Prinsip pertama laser, yang fisikanya didasarkan pada hukum radiasi Planck, secara teoritis didukung oleh Einstein pada tahun 1917. Dia menggambarkan penyerapan, radiasi elektromagnetik spontan dan terstimulasi menggunakan koefisien probabilitas (koefisien Einstein).
Pionir
Theodor Meiman adalah orang pertama yang mendemonstrasikan prinsip pengoperasian laser ruby berdasarkan pemompaan optik ruby sintetis dengan lampu flash, yang menghasilkan radiasi koheren berdenyut dengan panjang gelombang 694 nm.
Pada tahun 1960, ilmuwan Iran Javan dan Bennett menciptakan generator kuantum gas pertama menggunakan campuran 1:10 gas He dan Ne.
Pada tahun 1962, RN Hall mendemonstrasikan laser dioda gallium arsenide (GaAs) pertama yang memancarkan pada panjang gelombang 850 nm. Belakangan tahun itu, Nick Golonyak mengembangkan generator kuantum cahaya tampak semikonduktor pertama.
Desain dan prinsip pengoperasian laser
Setiap sistem laser terdiri dari media aktif yang ditempatkanantara sepasang cermin paralel optik dan sangat reflektif, salah satunya tembus, dan sumber energi untuk pemompaannya. Media amplifikasi dapat berupa padat, cair atau gas, yang memiliki sifat memperkuat amplitudo gelombang cahaya yang melewatinya dengan emisi terstimulasi dengan pemompaan listrik atau optik. Suatu zat ditempatkan di antara sepasang cermin sedemikian rupa sehingga cahaya yang dipantulkan di dalamnya melewatinya setiap kali dan, setelah mencapai amplifikasi yang signifikan, menembus cermin tembus cahaya.
Lingkungan dua tingkat
Mari kita perhatikan prinsip operasi laser dengan medium aktif, atom yang hanya memiliki dua tingkat energi: tereksitasi E2 dan E1 dasar. Jika atom tereksitasi ke keadaan E2 oleh mekanisme pemompaan apa pun (optik, pelepasan listrik, transmisi arus, atau pemboman elektron), maka setelah beberapa nanodetik mereka akan kembali ke posisi dasar, memancarkan foton energi hν=E 2 - E1. Menurut teori Einstein, emisi dihasilkan dalam dua cara berbeda: diinduksi oleh foton, atau terjadi secara spontan. Dalam kasus pertama, emisi terstimulasi terjadi, dan yang kedua, emisi spontan. Pada kesetimbangan termal, kemungkinan emisi terstimulasi jauh lebih rendah daripada emisi spontan (1:1033), sehingga sebagian besar sumber cahaya konvensional tidak koheren, dan pembangkitan laser dimungkinkan dalam kondisi selain termal keseimbangan.
Bahkan dengan sangat kuatpemompaan, populasi sistem dua tingkat hanya dapat dibuat sama. Oleh karena itu, sistem tiga atau empat tingkat diperlukan untuk mencapai inversi populasi dengan metode pemompaan optik atau lainnya.
Sistem multilevel
Apa prinsip dari laser tiga tingkat? Iradiasi dengan frekuensi cahaya yang kuat 02 memompa sejumlah besar atom dari tingkat energi terendah E0 ke tingkat energi tertinggi E 2. Transisi nonradiatif atom dari E2 ke E1 membentuk inversi populasi antara E1 dan E 0, yang dalam praktiknya hanya mungkin jika atom berada dalam keadaan metastabil untuk waktu yang lama E1, dan transisi dari E2ke E 1 berjalan cepat. Prinsip operasi laser tiga tingkat adalah untuk memenuhi kondisi ini, karena antara E0 dan E1 inversi populasi tercapai dan foton diperkuat oleh energi E 1-E0 emisi induksi. Tingkat E2 yang lebih luas dapat meningkatkan rentang penyerapan panjang gelombang untuk pemompaan yang lebih efisien, menghasilkan peningkatan emisi terstimulasi.
