Panduan Komprehensif tentang Prinsip dan Aplikasi Laser

I. Prinsip-prinsip Laser

Struktur dasar laser:

1. Substansi yang bekerja

Media aktif laser mengacu ke sistem material yang digunakan untuk mencapai inversi populasi dan memperkuat radiasi cahaya yang distimulasi. Kadang-kadang juga disebut sebagai media penguatan laser. Media ini dapat berupa benda padat (kristal, kaca), gas (gas atom, gas ionik, gas molekuler), semikonduktor, dan media cair.

Persyaratan utama untuk media aktif laser adalah mencapai inversi populasi sebanyak mungkin di antara tingkat energi tertentu dari partikel yang bekerja, dan mempertahankan inversi ini seefektif mungkin selama proses emisi laser. Untuk tujuan ini, medium aktif harus memiliki struktur tingkat energi dan karakteristik transisi yang sesuai.

2. Sumber pemompaan

Sistem eksitasi (pemompaan) mengacu ke mekanisme atau perangkat yang menyediakan sumber energi untuk mencapai dan mempertahankan pembalikan partikel dalam bahan kerja laser. Tergantung pada bahan kerja dan kondisi pengoperasian laser, metode dan perangkat eksitasi yang berbeda-beda dapat diadopsi. Ada empat jenis yang umum:

①. Eksitasi optik (pemompaan optik). Ini melibatkan penggunaan cahaya yang dipancarkan dari sumber cahaya eksternal untuk menyinari bahan kerja untuk mencapai inversi partikel. Seluruh perangkat eksitasi biasanya terdiri atas sumber cahaya pelepasan gas (seperti lampu xenon atau lampu kripton) dan kondensor.

②. Eksitasi pelepasan gas. Ini melibatkan penggunaan proses pelepasan gas yang terjadi di dalam bahan kerja gas untuk mencapai inversi partikel. Seluruh perangkat eksitasi biasanya terdiri dari elektroda pelepasan dan catu daya pelepasan.

③. Eksitasi kimiawi. Ini melibatkan penggunaan proses reaksi kimia yang terjadi di dalam bahan kerja untuk mencapai inversi partikel. Hal ini biasanya memerlukan reaktan kimia yang tepat dan tindakan pemicuan yang sesuai.

④. Eksitasi energi nuklir. Hal ini melibatkan penggunaan fragmen fisi, partikel berenergi tinggi, atau radiasi yang dihasilkan oleh reaksi fisi nuklir skala kecil untuk menggairahkan bahan yang bekerja dan mencapai inversi partikel.

3. Rongga resonansi - Untuk meningkatkan jarak rambat gelombang cahaya dalam medium penguatan

Resonator optik biasanya dibuat dengan memadukan dua cermin dengan bentuk geometris tertentu dan karakteristik pemantulan optik dengan cara tertentu. Fungsinya adalah:

①. Untuk memberikan kemampuan umpan balik optik, memungkinkan foton emisi yang terstimulasi bergerak bolak-balik beberapa kali di dalam rongga untuk membentuk osilasi berkelanjutan yang koheren.

②. Untuk membatasi arah dan frekuensi berkas cahaya yang berosilasi di dalam rongga, memastikan bahwa laser output memiliki arah dan monokromatisitas tertentu.

Fungsi pertama resonator ditentukan oleh bentuk geometris (jari-jari kelengkungan permukaan reflektif) dan metode kombinasi relatif dari dua cermin yang biasanya membentuk rongga. Fungsi kedua ditentukan oleh karakteristik kehilangan selektif yang berbeda dari jenis resonator yang diberikan untuk cahaya dengan arah perjalanan dan frekuensi yang berbeda di dalam rongga.

II. Klasifikasi Laser

Dengan media kerja laser:

• Laser solid-state (Laser serat)
• Laser gas
• Laser semikonduktor
• Laser pewarna
• Laser elektron bebas

Mode operasi laser:

• Berkelanjutan
• Denyut nadi: Denyut nadi tunggal; Frekuensi berulang; Semu-kontinu

Berdasarkan komposisi kimia:

• Laser atom
• Laser molekuler
• Laser ion
• Laser elektron bebas
• Laser excimer

Metode modulasi laser:

• Lari bebas
• Pengalihan Q
• Penguncian mode

III. Laser Khas

1. Laser solid-state

Mereka dibagi ke dalam dua kategori: kristal dan kaca, yang dibuat dengan mendoping ion pengaktif dalam bahan dasar.

Saat ini, lebih dari 200 sistem doping dasar yang berbeda telah merealisasikan osilasi laser sebagai bahan kerja, tetapi tiga jenis yang banyak digunakan dan memiliki kinerja yang baik adalah sebagai berikut:

(1) Laser kaca neodymium

Neodymium elemen tanah jarang didoping dalam kaca sebagai bahan kerja, λ = 1,053 μm. Karena volume yang besar dan keseragaman kaca neodymium yang baik dapat diperoleh, maka kaca ini dapat dibuat menjadi perangkat yang besar, sehingga menghasilkan laser dengan energi dan daya yang tinggi. Laser dengan daya output 1014W telah diproduksi.

