BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Laser berasal dari singkatan istilah Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang berarti penguatan cahaya oleh pemancaran radiasi yang terstimulasi. Sesuai namanya, mekanisme laser mampu memancarkan radiasi elektromagnetik, biasanya tidak terlihat, melalui proses pancaran terstimulasi. Berkat proses ini, cahaya yang dipancarkan oleh laser dapat memiliki karakteristik khas yang dimilikinya, yakni:
1. Monokromatik: memiliki satu panjang gelombang yang spesifik 2. Koheren: memiliki frekuensi yang sama
3. Menuju arah yang sama (sehingga menempuh garis lurus)
Berbeda dengan cahaya dari perangkat seperti lampu/senter yang cahayanya lemah karena memiliki panjang gelombang dan frekuensi bermacam-macam, cahaya laser menjadi bersifat kuat dan terkonsentrasi berkat sifat-sifat tersebut.
Yang dimaksud dengan cahaya dalam istilah laser adalah gelombang elektromagnetik secara umum, sehingga “cahaya” yang digunakan tidak hanya cahaya tampak, namun juga gelombang inframerah, ultraungu, sinar-X dan lainnya.
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. Karena elektron merupakan partikel yang sangat kecil dan sulit diamati, maka kami menelaah sifat dan mekanisme laser melalui simulasi. Kami berharap melalui simulasi ini, kami dalam mempelajari lebih dalam mengenai mekanisme laser dan memaksimalkan fungsi dari simulasi tersebut.
1.2 Tujuan
Adapun tujuan dari pembuatan makalah ini, antara lain:
1. Untuk mengetahui proses terjadinya laser
2. Mempelajari dan memaksimalkan simulasi laser tersebut
3. Untuk mengetahui kelebihan dan kekurangan simulasi tersebut
4. Menunjang pemahaman mahasiswa tentang laser
BAB II
LANDASAN TEORI
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, laserprinter, compact - disk player, pemandu pesawat jet dan pertunjukan laser dalam festival musik.
Untuk mempelajari tentang laser, kita harus mengetahui tentang struktur sebuah atom dan peristiwa absorbsi dan emisi yang terjadi pada elektron. Atom
Sebuah atom terdiri dari inti atom yang disebut nukleus (berisi proton dan netron), dan awan elektron (Gambar 2). Elektron-elektron ini selalu berputar mengelilingi inti atom pada orbit-orbit tertentu, sesuai dengan tingkat energinya. Dari sini kita tahu bahwa atom selalu bergerak (vibrasi dan rotasi), hanya saja kita tidak bisa melihat pergerakannya di benda-benda padat seperti pintu, kursi, dan semua benda lain. Jadi, benda yang selama ini kita kira dalam keadaan diam sebenarnya tidak diam sama sekali!
Orbit elektron yang memiliki tingkat energi paling rendah adalah yang paling dekat dengan inti. Jadi, semakin jauh elektron dari inti, semakin tinggi pula tingkat energinya. Ini artinya, kalau kita memberikan energi pada atom (misalnya dalam bentuk energi panas, energi listrik, atau energi cahaya) maka elektron yang berada di tingkat energi dasar (ground-state energy level) dapat tereksitasi (pindah) ke orbit yang tingkat energinya lebih tinggi.
Lalu apa hubungannya dengan teknologi laser?
Emisi Cahaya Untuk Melepaskan Kelebihan Energi
Elektron yang sudah pindah ke tingkat energi yang lebih tinggi ini (excited electron) berada dalam keadaan tidak stabil. Elektron ini selalu berusaha untuk kembali ke keadaan awalnya dengan cara melepaskan kelebihan energi tersebut. Energi yang dilepaskan berbentuk foton (energi cahaya) yang memiliki panjang gelombang tertentu (warna tertentu) sesuai dengan tingkat energinya. Ini yang disebut radiasi atom. Pada lampu senter ataupun lampu neon biasa, cahaya yang dihasilkan menuju ke segala arah dan memiliki bermacam panjang gelombang dan frekuensi (incoherent light). Hasilnya adalah cahaya yang sangat lemah.
Pada teknologi laser, cahaya yang dihasilkan mempunyai karakteristik tersendiri: monokromatik (satu panjang gelombang yang spesifik), koheren (pada frekuensi yang sama), dan menuju satu arah yang sama sehingga cahayanya menjadi sangat kuat, terkonsentrasi, dan terkoordinir dengan baik.
