Laser

 Laser

Laser adalah sumber sinar monokromatik yang intens dan sangat terarah — cahaya dengan rentang panjang gelombang yang sangat sempit. Kata laser adalah akronim yang berarti amplifikasi cahaya dengan stimulasi emisi radiasi. Banyak jenis laser yang sekarang ditemukan, tetapi prinsip umum dari laser dapat dipahami dengan melihat laser ruby, jenis pertama yang dibangun (pada tahun 1960). Ruby adalah aluminium oksida yang mengandung ion chromium (III) konsentrasi kecil, Cr3+, menggantikan beberapa ion aluminium. Transisi elektron dalam laser ruby ​​adalah transisi dari ion Cr3+. Gambar 7.12 menunjukkan diagram tingkat energi ion ini dalam ruby. Ketika Anda menyinari cahaya dengan panjang gelombang 545 nm pada kristal ruby, cahayanya diserap dan Cr3+ mengalami transisi dari level 1 ke level 3. Sebagian besar ion di level 3 kemudian menjalani transisi tanpa radiasi ke level 2. (Dalam transisi ini, ion kehilangan energi sebagai panas pada kristal, bukan dengan memancarkan foton.) Ketika lampu hijau intens pada 545 nm menyala pada kristal ruby, ion Cr3+ dari ruby ​​berakhir di level 2. Seperti semua keadaan tereksitasi, level 2 secara spontan memancarkan foton, pergi ke keadaan dasar. Tetapi ketika sebagian besar keadaan tereksitasi dengan cepat (dalam 108 detik) memancarkan foton, level 2 memiliki masa pakai yang jauh lebih lama (sepersekian milidetik), menghasilkan penumpukan ion Cr3+ yang tereksitasi di level ini. Jika akumulasi dari ion tereksitasi ini dapat dipicu untuk memancarkan sekaligus (atau hampir demikian) suatu emisi intens cahaya monokromatik pada 694 nm akan terjadi.

Proses emisi terstimulasi sangat ideal untuk pemicu ini. Ketika foton yang sesuai dengan 694 nm bertemu dengan ion Cr3+ di level 2, itu merangsang ion untuk menjalani transisi dari level 2 ke level 1. Ion memancarkan foton yang sesuai dengan panjang gelombang yang sama persis dengan foton aslinya. Di tempat hanya satu foton, sekarang ada dua foton (yang asli dan yang diperoleh dengan emisi terstimulasi). Efek bersihnya adalah meningkatkan intensitas cahaya pada panjang gelombang ini. Dengan demikian, cahaya lemah pada 694 nm dapat diperkuat dengan emisi stimulasi ruby ​​yang tereksitasi.

 Gambar 7.13 menunjukkan sketsa laser ruby. Lampu kilat memancarkan cahaya hijau (pada 545 nm) yang diserap oleh ruby, membangun konsentrasi ion Cr3+ level 2. Beberapa ion tereksitasi ini secara spontan memancarkan foton yang sesuai dengan 694 nm (lampu merah), dan foton ini kemudian merangsang ion lain untuk dipancarkan, yang pada gilirannya menstimulasi lebih banyak ion untuk memancarkan, dan sebagainya, menghasilkan pulsa sinar laser pada 694 nm. 

Sinar laser adalah koheren. Ini berarti bahwa gelombang yang membentuk sinar semuanya dalam satu fase; yaitu, gelombang memiliki maksimum dan minimum pada titik yang sama dalam ruang dan waktu. Sifat koherensi sinar laser digunakan pada pemutar audio compact disc (CD) (Gambar 7.14). Musik dikodekan pada disk dalam bentuk pits, atau lekukan, pada lintasan spiral. Saat disk diputar, sinar laser kecil memindai trek dan dipantulkan kembali ke detektor. Cahaya yang dipantulkan dari indentasi berada di luar fase dengan cahaya dari laser dan mengganggu itu. Karena gangguan ini, sinar yang dipantulkan berkurang intensitasnya dan memberikan sinyal detektor yang berkurang. Fluktuasi dalam sinyal kemudian dikonversi menjadi suara.

 

Tingkat energi ion krom (III) dalam ruby ​​Tingkat energi telah dinomori dengan meningkatkan energi dari 1 menjadi 3. (Level 3 diperluas dalam keadaan padat.) Ketika ion krom (III) menyerap gelombang 545-nm dari cahaya dari lampu kilat, elektron dalam ion pertama kali menjalani transisi ke level 3 dan kemudian transisi tanpa radiasi ke level 2. (Energi hilang sebagai panas.) Elektron terakumulasi di level 2 sampai lebih banyak yang berada di level 2 daripada di level 1. Kemudian foton dari emisi spontan dari level 2 ke level 1 dapat merangsang emisi dari atom-atom lain di level 2. Foton-foton ini bergerak bolak-balik antara permukaan reflektif, merangsang emisi tambahan dan membentuk pulsa laser pada 694 nm.

 

Laser ruby

Lampu flash mengelilingi batang ruby. Cahaya 545 nm (hijau) dari flash “memompa” elektron dari level 1 ke level 3, kemudian ke level 2, dari mana stimulasi emisi membentuk pulsa laser pada 694 nm (merah). Emisi terstimulasi bolak-balik antara permukaan reflektif di ujung batang ruby, membangun sinar laser yang koheren. Salah satu ujung memiliki permukaan reflektif sebagian untuk memungkinkan sinar laser keluar dari ruby.

Musik atau informasi lain dikodekan dalam bentuk hole pada compact disc. Lensa mengarahkan sinar laser ke disk, yang memantulkannya kembali. Cahaya yang dipantulkan dari lubang keluar dari fase dengan cahaya dari laser, dan kedua gelombang ini mengganggu, mengurangi intensitas gelombang. Saat disk bergerak, cahaya dipantulkan dari permukaan utama dengan intensitas penuh (menyala) atau dari lubang dengan intensitas dikurangi (mati). Detektor peka cahaya mengubah cahaya yang dipantulkan ini menjadi sinyal digital (serangkaian pulsa aktif dan nonaktif). Konverter mengubah sinyal ini menjadi yang dapat diterima oleh speaker.

Sumber :Theodore L. Brown, Chemistry: The Central Science