Sistem tiga tingkat membutuhkan daya pompa yang sangat tinggi, karena tingkat yang lebih rendah yang terlibat dalam pembangkitan adalah yang paling dasar. Dalam hal ini, agar inversi populasi terjadi, lebih dari setengah jumlah total atom harus dipompa ke keadaan E1. Dalam melakukannya, energi terbuang sia-sia. Daya pemompaan bisa sangat signifikanmenurun jika tingkat generasi yang lebih rendah bukan yang dasar, yang membutuhkan setidaknya sistem empat tingkat.
Bergantung pada sifat zat aktifnya, laser dibagi menjadi tiga kategori utama, yaitu padat, cair, dan gas. Sejak tahun 1958, ketika penguat pertama kali diamati pada kristal rubi, para ilmuwan dan peneliti telah mempelajari berbagai macam bahan di setiap kategori.
Laser Keadaan Padat
Prinsip operasi didasarkan pada penggunaan media aktif, yang dibentuk dengan menambahkan logam golongan transisi ke kisi kristal isolasi (Ti+3, Cr +3, V+2, +2, Ni+2, Fe +2, dll.), ion tanah jarang (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3, Er +3, Yb+3, dll.), dan aktinida seperti U+3. Tingkat energi ion hanya bertanggung jawab untuk pembangkitan. Sifat fisik bahan dasar, seperti konduktivitas termal dan ekspansi termal, sangat penting untuk operasi laser yang efisien. Susunan atom kisi di sekitar ion yang didoping mengubah tingkat energinya. Panjang gelombang yang berbeda dari generasi dalam media aktif dicapai dengan mendoping bahan yang berbeda dengan ion yang sama.
Laser holmium
Contoh laser solid-state adalah generator kuantum, di mana holmium menggantikan atom zat dasar kisi kristal. Ho:YAG adalah salah satu material generasi terbaik. Prinsip pengoperasian laser holmium adalah bahwa garnet aluminium itrium didoping dengan ion holmium, dipompa secara optik oleh lampu flash dan memancarkan pada panjang gelombang 2097 nm dalam kisaran IR, yang diserap dengan baik oleh jaringan. Laser ini digunakan untuk operasi pada persendian, perawatan gigi, penguapan sel kanker, ginjal dan batu empedu.
Generator kuantum semikonduktor
Laser sumur kuantum tidak mahal, dapat diproduksi secara massal, dan mudah diskalakan. Prinsip pengoperasian laser semikonduktor didasarkan pada penggunaan dioda sambungan p-n, yang menghasilkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu dengan rekombinasi pembawa pada bias positif, mirip dengan LED. LED memancarkan secara spontan, dan dioda laser - dipaksa. Untuk memenuhi kondisi inversi populasi, arus operasi harus melebihi nilai ambang batas. Medium aktif dalam dioda semikonduktor berbentuk daerah penghubung dua lapisan dua dimensi.
Prinsip pengoperasian laser jenis ini adalah sedemikian rupa sehingga tidak diperlukan cermin eksternal untuk mempertahankan osilasi. Reflektifitas yang diciptakan oleh indeks bias lapisan dan refleksi internal dari media aktif cukup untuk tujuan ini. Permukaan ujung dioda terkelupas, yang memastikan bahwa permukaan reflektif sejajar.
Sambungan yang dibentuk oleh bahan semikonduktor dari jenis yang sama disebut homojunction, dan sambungan yang dibuat oleh sambungan dua yang berbeda disebutheterojungsi.
Semikonduktor tipe-P dan n dengan densitas pembawa tinggi membentuk sambungan p-n dengan lapisan penipisan yang sangat tipis (≈1 m).
Laser gas
Prinsip operasi dan penggunaan jenis laser ini memungkinkan Anda membuat perangkat dengan hampir semua daya (dari miliwatt hingga megawatt) dan panjang gelombang (dari UV hingga IR) dan memungkinkan Anda bekerja dalam mode berdenyut dan berkelanjutan. Berdasarkan sifat media aktif, ada tiga jenis pembangkit kuantum gas, yaitu atom, ionik, dan molekuler.
