Sinar Laser

I. PENDAHULUAN

Laser, sebuah perangkat yang memproduksi dan memperkuat cahaya. Kata Laser adalah singkatan dari Light Amplifikasi oleh Merangsang Emisi Radiasi. Sinar laser yang sangat murni dalam warna, bisa sangat intens, dan dapat diarahkan dengan akurasi besar. Laser yang digunakan di banyak perangkat teknologi modern termasuk pembaca kode bar, compact disc (CD) dan digital serbaguna disc (DVD) player, dan printer laser. Laser dapat menghasilkan cahaya di luar jangkauan terlihat oleh mata manusia, dari inframerah melalui rentang X-ray. Maser adalah perangkat serupa yang menghasilkan dan memperkuat microwave.

Cahaya Penyerapan dan Emisi
Ketika sebuah foton, atau paket energi cahaya, yang diserap oleh atom, atom keuntungan energi dari foton, dan salah satu elektron atom dapat melompat ke tingkat energi yang lebih tinggi. Atom tersebut kemudian dikatakan bersemangat. Ketika sebuah elektron dari sebuah atom tereksitasi jatuh ke tingkat energi yang lebih rendah, atom dapat memancarkan energi kelebihan elektron dalam bentuk foton. Tingkat energi, atau orbital, dari atom yang ditampilkan di sini telah sangat disederhanakan untuk menggambarkan proses penyerapan dan emisi. 

II. PRINSIP OPERASI

Laser menghasilkan cahaya dengan menyimpan energi dalam partikel yang disebut elektron di dalam atom dan kemudian mendorong elektron untuk memancarkan energi yang diserap sebagai cahaya. Atom adalah blok bangunan dari semua materi di Bumi dan seribu kali lebih kecil dari virus. Elektron adalah sumber yang mendasari hampir semua cahaya.

Cahaya terdiri dari paket kecil dari foton energi yang disebut. Laser menghasilkan cahaya koheren: cahaya yang monokromatik (satu warna) dan yang foton adalah "pada langkah" dengan satu sama lain.

A. Atom yang ter-eksitasi

Di jantung atom adalah cluster terikat erat dari partikel yang disebut nukleus. Cluster ini terdiri dari dua jenis partikel: proton, yang memiliki muatan positif, dan neutron, yang memiliki tanpa biaya. Inti membuat lebih dari 99,9 persen dari massa atom, tetapi hanya menempati sebagian kecil dari ruang atom. Perbesar atom hingga ukuran Yankee Stadium dan inti yang sama diperbesar hanya seukuran bola bisbol.

Elektron, partikel kecil yang memiliki muatan negatif, berputar melalui sisa ruang di dalam atom. Elektron perjalanan dalam orbit yang kompleks dan hanya ada di beberapa negara tertentu atau tingkat energi (lihat Teori Kuantum). Elektron dapat berpindah dari rendah ke tingkat energi tinggi dengan menyerap energi. Sebuah atom dengan setidaknya satu elektron yang menempati tingkat energi yang lebih tinggi daripada biasanya akan dikatakan tereksitasi. Sebuah atom dapat menjadi tereksitasi dengan menyerap foton yang energinya sama dengan perbedaan antara dua tingkat energi. Sebuah energi foton, warna, frekuensi, dan panjang gelombang secara langsung terkait: Semua foton dari energi yang diberikan adalah warna yang sama dan memiliki frekuensi yang sama dan panjang gelombang.

Biasanya, elektron cepat melompat kembali ke tingkat energi yang rendah, memberikan off energi ekstra sebagai cahaya (lihat Efek fotolistrik). Neon tanda dan neon cahaya lampu dengan jenis cahaya sebagai banyak elektron independen memancarkan foton warna yang berbeda di segala penjuru.