(2) Laser Ruby

• Bahan kerja: Kristal ruby
• Panjang gelombang keluaran: λ = 694,3nm
• Lebar garis keluaran: Δλ = 0,01 ~ 0,1nm
• Mode pengoperasian: kontinu, berdenyut
• Sudut divergensi: θ ≈ 10^-3rad, umumnya output multi-mode; Daya pompa> ambang batas 10 ~ 20% → mode tunggal

(3) Garnet Aluminium Yttrium yang didoping dengan Neodymium (Nd: YAG)

• Bahan kerja: Kristal YAG yang didoping dengan elemen tanah jarang Neodymium
• Panjang gelombang output: λ = 1064nm, 914nm, 1319nm
• Mode kerja: Denyut nadi pengulangan yang terus menerus dan tinggi

Karena kemampuan untuk membius dengan konsentrasi neodymium yang tinggi, bahan yang bekerja dapat memberikan daya laser yang lebih tinggi per satuan volume, dan laser dapat dibuat lebih kecil. Jika laser semikonduktor digunakan sebagai sumber pompa, volume perangkat bisa lebih kecil lagi.

(4) Laser Titanium Safir yang Dapat Ditala Gelombang Kontinu

3900S CW Tunable Ti: laser safir

Laser IR solid state berkinerja tinggi, dapat disetel, dan berkinerja tinggi

Panjang gelombang output berkisar dari 675 hingga 1100nm

Dipompa oleh laser Ar atau LD yang memompa laser 532nm

TEM₀₀ daya keluaran dapat mencapai hingga 3,5Wcw

Aplikasi:

• Spektroskopi
• Laser serat penelitian
• Penelitian telekomunikasi
• Studi semikonduktor

2. Laser Gas

• Bahan kerja: Berbagai gas campuran, keseragaman optik yang baik.
• Laser gas lebih unggul dalam hal monokromatisitas dan stabilitas sinar dibandingkan dengan laser solid-state, semikonduktor, dan cairan.
• Garis spektrum telah mencapai ribuan jenis (160nm ~ 4mm).
• Mode kerja: Pengoperasian berkelanjutan (kebanyakan kasus)

Sebagian besar laser gas memiliki kelemahan karena tidak memiliki daya seketika yang tinggi.

Alasan: Biasanya, tekanan gas rendah, sehingga menghasilkan lebih sedikit partikel per satuan volume.

(1) Laser Helium-Neon

Bahan Kerja: Campuran gas Helium dan Neon

Laser dipancarkan oleh atom neon, sedangkan helium memperbaiki kondisi pelepasan gas, sehingga meningkatkan daya output laser.

Panjang Gelombang Keluaran: Yang umum digunakan adalah 632,8nm

Tergantung pada kondisi pengoperasian yang dipilih, laser dapat menghasilkan cahaya inframerah dekat, merah, kuning, dan hijau.

(λ = 3,39μm; λ = 1,15μm)

(2) CO₂ Laser

Bahan Kerja: Campuran CO₂Dia, N₂dan gas Xe

Laser dipancarkan oleh CO₂ molekul, sedangkan gas lainnya membantu meningkatkan kondisi kerja laser, meningkatkan daya output, stabilitas, dan masa pakai laser.

Panjang Gelombang Keluaran: λ = 10,6μm

Laser CO2 adalah output daya tertinggi laser gasdengan output kontinu sebesar 50kW; dan output pulsa sebesar 1012W.

(3) Laser Ion Argon

Laser Ion Argon/Kripton, Laser Ion Argon/Kripton Stabilite2017

Panjang Gelombang Keluaran:

• λ =488nm ；
• λ =514,5 nm ；

Daya output tertinggi di area cahaya tampak

Daya output berkisar dari beberapa watt hingga beberapa ratus watt.

3. Laser Helium-Kadmium

Menggunakan uap logam kadmium sebagai bahan pemancar, terutama memiliki dua garis spektral kontinu, yaitu, radiasi ultraviolet dengan panjang gelombang 325nm dan cahaya biru 441,6nm. Daya output tipikal masing-masing adalah 1 ~ 25mW dan 1 ~ 100mW. Area aplikasi utamanya meliputi pencetakan letterpress, penghitungan sel darah, pemeriksaan chip sirkuit terpadu, dan eksperimen fluoresensi yang diinduksi laser, dll.

