Belajar tentang Laser Semikonduktor

Laser Semikonduktor - Kata LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang artinya perbesaran intensitas cahaya oleh pancaran terangsang. Kata kuncinya adalah “perbesaran” dan “pancaran terangsang” yang akan menjadi jelas kemudian.Dewasa ini, 30 tahun setelah ditemukan, kata laser telah menjadi perbendaharaan kata sehari-hari. Peralatan yang menggunakan komponen laser dapat ditemukan dimana-mana, seperti pembaca kode harga di kasir pasar swalayan, laser printer, compact-disk player, pemandu pesawat jet dan pertunjukan laser dalam festival musik. Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan amat lurus.

Cara kerjanya mencakup optika dan elektronika. Para ilmuwan biasa menggolongkannya dalam bidang elektronika kuantum. Sebetulnya laser merupakan perkembangan dari MASER, huruf M disini singkatan dari Microwave, artinya gelombang mikro. Cara kerja maser dan laser adalah sama, hanya saja mereka bekerja pada panjang gelombang yang berbeda. Laser bekerja pada spektrum infra merah sampai ultra ungu, sedangkan maser memancarkan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang jauh lebih panjang, sekitar 5 cm, lebih pendek sedikit dibandingkan dengan sinyal TV - UHF. Laser yang memancarkan sinar tampak disebut laser optik.


Emisi Terstimulasi (pancaran terangsang)

Emisi terstimulasi adalah salah satu cara foton dihasilkan.Foton yang dihasilkan dari proses emisi terstimulasi berbeda dengan foton yang dihasilkan dari proses emisi spontan, jika foton yang dipancarkan oleh emisi spontan cenderung random atau acak, maka tidak demikian dengan radiasi foton yang diradiasikan pada emisi terstimulasi yang cenderung sefase dan memiliki arah yang sama, polarisasi yang sama dan energy yang sama.

Dalam emisi terstimulasi, foton yang datang akan menstimulasi/memicu terjadinya emisi foton lain dengan cara mengimbas electron pada tingkat energy yang lebih tinggi (E2) untuk “jatuh” menuju tingkat energy yang lebih rendah (E1). Kita mengetahui bersama bahwa foton sesungguhnya merupakan gelombang elektromagnetik, pada saat proses emisi terstimulasi medan listrik dari foton datang akan menggandeng (coupling) electron pada E2 dan karena itu akan mampu mengendalikan/menggerakkan/mendorong-nya dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi foton.

Silahkan Baca :  Fakta-Fakta Menarik tentang Planet Bumi yang Perlu Diketahui

Osilasi paksa yang diberikan oleh medan listrik foton pada elektron pada frekuensi f=(E2-E1)/h menyebabkan electron mengemisikan radiasi gelombang elektromagnetik yang medan listriknya sefase dengan foton yang mestimulasinya (mudahnya electron di sini menyamakan frekuensi dengan frekuensi medan listrik dari foton datang). Ketika foton datang tadi meninggalkan tempat terjadinya emisi terstimulasi, electron akan kembali pada tingkat energy E1 karena telah mengemisikan foton dengan energy hf=(E2-E1) .

Gambar 1. Emisi terstimulasi

        

Emisi terstimulasi menjadi dasar untuk mendapatkan penguatan foton karena dalam proses ini sebuah foton datang akan menghasilkan dua foton keluaran dengan fase yang sama. Agar terjadi emisi terstimulasi, foton datang tidak boleh diabsorpsi oleh atom lain di tingkat energi E1. Pada LASER, penguatan foton terjadi tidak dengan sebuah electron/atom tetapi dengan kumpulan atom yang berada pada tingkat energy tinggi E2.

Kondisi ini (mayoritas atom berada pada tingkat energy tinggi (E2) harus tercapai agar foton datang tidak terserap oleh atom pada tingkat energy rendah E1. Kondisi dimana jumlah atom pada tingkat energy E2 lebih besar daripada jumlah atom di tingkat energy E1 disebut kondisi inverse populasi (population inversion).

Harus diketahui juga bahwa kita tidak akan bisa mencapai kondisi inversi populasi dengan hanya dua tingkatan energy karena dalam keadaan tunak (steady state) aliran foton datang akan menyebabkan eksitasi ke atas dan emisi spontan kebawah dengan jumlah sama banyak. Pada sistem tiga tingkat energy, salah satu tingkat energy tepatnya tingkat energy paling tinggi E3, jika terdapat atom-atom padanya maka atom-atom tersebut akan dengan cepat meluruh/ mengalami proses deeksitasi menuju tingkat energy tengah E2.

Silahkan Baca : Belajar tentang Laju Cahaya


Pada tingkat energy E2, atom-atom akan bertahan lebih lama di tingkat energy ini sehingga menyababkan terjadinya inverse populasi (keadaan ini biasa disebut keadaan metastabil). Jika salah satu atom pada tingkat energy E2 mengalami emisi spontan dan mengemisikan foton, maka foton ini dapat menjadi pemicu atom-atom lain untuk mengalami deeksitasi menuju tingkat energy E1 melalui proses emisi terstimulasi.

Gambar 2. Emisi Terstimulsi pada tiga tingkat energi dan inversi populasi yang terjadi pada kedaan metastabil

Selain itu Inversi populasi dapat diperoleh dengan cara pemompaan. Pemompaan merupakan proses perpindahan atom dari energi level terendah (dapat disebut ground State) menuju ke energi level yang lebih tinggi (excited state). Perpindahan ini menyerap energi dari lingkungan luar. Hubungan antara emisi terangsang dan pemompaan dapat dilihat dari pemompaan tiga dan empat tingkat. Untuk pemompaan tiga tingkat, pada awalnya atom-atom dipompa dari ground state menuju excited state.

Selanjutnya terjadi emisi spontan mentransisikan atom-atom menuju metastable state. Pada level energi ini, atom-atom cenderung lebih lama bertahan. Emisi terangsang terjadi ketika photon datang dan kemudian atom-atom berpindah menuju ground state dan menghasilkan energi photon yang koheren dan terarah.

Gambar 3. Skema Pemompaan tiga tingkat

Pemompaan tiga tingkat diperlukan agar amplifikasi laser dapat terjadi. Jika hanya ada keadaan metastable state dan ground state, maka saat atom pada kedua level sama, emisi terangsang dan absorbsi energi sama besar sehingga tidak ada cahaya laser yang dihasilkan. Pemompaan tiga tingkat dengan adanya excited state akan menghindari populasi yang kurang pada ,metastable state sehingga keadaan Inversi Populasi dapat terus terjadi.

Demikianlah penjelasan singkat mengenai Laser Semikonduktor

  

Oleh: Sandi, Yogi, & Asih

Doa kami, Semoga rezeki berlimpah untuk sobat semua hari ini. Aamiin