B. Emisi yang ter-stimulasi

Laser yang berbeda dari sumber-sumber yang lebih terang. Excited atom di laser kolektif memancarkan foton dari satu warna, semua bepergian ke arah yang sama dan semua sejalan dengan satu sama lain. Ketika foton keduanya dalam langkah, puncak dan lembah gelombang mereka berbaris. Elektron dalam atom dari laser yang pertama dipompa, atau energi, untuk keadaan tereksitasi oleh sumber energi. Atom bersemangat kemudian dapat "dirangsang" oleh foton persis warna yang sama (atau, sama, panjang gelombang yang sama) sebagai atom foton ini akan memancarkan spontan. Jika foton mendekati cukup dekat, foton dapat merangsang atom bersemangat untuk segera memancarkan cahaya yang memiliki panjang gelombang yang sama dan sejalan dengan foton yang berinteraksi dengan itu. Ini emisi terstimulasi adalah kunci untuk operasi laser. Lampu baru menambah cahaya yang ada, dan dua foton pergi untuk merangsang atom tereksitasi lainnya untuk menyerah energi ekstra mereka, sekali lagi langkah. Fenomena bola salju menjadi balok, diperkuat koheren cahaya: sinar laser.

Dalam laser gas, misalnya, foton biasanya zip bolak-balik dalam tabung diisi gas dengan cermin yang sangat reflektif menghadap ke dalam pada setiap akhir. Sebagai foton memantul antara dua cermin paralel, mereka memicu lanjut emisi dirangsang dan cahaya itu terang dan cerah dengan setiap lulus melalui atom tereksitasi. Salah satu cermin hanya sebagian silvered, memungkinkan sejumlah kecil cahaya untuk melewati bukannya mencerminkan itu semua. Lampu laser intens, terarah, dan single-warna akhirnya lolos melalui cermin yang sedikit transparan. Lampu lolos membentuk sinar laser.

Albert Einstein pertama kali diajukan emisi terstimulasi, proses yang mendasari tindakan laser, pada tahun 1917. Menerjemahkan gagasan emisi terstimulasi menjadi model kerja, Namun, diperlukan lebih dari empat dekade. Prinsip kerja laser yang digariskan oleh fisikawan Amerika Charles Townes Keras dan Arthur Leonard Schawlow dalam aplikasi paten 1958. (Keduanya memenangkan Hadiah Nobel dalam fisika untuk pekerjaan mereka, Townes pada tahun 1964 dan pada tahun 1981 Schawlow). Paten untuk laser diberikan kepada Townes dan Schawlow, tetapi kemudian ditantang oleh fisikawan Amerika dan insinyur Gordon Gould, yang telah menuliskan beberapa ide dan menciptakan laser kata pada tahun 1957. Gould akhirnya memenangkan paten parsial meliputi beberapa jenis laser. Pada tahun 1960 fisikawan Amerika Theodore Maiman dari Hughes Aircraft Corporation dibangun laser kerja pertama dari batang ruby.

III. JENIS LASERS

Laser umumnya diklasifikasikan menurut bahan, yang disebut media, mereka gunakan untuk menghasilkan sinar laser. Solid-state, gas, cairan, semikonduktor, dan elektron bebas adalah semua jenis umum dari laser.

  A. Solid-State Laser

Solid-state laser menghasilkan cahaya dengan cara medium padat. Media yang paling umum adalah laser solid batang kristal ruby ​​dan neodymium-doped gelas dan kristal. Ujung-ujung batang yang dibentuk menjadi dua permukaan paralel dilapisi dengan film non-logam yang sangat mencerminkan. Solid-state laser menawarkan output daya tertinggi. Mereka biasanya berdenyut untuk menghasilkan ledakan yang sangat singkat cahaya. Semburan sesingkat 12 × 10-15 detik telah dicapai. Ini ledakan singkat berguna untuk mempelajari fenomena fisik durasi yang sangat singkat.

Salah satu metode menarik atom dalam laser adalah untuk menerangi bahan laser padat dengan energi yang lebih tinggi cahaya dari laser menghasilkan. Prosedur ini, yang disebut memompa, dicapai dengan lampu sorot brilian dari tabung xenon flash, lampu busur, atau logam-uap lampu.

  B. Laser Gas

Media penguat laser gas dapat menjadi gas murni, campuran gas, atau bahkan uap logam. Media biasanya terkandung dalam segelas silinder atau tabung kuarsa. Dua cermin berada di luar ujung tabung untuk membentuk rongga laser. Laser gas dapat dipompa oleh sinar ultraviolet, berkas elektron, arus listrik, atau reaksi kimia. Laser helium-neon dikenal kemurnian warna dan penyebaran balok minimal. Karbon dioksida laser sangat efisien dalam mengubah energi yang digunakan untuk merangsang atom mereka ke sinar laser. Akibatnya, mereka adalah gelombang kontinyu yang paling kuat (CW) laser-yaitu, laser yang memancarkan cahaya terus menerus bukan dalam pulsa.

