. Satu cermin sepenuhnya memantulkan cahaya sementara cermin lainnya memantulkan sebagian cahaya, sehingga sebagian besar cahaya dipantulkan kembali sementara sebagian kecil cahaya dipancarkan, menghasilkan cahaya laser. Cahaya yang dipantulkan kembali ke dalam media aktif terus menginduksi emisi terstimulasi baru, memperkuat cahaya.

Cahaya berosilasi bolak-balik di dalam resonator, menyebabkan reaksi berantai dan amplifikasi seperti longsoran salju, sehingga menghasilkan cahaya laser yang intens yang dipancarkan dari ujung cermin yang memantulkan sebagian.

Resonator optik tidak hanya memberikan umpan balik optik untuk mempertahankan osilasi laser yang berkelanjutan dan emisi yang terstimulasi, tetapi juga membatasi arah dan frekuensi sinar yang berosilasi untuk memastikan monokromatisitas yang tinggi dan pengarahan yang tinggi dari laser keluaran. Resonator optik yang paling sederhana dan paling umum digunakan untuk laser solid-state terdiri dari dua cermin datar (atau bulat) yang saling berhadapan.

(5) Sistem Pendinginan dan Penyaringan

Sistem pendinginan dan penyaringan adalah perangkat tambahan yang sangat diperlukan untuk laser. Laser menghasilkan panas yang signifikan sewaktu beroperasi, sehingga memerlukan tindakan pendinginan. Sistem pendingin terutama mendinginkan media aktif laser, sumber pemompaan, dan rongga pemfokusan untuk memastikan pengoperasian normal laser dan melindungi peralatan.

Metode pendinginan meliputi cairan, gas, dan konduksi, dengan pendinginan cairan yang paling banyak digunakan. Selain itu, untuk mendapatkan sinar laser dengan monokromatisitas tinggi, maka perlu dilakukan penyaringan output. Sistem penyaringan dapat menghilangkan sebagian besar cahaya pompa dan cahaya lain yang mengganggu, sehingga menghasilkan sinar laser output dengan kualitas monokromatik yang tinggi.

Mari kita ambil laser ruby sebagai contoh untuk menjelaskan prinsip kerja laser. Media aktifnya adalah batang ruby. Ruby adalah kristal aluminium oksida yang didoping dengan sejumlah kecil ion kromium trivalen, biasanya rasio massa kromium oksida sekitar 0,05%. Karena ion kromium menyerap cahaya hijau dan biru dari cahaya putih, permata ini tampak berwarna merah muda.

Ruby yang digunakan oleh Maiman dalam laser yang pertama kali ditemukan pada tahun 1960 adalah batang silinder dengan diameter 0,8 cm dan panjang sekitar 8 cm. Ujungnya adalah sepasang cermin bidang paralel, yang satu dilapisi dengan film yang sepenuhnya reflektif dan yang satunya lagi dengan kecepatan transmisi 10%, yang memungkinkan laser melewatinya.

Pada laser ruby, lampu xenon bertekanan tinggi digunakan sebagai "pompa" untuk mengeksitasi ion kromium ke keadaan tereksitasi E₃. Elektron dipompa ke E₃ transisi dengan cepat (dalam waktu sekitar 10^-8 detik) ke E₂ tanpa radiasi. E₂ adalah tingkat energi metastabil di mana probabilitas emisi spontan ke E₁ sangat rendah, dengan masa pakai hingga 10 tahun^-3 detik, memungkinkan partikel untuk tinggal dalam waktu yang lama.

Akibatnya, partikel-partikel terakumulasi pada E₂mencapai inversi populasi antara tingkat energi E₂ dan E₁. Emisi cahaya yang distimulasi dari E₂ ke E₁ adalah laser merah dengan panjang gelombang 694,3 nm. Laser pulsa yang diperoleh dari lampu xenon berdenyut berlangsung kurang dari 1 ms per pulsa cahaya, dengan setiap energi pulsa melebihi 10 J dan daya setiap laser pulsa mampu melebihi 10 kW.

Proses ion kromium tereksitasi dan memancarkan sinar laser melibatkan tiga tingkat energi, oleh karena itu disebut sistem tiga tingkat. Dalam sistem tiga tingkat, karena tingkat energi yang lebih rendah E₁ adalah keadaan dasar dan biasanya mengakumulasi sejumlah besar atom, mencapai inversi populasi membutuhkan sejumlah besar eksitasi.