Bagaimana cara mengontrol emisi cahaya ini? Dengan menggunakan bantuan cermin! Pada Gambar 5 kita melihat dua buah cermin yang diletakkan di kedua ujung batu ruby. Salah satu cermin dibuat half-silvered (hanya memantulkan sebagian cahaya; sementara cahaya yang tidak dipantulkan dapat menerobos keluar). Ruby diberi stimulasi energi (disinari dengan cahaya) sehingga beberapa elektronnya tereksitasi. Kemudian elektron yang tereksitasi ini berusaha kembali ke tingkat energi awal dengan melepaskan cahaya (foton). Cahaya ini memantul-mantul pada permukaan cermin dan menyinari elektron-elektron ‘tetangga’nya sehingga menyebabkan tereksitasinya para elektron ‘tetangga’ tersebut. Elektron-elektron ini kemudian juga mengemisikan cahaya untuk kembali ke keadaan normalnya. Begitu seterusnya! Seperti reaksi berantai!
Sebagian cahaya berhasil menerobos keluar dari half-silvered mirror. Sinar ini merupakan sinar yang monokromatik, koheren, dan berfasa tunggal (single phase). Sinar inilah yang kita kenal sebagai sinar laser.
Kekuatan laser sangat bervariasi, bergantung pada panjang gelombang yang dihasilkannya. Sebagai perbandingan, panjang gelombang yang dihasilkan ruby laser adalah 694 nm (6,94x10-7 m), sedangkan panjang gelombang yang dihasilkan gas CO2 adalah 10.600 nm (1,06x10-5 m). Batu ruby (CrAlO3) menghasilkan sinar laser berwarna merah, sedangkan gas CO2 menghasilkan sinar pada daerah inframerah dan gelombang mikro (microwave). Radiasi inframerah berbentuk panas sehingga laser yang dihasilkan mampu melelehkan benda apa pun yang terkena sinarnya, bahkan bisa digunakan untuk memotong baja!
Jenis-Jenis Laser
Terdapat berbagai macam media yang dapat digunakan untuk menghasilkan sinar laser, sehingga bermunculan pula jenis-jenis laser yang berbeda. Beberapa di antaranya adalah sebagai berikut:
· Laser gas (gas laser): Laser yang mempergunakan gas sebagai sebagai medium. Terdapat berbagai jenis laser gas; salah satunya adalah laser HeNe (helium-neon) yang mampu beroperasi pada panjang gelombang yang bervariasi. Juga terdapat laser yang ditenagai reaksi kimia, sehingga energi yang berjumlah besar bisa dihasilkan dalam waktu singkat, yakni chemical laser ‘laser kimia’.
· Laser keadaan padat (solid-state laser): Laser tipe ini, seperti laser rubi (sesuai namanya, menggunakan medium rubi), menggunakan batangan kristalin atau kaca yang diberikan (di-dope) ion yang mampu menghasilkan tingkat energy yang dibutuhkan. Dopant yang digunakan, misalnya kromium, juga mempertahankan keadaan inversi populasi. Apabila sinar diarahkan oleh pemantulan dalam total suatu serat optik, laser dinamai fibre laser ‘laser serat’.
· Laser-laser jenis lainnya, seperti laser kristal fotonik, laser semikonduktor, laser dye, lser elektron bebas, dan lainnya.
Aplikasi Laser
Semenjak penemuannya pada tahun 1960-an hingga sekarang, laser semakin banyak ditemukan manfaatnya dalam berbagai bidang, baik sains, militer, maupun kehidupan sehari-hari. Presisi dan kekuatan yang dimiliki sinar laser menjadikannya salah satu inovasi yang berpengaruh besar dalam kehidupan manusia. Berikut adalah sebagian dari aplikasi laser yang dapat dijumpai:
Sains dan Industri
· Spektroskopi: Sifat sinar laser yang sangat terkonsentrasi menjadikan hasil spektroskopi laser akurat
· Penentuan jarak antara Bumi dan Bulan, dengan memancarkan sinar laser ke Bulan dan mengukur waktu yang dibutuhkan bagi sinar itu untuk kembali ke Bumi
· Pemrosesan materi: pemotongan, pengelasan, pengukiran, pembengkokan, dan tindakan lain mampu dilakukan oleh laser karena sifatnya yang mampu menghasilkan panas. Penggunaan laser untuk pemrosesan materi juga digemari karena presisinya.