  C. Laser Liquid

Media cair paling umum laser pewarna anorganik yang terkandung dalam pembuluh kaca. Mereka dipompa oleh lampu kilat intens dalam modus pulsa atau dengan laser gas yang terpisah dalam mode gelombang kontinu. Beberapa laser dye yang merdu, yang berarti bahwa warna sinar laser mereka memancarkan dapat disesuaikan dengan bantuan prisma terletak di dalam rongga laser.

  D. Laser Semiconductor

Laser semikonduktor adalah laser yang paling kompak. Gallium arsenide adalah semikonduktor yang paling umum digunakan. Sebuah laser semikonduktor khas terdiri dari persimpangan antara dua lapisan datar dari gallium arsenide. Satu lapisan diperlakukan dengan pengotor yang atom memberikan elektron ekstra, dan lainnya dengan pengotor yang atom adalah salah satu elektron singkat. Laser semikonduktor yang dipompa oleh aplikasi langsung dari arus listrik di persimpangan. Mereka dapat dioperasikan dalam mode gelombang kontinu dengan lebih baik dari 50 persen efisiensi. Hanya sebagian kecil dari energi yang digunakan untuk merangsang sebagian laser lainnya diubah menjadi cahaya.

Para ilmuwan telah mengembangkan laser semikonduktor yang sangat kecil, yang disebut quantum-dot vertikal-rongga permukaan-memancarkan laser. Laser ini sangat kecil bahwa lebih dari satu juta dari mereka bisa muat di chip ukuran kuku.

Penggunaan umum untuk laser semikonduktor termasuk compact disc (CD) dan digital serbaguna disc (DVD) player, dan printer laser. Laser semikonduktor juga membentuk jantung serat optik sistem komunikasi (lihat Fiber Optik).

  E. Laser Free Electron

Elektron bebas laser menggunakan array magnet untuk merangsang elektron bebas (elektron tidak terikat pada atom). Pertama kali dikembangkan pada tahun 1977, mereka sekarang menjadi instrumen penelitian penting. Elektron bebas laser merdu rentang yang lebih luas dari energi dibandingkan laser dye. Perangkat menjadi lebih sulit untuk beroperasi pada energi yang lebih tinggi tetapi umumnya bekerja dengan sukses dari inframerah panjang gelombang UV. Secara teoritis, laser elektron dapat berfungsi bahkan dalam kisaran X-ray.

Laser fasilitas elektron bebas di University of California di Santa Barbara menggunakan intens cahaya inframerah-jauh untuk menyelidiki mutasi pada asam deoksiribonukleat (DNA) dan molekul untuk mempelajari sifat bahan semikonduktor. Elektron bebas laser juga harus akhirnya menjadi mampu menghasilkan sangat tinggi daya radiasi yang saat ini terlalu mahal untuk diproduksi. Pada daya tinggi, dekat-inframerah sinar dari laser elektron bebas bisa mempertahankan terhadap serangan rudal.

IV.APLIKASI LASER

Penggunaan laser hanya dibatasi oleh imajinasi. Laser telah menjadi alat yang berharga dalam industri, penelitian ilmiah, komunikasi, kedokteran, militer, dan seni.

Persamaan elegan fisikawan Jerman Jerman Albert Einstein E = mc2 meramalkan bahwa energi dapat dikonversi menjadi materi. Dengan menggunakan akselerator linier dan sinar laser berenergi tinggi, fisikawan telah melakukan hal itu.

Ilmuwan Menciptakan Cetakan Terang

Fisikawan di Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) di California telah berhasil memproduksi partikel materi dari tumbukan cahaya yang sangat energik. Tim, termasuk para peneliti dari Stanford University, University of Rochester di New York, University of Tennessee di Knoxville, dan Princeton University di New Jersey, menerbitkan sebuah laporan tentang pekerjaan mereka dalam jurnal fisik edisi 1 September 1997 Review Surat.

Para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa materi dapat diubah menjadi energi dan, sebaliknya, energi dapat diubah menjadi materi. Pada tahun 1905 fisikawan Albert Einstein menghitung hubungan antara materi dan energi dalam persamaan terkenalnya e = mc2, di mana E adalah energi, m adalah massa, dan c adalah kecepatan cahaya (300.000 km / detik [186.000 mil / detik]). Dalam ledakan bom atom, jumlah materi yang sangat kecil diubah menjadi setara dengan energi, menciptakan ledakan yang sangat besar.

