Bagaimana Prinsip Kerja Laser?

Pengertian Laser

Myrightspot.com-Laser adalah sumber cahaya yang menghasilkan sinar yang koheren dan mendekati monokromatik sebagai hasil dari emisi bersama banyak atom. Laser merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Dari nama tersebut menunjukkan prinsip kerja dari laser, yaitu stimulated emission.

Sekarang ini istilah laser kebanyakan digunakan untuk alat yang menghasilkan sinar dengan prinsip laser. Ada beberapa alat yang disebut laser walaupun sebenarnya tidak termasuk laser. Laser juga memiliki beberapa jenis tersendiri. Contoh jenis-jenis laser, yaitu: semiconductor lasers, solid-state lasers, fiber lasers, gas lasers, dan free electron lasers. Jika dilihat dari spektrum gelombangnya, laser ada yang bisa kita lihat dengan mata dan ada juga yang tidak.

Sifat Sinar Laser

Laser saat ini telah banyak diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari. Tanpa kita sadari banyak alat-alat yang menggunakan prinsip laser. Banyaknya penggunaan laser dalam kehidupan sehari-hari tidak lepas dari sifat istimewa laser. Berikut 3 sifat utama sinar laser:

1. Sinar laser bersifat koheren.

Koherensi sangat berhubungan erat dengan kemampuan cahaya menunjukkan efek interferensi. Interferensi merupakan salah satu dari sifat-sifat gelombang. Laser mampu mempertahankan fase hubungan yang tetap antar setiap sinar-sinarnya. Atau sinar laser mempunyai foton-foton yang sefase.

Perbedaan pola gelombang koheren dan tidak koheren

2. Monokromatik

Sinar dikatakan monokromatik jika foton-foton penyusunya memiliki frekuensi tunggal. Berbeda dengan kebanyakan lampu yang memiliki spektrum optik yang lebar, sinar laser memiliki rentang panjang gelombang yang kecil.

3. Hanya mengalami sedikit penyebaran.

Sinar laser mampu fokus pada titik yang kecil dan hanya mengalami sedikit penyebaran meskipun pada jarak yang jauh.

Prinsip Kerja Laser

Untuk dapat memahami prinsip kerja laser dengan baik perlu mempelajari tentang tingkat energi pada atom. Saat atom menyerap energi dari foton maka atom akan berada pada keadaan tereksitasi. Atom yang tereksitasi akan kembali keadaan awalnya dengan memancarkan sebuah foton dengan frekuensi yang sama dengan yang diserap. Proses pemancaran foton tersebut dinamakan emisi spontan (spontaneous emission). Emisi spontan memancarkan foton dengan arah dan fase yang acak.

Sebagian besar atom yang tereksitas akan lansung kembali ke keadaan awalnya, tetapi ada sebagian yang bertahan lebih lama. Keadaan tersebut disebut dengan keadaan metastabil. Atom yang berada dalam keadaan metastabil dapat bertahan lebih lama yaitu selama 10^-3s, dibandingkan atom tereksitasi umumnya hanya bertahan selama 10^-8 s.

Perhatikan skema tingkat energi pada atom berikut.

Skema tingkat energi pada atom (sumber: physics for scientist and engineers)

Saat ada foton yang menginduksi atom metastabil, maka atom akan kembali ke keadaan awal dan mengeluarkan foton dengan frekuensi, arah, fase dan polarisasi yang sama dengan foton yang datang. Proses tersebut dinamakan stimulated emission atau emisi yang terstimulasi, dalam hal ini maksudnya proses pancaran yang terangsang oleh foton. Stimulated emission akan lebih mudah terjadi jika energi foton yang datang sama dengan selisih energi antara atom tereksitasi dan atom dalam keadaan dasar. Oleh sebab itu, foton yang datang dan foton yang dipancarkan mempunyai energi yang sama.

Sulit dipahami?

Berikut analogi yang dapat digunakan untuk membantu pemahaman anda tentang emisi yang terstimulasi,

Misalkan anda(foton) sedang bosan berada di rumah(atom). Kemudian ada teman anda(foton 2) yang datang untuk mengajak pergi bermain. Daripada pergi sendiri dari rumah sendirian, anda lebih memilih untuk pergi bersama teman anda. Kemudian anda berdua pergi bersama-sama. Meskipun tak sepenuhnya tepat, setidaknya analogi tersebut dapat membantu anda memahaminya.

Karena sebelum terjadinya stimulated emission setiap atomnya ada satu foton dan setelah stimulated emission ada 2 foton, maka disebut light amplification yang secara awam dapat diartikan penguatan cahaya. Dua buah foton tersebut berada pada fase yang sama sehingga dinamakan koheren. Berdasarkan penjelasan di atas, dapat dimengerti bahwa sinar laser merupakan foton-foton koheren dalam jumlah yang besar.

Untuk memperoleh foton-foton tersebut maka diperlukan banyak atom dalam keadaan tereksitasi. Sehingga laju radiasi energi melalui stimulated emission dapat melebihi laju penyerapannya dan sistem dapat berfungsi sebagai sumber radiasi energi foton. Atau dengan kata lain, jumlah foton yang diemisikan lebih banyak dari jumlah foton yang diserap.

Umumnya jumlah atom tereksitasi sedikit. Keadaan dimana jumlah atom tereksitasi lebih banyak dari atom dalam keadaan dasar disebut population inversion. Population inversion dapat dihasilkan dengan cara “memompa” atom dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi dengan cara memasukan energi ke dalam sistem. Keadaan tereksitasi harus mencapai keadaan metastabil agar population inversion dapat terbentuk dan stimulated emission dapat terjadi.

Foton yang diemisikan harus berada dalam sistem cukup lama agar dapat menstimulasi atom-atom lainnya. Keadaan tersebut dicapai dengan meletakkan cermin pada kedua ujung sistem. Salah satu ujung terdiri dari cermin yang memantulkan secara total, sedang ujung satunya bersifat memantulkan sebagian. Sebagian sinar keluar melewati cermin yang bersifat memantulkan sebagian. Sinar yang keluar tersebutlah yang disebut dengan sinar laser.

Perhatikan skema kerja laser berikut.

Skema prinsip kerja laser (sumber: physics for scientist and engineers)

Jadi laser menggunakan emisi terstimulasi (stimulated emission) untuk menguatkan sinar (light amplification), sesuai dengan kepanjangan laser yaitu “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”.

Jangan lupa like, comment, and share ya jika artikel prinsip kerja laser diatas bermanfaat bagi anda.