· Fotokimia: penggunaan pulsa sinar laser mengizinkan pengamatan proses suatu reaksi dengan resolusi yang amat tinggi
· Mikroskopi: Laser dapat digunakan untuk menghasilkan gambar spesimen mikroskopis dengan ketajaman yang tinggi
Militer
Secara keseluruhan, aplikasi laser dalam dunia militer sangat bervariasi, dua di
antaranya:
· Penentuan target: atau target designation. Keakuratan serangan dapat ditingkatkan dengan menggunakan laser sebagai pointer,dan sinar laser diarahkan ke target yang dituju. Target designator dapat ditemukan pada pesawat tempur maupun senjata api.
· Pertahanan: Laser juga dapat digunakan untuk pertahanan terhadap serangan musuh. Salah satu kegunaannya adalah untuk membingungkan rudal pendeteksi panas sehingga tidak mengenai target yang ditujunya.
Kedokteran
· Cosmetic surgery, seperti penghapusan tato, penghilangan stretch mark atau bekas luka, tanda lahir, keriput, dan bercak. Bahkan, laser bisa eniadakan bulu/rambut dengan lebih efektif dan untuk jangka waktu lebih lama.
· Kedokteran gigi juga memanfaatkan laser untuk berbagai hal, seperti pemutihan gigi dan pembedahan mulut
· Operasi mata: Operasi yang dilaksanakan pada mata dapat dilakukan dengan presisi tinggi dan rasa sakit minimum karena laser mampu menarget bagian tertentu, seperti dalam LASIK
· Pembedahan lainnya yang memanfaatkan laser sebagai “pisau bedah” (laser scalpel) demi presisi lebih tinggi ketimbang pisau bedah biasa
· Penghilangan tumor dengan menargetkan tumor langsung menggunakan laser ketika tumor tidak bisa disentuh langsung
Lainnya
Kegunaan laser juga dapat dijumpai dalam peralatan-peralatan yang kita temui
sehari-hari, seperti:
· Barcode reader
· Printer laser
· Akselerometer (pengukur percepatan)
· Holograf
· Laser dioda, laser bertenaga lemah seperti yang digunakan pada pointer untuk presentasi, pembaca maupun burner CD atau DVD, dan banyak lainnya
· Telekomunikasi optik, melalui serat optik maupun ruang hampa
BAB III
PEMBAHASAN
| 3. Simulasi untuk banyak atom |
1. Pada pengaturan(option), kita dapat mengatur warna background, photon diameter dan pair separation, serta adjust simulation likehood.
Warna Background= utk mengganti warna latar belakang
Photon diameter= utk mengubah ukuran/diameter photon
pair separation = utk mengatur jarak antara photon
adjust simulation likehood= mengatur kemiripan dengan percobaan aslinya. Semakin besar nilainya, maka semakin sulit dan lama untuk mendapatkan Lasing. Karena pada praktikum aslinya peristiwa Lasing sulit didapatkan.
2. Simulasi untuk satu atom. Di sini kita dapat mengamati peristiwa absorbsi dan emisi pada elektron yang disinari foton.
3. Simulasi untuk banyak atom. Kita mengamati peristiwa laser.
4. Elektron dapat berupa level energinya. Pada gambar elektron pada tingkat energi 1 (dasar). Jika dikenai photon, maka elektron akan naik ke tingkat energi 2(yang lebih tinggi).
5. Kita dapat menentukan warna sumber cahaya yang menentukan besarnya energi yang dimiliki foton. Pada Lamp Control kita juga dapat menentukan kuantitas foton yang dihasilkan.
6. Kita dapat mengatur tingkat energi yang dimiliki oleh atom. Pada gambar di bawah ini kita dapat melihat bahwa a adalah energi dari foton yang dipancarkan. Sedangkan b adalah tingkat energi yang dimiliki oleh atom. Kita harus mengatur agar tingkat energi atom sama dengan foton agar dapat terjadi absorbsi dan emisi.
Di sini kita juga dapat mengatur lamanya atom dapat bertahan pada tingkat energi tersebut, sebelum terjadi emisi.
Dengan tombol ini kita dapat mengaktifkan cermin. Sehingga dapat terjadi emisi secara kontinu. Pada mirror reflectivity kita dapat mengatur kemampuan pantulan pada cermin bagian kanan tabung.