Para ilmuwan juga menciptakan materi dari energi dengan membombardir atom berat (atom yang terdiri dari banyak proton dan neutron) dengan radiasi berenergi tinggi dalam bentuk sinar X. Tabrakan antara sinar X dan atom menciptakan materi dalam bentuk set partikel elektron dan positron, sebuah fenomena yang dikenal sebagai produksi pasangan. Positrons adalah partikel yang memiliki berat dan muatan yang sama dengan elektron, namun positron terisi positif, sementara elektron bermuatan negatif.

Dalam percobaan baru-baru ini di SLAC, fisikawan mempercepat pancaran elektron hingga mendekati kecepatan cahaya. Mereka kemudian mengarahkan pulsa terpisah energi tinggi sinar laser langsung ke berkas elektron. Sesekali foton (unit kecil energi diskrit kecil) bertabrakan dengan sebuah elektron. Foton kemudian mundur dari tabrakan dan rebound ke foton mendekat dari sinar laser dengan kekerasan seperti itu sehingga energi yang dihasilkan diubah menjadi pasangan elektron-positron. Selama beberapa bulan percobaan semacam itu, fisikawan mampu menghasilkan lebih dari 100 pasangan elektron-positron.

A. INDUSTRI

Sinar laser yang kuat dapat difokuskan pada tempat yang kecil untuk menghasilkan suhu yang sangat besar. Akibatnya, balok terfokus dapat dengan mudah dan tepat panas, mencair, atau menguapkan bahan. Laser telah digunakan, misalnya, untuk mengebor lubang di berlian, untuk membentuk peralatan mesin, untuk memangkas mikroelektronika, untuk memotong pola busana, untuk mensintesis materi baru, dan mencoba untuk mendorong fusi nuklir dikendalikan (lihat Energi Nuklir).

Sinar laser sangat terarah digunakan untuk keselarasan dalam konstruksi. Terowongan lurus sempurna dan berukuran seragam, misalnya, dapat digali menggunakan laser untuk bimbingan. Powerfull, pulsa laser pendek juga membuat fotografi berkecepatan tinggi dengan waktu pemaparan dari beberapa trillionths hanya dari kemungkinan kedua.

B. RISET ILMIAH

Karena sinar laser yang sangat terarah dan monokromatik, jumlah yang sangat kecil hamburan cahaya dan pergeseran kecil dalam warna yang disebabkan oleh interaksi antara sinar laser dan materi dengan mudah dapat dideteksi. Dengan mengukur pergeseran hamburan dan warna, ilmuwan dapat mempelajari struktur molekul materi. Reaksi kimia dapat selektif diinduksi, dan keberadaan zat jejak dalam sampel dapat dideteksi. Laser juga merupakan detektor yang paling efektif jenis tertentu dari polusi udara. (lihat Analisis Kimia, Photochemistry).

Para ilmuwan menggunakan laser untuk membuat pengukuran yang sangat akurat. Laser yang digunakan dengan cara ini untuk memantau gerakan kecil yang terkait dengan lempeng tektonik dan untuk survei geografis. Laser telah digunakan untuk penentuan yang tepat (untuk dalam satu inci) dari jarak antara Bumi dan Bulan, dan dalam tes yang tepat untuk mengkonfirmasi teori relativitas Einstein. Perangkat laser yang dioperasikan LIDAR (Light Deteksi Dan Mulai) telah digunakan untuk mempelajari atmosfer dan telah diinstal pada pesawat antariksa dan satelit untuk mengukur ketinggian dan fitur lainnya. Para ilmuwan juga telah menggunakan laser untuk menentukan kecepatan cahaya dengan akurasi belum pernah terjadi sebelumnya.

Sangat cepat laser-diaktifkan switch sedang dikembangkan untuk digunakan dalam akselerator partikel. Para ilmuwan juga menggunakan laser untuk menjebak atom tunggal dan partikel subatomik untuk mempelajari potongan-potongan kecil materi (lihat Perangkap Partikel). Salah satu desain untuk reaktor fusi nuklir eksperimen menggunakan array besar laser untuk fokus semburan energi pada bahan bakar pelet (lihat Energi Nuklir).