(1). Laser Uap Tembaga

Biasanya dieksitasi melalui tumbukan elektron, dua garis spektral kerja utamanya adalah lampu hijau pada panjang gelombang 510,5nm dan lampu kuning pada 578,2nm. Dengan lebar pulsa tipikal 10 hingga 50nS, frekuensi pengulangan bisa mencapai hingga 100KHz. Pada level saat ini, energi satu pulsa adalah sekitar 1mJ. Hal ini menyiratkan bahwa daya rata-rata dapat mencapai hingga 100W, sedangkan daya puncak dapat melonjak hingga 100KW.

(2). Laser Molekul Nitrogen

Eksitasi pelepasan pulsa menghasilkan cahaya eksternal berwarna ungu, dengan daya puncak mencapai puluhan megawatt, lebar pulsa kurang dari 10nS, frekuensi pengulangan dari puluhan Hz hingga ribuan Hz. Ini terutama digunakan sebagai sumber pompa untuk laser pewarna, dan juga dapat digunakan untuk analisis spektral, deteksi, pengobatan, dan fotokimia. Panjang gelombang yang umum: 337,1nm, 357,7nm.

3. Laser Semikonduktor

Terbuat dari bahan semikonduktor dari berbagai komponen.

Laser dengan area aktif dan area batasan.

Karakteristik: Ukuran terkecil, bobot paling ringan, masa pakai yang lama, waktu penggunaan efektif melebihi 100.000 jam.

Rentang panjang gelombang keluaran: Ultraviolet, tampak, inframerah

Daya output: mW, W, kW.

Diagram Skematik Laser Semikonduktor DFB

Diagram Skematik Laser Semikonduktor DBR

Laser Pemancar Permukaan Rongga Vertikal (VCSEL)

Laser kaskade kuantum, QCL

Jenis baru perangkat semikonduktor unipolar berdasarkan prinsip transisi elektron antara sub-band dalam sumur kuantum semikonduktor dan terowongan resonansi berbantuan fonon.

Serat Digabungkan (Paket Kuncir)

Perangkat Laser Semikonduktor

Laser Emisi Tunggal Berpasangan Serat Tipe ProLite

IV. Aplikasi Laser

1. Aplikasi Industri

• Pengukuran presisi (jarak, perpindahan)
• Pemrosesan laser (pemotongan, pengelasan, pengeboran, pengukiran)
• Analisis spektral

2. Aplikasi Medis

• Oftalmologi
• Bedah Umum
• Kedokteran Gigi
• Dermatologi

3. Aplikasi Militer

• Pencarian Jangkauan Laser
• Pengintaian Laser
• Komunikasi Laser Atmosfer
• Panduan Laser
• Senjata Laser

4. Aplikasi Harian

• Printer Laser
• Drive Optik Komputer
• Pemindai Kode Batang
• Anti-pemalsuan dengan Laser
• Lampu Neon Laser

5. Aplikasi di Bidang Komunikasi

• Komunikasi Laser Luar Angkasa
• Komunikasi Serat Optik

V. Mekanisme Kerusakan dari Senjata Laser

1. Efek Ablasi - Suhu Tinggi Lokal

2. Efek Gelombang Kejut

3. Efek Radiasi - Medan Elektromagnetik yang Kuat

VI. Keuntungan dari Senjata Laser

1. 1. Tidak perlu perhitungan balistik

2. Tidak boleh mundur

3. Pengoperasian yang mudah, penggunaan yang gesit, dan serbaguna

4. Tidak ada polusi radioaktif, rasio hemat biaya yang tinggi

Hampir semua laser yang digunakan dalam komunikasi optik adalah laser semikonduktor, dengan hanya sejumlah kecil sistem CATV yang menggunakan laser solid-state yang dipompa 1310 nanometer atau 1550 nanometer LD.

Laser yang digunakan dalam komunikasi terutama terdiri dari dua jenis: sumber cahaya pompa yang digunakan dalam penguat serat optik dan sumber cahaya sinyal yang digunakan dalam pemancar.

Laser yang digunakan dalam komunikasi Free Space Optics (FSO) tersedia dalam dua jenis: 850nm dan 1550nm.

VII. Rentang Laser

Manfaatkan monokromatisitas, koherensi yang kuat, dan direktivitas laser untuk mencapai pengukuran dan inspeksi presisi tinggi, seperti mengukur panjang, jarak, kecepatan, dan sudut.

VIII. Pengelasan Laser

IX. Pembuatan Prototipe Cepat dengan Laser

X. Pengukiran Laser

XI. Fusi Nuklir Laser

XII. Perawatan Medis Laser

XIII. Komunikasi Laser

Karena frekuensi gelombang cahaya beberapa kali lipat lebih tinggi daripada frekuensi gelombang radio, serat optik yang sangat tipis dapat membawa sejumlah informasi yang setara dengan apa yang dapat dibawa oleh kabel setebal ini dalam gambar.

XIV. Senjata Laser

XV. Tampilan Laser