8. Merupakan tampilan dari kekuatan dari laser itu sendiri. Pada internal power merupakan kekuatan (besar energi) yang ada di dalam tabung. Sedangkan external power merupakan kekuatan (besar energi) sinar laser yang terbentuk.
9. Merupakan keterangan dari gambar.
10. Kita dapat mengatur berapa tingkat energi yang diperlukan. Jika kita buat 3, maka akan ada dua buah lamp yang memancarkan foton ke dalam tabung.
11. Kita dapat mengatur tampilan sinar lampu. Apakah dalam bentuk sinar atau bentuk foton-foton.
12. Kita dapat mengatur tampilan untuk sinar laser yang keluar dari tabung. Dalam bentuk foton-foton atau dalam bentuk gelombang.
13. Kita dapat menampilkan foton yang terbentuk akibat dari penurunan energi pada atom.
14. Mengembalikan semua pengaturan ke pengaturan awal.
15. Menampilkan bantuan/petunjuk untuk menggunakan simulasi.
Percobaan pada satu Atom
Pada percobaan simulasi pertama ini, kita dapat mengatur
1. Lamp kontrol
Kita dapat memilih warna sinar apa yang akan kita pakai. Berbeda warna, maka akan berbeda pula panjang gelombang dari sinar tersebut. Pada Lamp Kontrol, kita dapat mengatur intensitas / banyaknya foton yang dihasilkan lampu.
2. Kita dapat mengatur tingkatan energi pada elektron. Jika tingkatan energinya tidak sesuai, maka tidak akan terjadi absobsi dan emisi pada elektron. Tingkatan energi elektron harus sama dengan energi dari foton tersebut.
Kita juga dapat mengatur lama dari foton untuk terserap dan menghasilkan emisi.
Pada percobaan satu atom ini, pertama kami melakukan percobaan dengan mengatur lamp control pada nilai terendah. Dan dapat terlihat bahwa saat foton mengenai atom, maka atom akan langsung berubah ke tingkat energi 2(gambar a). Dan hal ini dapat terjadi jika besar energi atom sama dengan besarnya energi foton(gambar b).
Jika kita mengubah warna sinar lampu, maka kita harus mengubah energi pada atom menyamai energi pada foton agar terjadi absorbsi dan emisi.
Jika kita mengubah lifetime, maka akan berubah lama waktu atom untuk dapat bertahan pada tingkat energi dua sebelum terjadi emisi.
Pada percobaan satu atom ini, kita juga dapat mengatur energi level menjadi tiga. Sehingga akan ada dua lampu yang menyinari tabung. Dan kita harus mengatur lamp control keduanya. Pada percobaan kedua ini, maka atom dapat sampai pada tingkat energi 2 maupun tingkat energi 3(gambar A). Dan kita dapat mengatur tingkat energi atom maupun lifetime (gambar B).
Percobaan pada banyak Atom (Multiple Atom)
Percobaan satu
Pada percobaan satu ini, kami mengatur energi level pada tingkat 2.
Kemudian kami mengatur Lamp kontrol pada nilai tertentu. Dan cermin tidak diaktifkan.
Hasilnya, tidak pernah terjadi laser karena energi di dalam tabung tidak pernah mencapai nilai yang cukup untuk terjadi laser seperti terlihat pada gambar di bawah ini.
Selanjutnya, kami mengaktifkan cermin pada tabung. Hasilnya, setelah menunggu beberapa lama maka tercapai energi yang dapat mendukung terjadinya laser seperti yang terlihat di bawah ini.
Selanjutnya, agar terjadi laser kita harus mengatur reflektivitas cermin di bawah 100. Jika reflektivitas dibiarkan tetap 100, maka tabung akan meledak.
Sehingga pada percobaan ini, kami mencoba menentukan berapa persen reflektivitas cermin yang cocok agar tabung tidak meledak. Untuk reflektivitas 99 dan 98 tabung masih bisa meledak. Sedangkan saat 97 lama sekali kenaikan energi. Sehingga, kami menyimpulkan reflektivitas cermin yang stabil adalah sekitar 97-98.
Percobaan dua
Jika sebelumnya kami mengatur energi tingkat dua, maka pada percobaan dua ini, kami mengatur energi pada tingkat 3.
Selanjutnya kami mengaktifkan cermin pada tabung.