  C. Komunikasi

Sinar laser dapat melakukan perjalanan jarak besar di luar angkasa dengan pengurangan sedikit kekuatan sinyal. Selain itu, energi tinggi sinar laser dapat membawa 1.000 kali saluran televisi saat ini dibawa oleh sinyal microwave. Laser sehingga ideal untuk komunikasi ruang angkasa. Kehilangan rendah serat optik telah dikembangkan untuk mengirimkan sinar laser untuk komunikasi membumi di telepon dan sistem komputer. Teknik Laser juga telah digunakan untuk high-density merekam informasi. Misalnya, sinar laser menyederhanakan pencatatan hologram, dari mana gambar tiga dimensi dapat direkonstruksi dengan sinar laser. Laser juga digunakan untuk memutar CD dan DVD (lihat Rekaman Suara dan Reproduksi), serta membakar data ke CD dan DVD recordable. Televisi layar yang menggunakan laser untuk menghasilkan gambar sedang dalam pengembangan.

  D. Kedokteran

Laser memiliki berbagai kegunaan medis. Intens, balok sempit sinar laser dapat memotong dan membakar jaringan tubuh tertentu dalam sebagian kecil dari satu detik tanpa merusak jaringan sehat di sekitarnya. Laser telah digunakan untuk "mengelas" retina, membuat lubang di tengkorak, menguapkan lesi, dan membakar pembuluh darah. Operasi laser telah hampir digantikan prosedur bedah yang lebih tua untuk gangguan mata. Sebuah teknik yang disebut laser radial keratotomi dapat digunakan untuk membentuk kembali lensa mata untuk memperbaiki penglihatan. Teknik Laser juga telah dikembangkan untuk tes laboratorium dari sampel biologis kecil.

Laser juga telah digunakan untuk prosedur kosmetik seperti penghapusan rambut, tanda lahir, tato, noda, dan vena terlihat, serta mengencangkan kulit untuk mengurangi keriput.

  E. Aplikasi Militer

Sistem pemandu laser untuk rudal, pesawat, dan satelit telah dibangun. Senjata dapat dilengkapi dengan pemandangan laser dan jangkauan finders. Penggunaan sinar laser untuk menghancurkan rudal balistik bermusuhan telah diusulkan, seperti dalam Inisiatif Pertahanan Strategis mendesak oleh presiden AS Ronald Reagan dan Pertahanan Rudal Balistik Program yang didukung oleh Presiden George W. Bush. Sebuah prototipe dari laser kimia untuk menghancurkan rudal yang dipasang pada jet 747. Kompak solid-state senjata laser dalam tahap percobaan. Kemampuan laser dye merdu untuk selektif merangsang atom atau molekul dapat membuka cara yang lebih efisien untuk memisahkan isotop untuk pembangunan senjata nuklir.

  V. KESELAMATAN PENGGUNAAN LASER

Karena mata memfokuskan sinar laser seperti halnya cahaya lain, bahaya utama dalam bekerja dengan laser adalah kerusakan mata. Oleh karena itu, sinar laser tidak harus dilihat baik secara langsung atau dipantulkan.

Laser dijual dan digunakan secara komersial di Amerika Serikat harus sesuai dengan set ketat hukum ditegakkan oleh Pusat untuk Perangkat dan Radiologi Kesehatan (CDRH), departemen dari Food and Drug Administration. The CDRH telah membagi laser menjadi enam kelompok, tergantung pada output daya mereka, durasi emisi mereka, dan energi dari foton mereka memancarkan. Klasifikasi tersebut kemudian melekat pada laser sebagai stiker. Energi laser yang lebih tinggi, potensi yang tinggi untuk melukai. Laser bertenaga tinggi dari tipe IV Kelas (klasifikasi tertinggi) menghasilkan sinar energi yang dapat memulai kebakaran, membakar daging, dan menyebabkan kerusakan mata permanen apakah cahaya langsung, tercermin, atau tersebar. Kanada menggunakan sistem klasifikasi yang sama, dan laser digunakan di Kanada diawasi oleh Biro Perlindungan Kesehatan Kanada Radiasi.

Goggles menghalangi warna tertentu dari foton yang menghasilkan laser yang wajib untuk penggunaan yang aman dari laser. Bahkan dengan kacamata, kontak langsung dengan sinar laser harus dihindari.