Kebanyakan laser gas dipompa dengan pelepasan listrik. Elektron dalam tabung pelepasan dipercepat oleh medan listrik antara elektroda. Mereka bertabrakan dengan atom, ion atau molekul medium aktif dan menginduksi transisi ke tingkat energi yang lebih tinggi untuk mencapai keadaan populasi inversi dan emisi terstimulasi.
Laser Molekuler
Prinsip pengoperasian laser didasarkan pada fakta bahwa, tidak seperti atom dan ion yang terisolasi, molekul dalam generator kuantum atom dan ion memiliki pita energi yang lebar dengan tingkat energi diskrit. Selain itu, setiap tingkat energi elektronik memiliki sejumlah besar tingkat getaran, dan pada gilirannya, memiliki beberapa tingkat rotasi.
Energi antara tingkat energi elektronik berada di daerah spektrum UV dan tampak, sedangkan di antara tingkat getaran-rotasi - di IR jauh dan dekatdaerah. Dengan demikian, sebagian besar generator kuantum molekuler beroperasi di daerah inframerah jauh atau dekat.
Laser Excimer
Excimers adalah molekul seperti ArF, KrF, XeCl, yang memiliki keadaan dasar terpisah dan stabil pada tingkat pertama. Prinsip pengoperasian laser adalah sebagai berikut. Sebagai aturan, jumlah molekul dalam keadaan dasar kecil, sehingga pemompaan langsung dari keadaan dasar tidak mungkin dilakukan. Molekul terbentuk dalam keadaan elektronik tereksitasi pertama dengan menggabungkan halida berenergi tinggi dengan gas inert. Populasi inversi mudah dicapai, karena jumlah molekul pada tingkat dasar terlalu kecil dibandingkan dengan yang tereksitasi. Prinsip operasi laser, singkatnya, adalah transisi dari keadaan elektronik tereksitasi terikat ke keadaan dasar disosiatif. Populasi pada keadaan dasar selalu tetap pada tingkat yang rendah, karena molekul pada titik ini terdisosiasi menjadi atom.
Perangkat dan prinsip pengoperasian laser adalah tabung pelepasan diisi dengan campuran halida (F2) dan gas tanah jarang (Ar). Elektron di dalamnya memisahkan dan mengionisasi molekul halida dan menciptakan ion bermuatan negatif. Ion positif Ar+ dan negatif F- bereaksi dan menghasilkan molekul ArF dalam keadaan terikat tereksitasi pertama dengan transisi berikutnya ke keadaan basa tolak-menolak dan generasi radiasi koheren. Laser excimer, prinsip operasi dan aplikasi yang sekarang sedang kita pertimbangkan, dapat digunakan untuk memompamedia aktif pada pewarna.
Laser Cair
Dibandingkan dengan padatan, cairan lebih homogen dan memiliki kerapatan atom aktif yang lebih tinggi daripada gas. Selain itu, mereka mudah dibuat, memungkinkan pembuangan panas yang mudah dan dapat dengan mudah diganti. Prinsip operasi laser adalah menggunakan pewarna organik sebagai media aktif, seperti DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, coumarin, stilbene, dll. …, dilarutkan dalam pelarut yang sesuai. Suatu larutan molekul zat warna tereksitasi oleh radiasi yang panjang gelombangnya memiliki koefisien absorpsi yang baik. Prinsip operasi laser, singkatnya, adalah untuk menghasilkan pada panjang gelombang yang lebih panjang, yang disebut fluoresensi. Perbedaan antara energi yang diserap dan foton yang dipancarkan digunakan oleh transisi energi non-radiatif dan memanaskan sistem.
Pita fluoresensi yang lebih lebar dari generator kuantum cair memiliki fitur unik - penyetelan panjang gelombang. Prinsip pengoperasian dan penggunaan laser jenis ini sebagai sumber cahaya yang dapat disetel dan koheren menjadi semakin penting dalam aplikasi spektroskopi, holografi, dan biomedis.
Baru-baru ini, generator kuantum pewarna telah digunakan untuk pemisahan isotop. Dalam hal ini, laser secara selektif merangsang salah satu dari mereka, mendorong mereka untuk masuk ke dalam reaksi kimia.