Berbeda dari sebelumnya, pada percobaan ini ada 2 tingkat enegi pada atom yang dapat kita atur besarnya. Tingkat energi ke-3 harus sama besar dengan energi foton. Sedangkan tingkat energi ke-2 dapat kita ubah nilainya antara tingkat energi pertama dengan tingkat energi ke-3. Seperti terlihat pada gambar.
Melalui percobaan dengan mengubah nilai tingkat energi ke-2 bervariasi, kami mendapatkan suatu kesimpulan yaitu kemungkinan untuk terjadinya laser semakin besar jika tingkat energi ke-2 nilainya mendekati nilai tingkat energi ke-3.
Selanjutnya kami mencoba mengatur kekuatan sinar laser yang terbentuk dengan mengubah reflektivitas cermin. Sehingga, kami menemukan bahwa untuk mendapatkan sinar laser dengan energi yang besar nilai reflektivitas cermin harus kecil. Semakin kecil persen reflektivitas cermin, maka semakin besar kekuatan laser yang ditandai dengan naiknya “output power” pada laser power seperti pada gambar berikut.
Sama seperti percobaan sebelumnya, pada percobaan ini kami juga mencoba menentukan berapa persen reflektivitas cermin yang cocok agar laser yang terjadi stabil. Sehingga, kami mendapatkan bahwa persen reflektivitas yang sesuai agar laser yang terbentuk stabil adalah sekitar ± 98 %. Suati laser dianggap stabil jika kekuatannya hanya berubah-ubah sedikit dan tidak mencapai level danger bahkan meledak. Seperti terlihat pada gambar di bawah ini.
Stabil 98 %
Dari percobaan yang kami lakukan kami telah meninjau semua fungsi dari simulasi ini, yang sudah lumayan lengkap. Namun, kami menjumpai ada hal-hal yang kurang pada simulasi ini, diantaranya:
1. Tidak dapat menyesuaikan layar terhadap laptop dengan resolusi kecil
2. Tidak dilengkapi dengan stopwatch
3. Tidak dilengkapi dengan nilai terutama pada grafik energi atom
4. Tidak dilengkapi dengan grafik yang menunjukkan hubungan kekuatan cermin dengan waktu.
Jika dilengkapi grafik terhadap waktu, kita dapat meninjau kecepatan peningkatan kekuatan laser saat variabel lain kita ubah misalnya intensitas sinar, tingkat energi atom, dll.
BAB IV
KESIMPULAN
1. Pada percobaan satu atom, kita dapat mengamati proses absorbsi dan emisi foton. Proses tersebut terjadi jika tingkat energi atom sesuai dengan enrgi foton yang datang.
2. Pada percobaan banyak atom, kami melakukan percobaan dengan dua tingkat energi dan 3 tingkat energi.
Pada 2 tingkat energi dapat terjadi atom, namun kurang stabil karena jika dibiarkan pada reflektivitas cermin 98% tabung akan meledak. Hal ini berbeda pada 3 tingkat energi, saat reflektivitas cermin 98% laser akan terus stabil dan tidak mencapai level danger.
3. Pada simulasi, masih ada hal-hal yang kurang, diantaranya:
Ø Tidak dapat menyesuaikan layar terhadap laptop dengan resolusi kecil
Ø Tidak dilengkapi dengan stopwatch
Ø Tidak dilengkapi dengan nilai terutama pada grafik energi atom
Ø Tidak dilengkapi dengan grafik yang menunjukkan hubungan kekuatan cermin dengan waktu.
DAFTAR PUSTAKA
· 2010. “Laser”. Wikipedia, The Free Encyclopedia. Dalam jaringan, (http://en.wikipedia.org/wiki/Laser)
· 2010. “Laser applications”. Wikipedia, The Free Encyclopedia. Dalam jaringan, (http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_applications )
· Surya, Yohanes. 2008. “Luar biasanya laser”. YohanesSurya.com. Dalam jaringan, (http://www.yohanessurya.com/download/penulis/Teknologi_18.pdf)
· Vongehr, Sascha. “The Physics of Lasers in general and Lasers for Telecommunication”. University of Southern California: Department of Physics and Astronomy. Dalam jaringan, (http://physics.usc.edu/~vongehr/lasertel_html/lasertel.htm)
· Weschler, Matthew. 2000. “How Lasers Work”. HowStuffWorks.com. Dalam jaringan, (http://science.howstuffworks.com/laser.htm)
makasih gan atas makalahnya kunjungi balik y gan http://makalah3satu.blogspot.com
BalasHapus