Laser Padat

Latar Belakang

Laser, yang merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, adalah perangkat yang mengubah energi listrik atau optik menjadi cahaya. Energi listrik atau optik digunakan untuk mengeksitasi atom atau molekul, yang kemudian memancarkan cahaya monokromatik (panjang gelombang tunggal). Laser terdiri dari rongga, dengan cermin datar atau bulat di ujungnya, yang diisi dengan bahan yang dapat dilas. Bahan ini dapat tereksitasi ke keadaan semi-stabil oleh cahaya atau pelepasan listrik. Bahannya bisa berupa kristal, gelas, cairan, pewarna, atau gas asalkan dapat dieksitasi dengan cara ini. Laser solid state adalah laser yang menggunakan kristal, yang atom-atomnya terikat secara kaku, tidak seperti gas. Kristal menghasilkan sinar laser setelah cahaya dipompa ke dalamnya oleh lampu atau laser lain.

Rongga paling sederhana memiliki dua cermin, satu yang benar-benar mencerminkan dan satu yang mencerminkan antara 50 dan 99%. Saat cahaya memantul di antara cermin-cermin ini, intensitasnya meningkat. Karena sinar laser bergerak ke arah yang sama dengan sinar intens, laser menghasilkan cahaya yang sangat terang. Sinar laser juga dapat diproyeksikan dari jarak yang sangat jauh, dan dapat difokuskan pada titik yang sangat kecil.

Jenis cermin menentukan jenis balok. Sinar yang sangat terang, sangat monokromatik dan koheren dihasilkan ketika satu cermin hanya mentransmisikan 1-2% cahaya. Jika cermin datar digunakan, balok sangat kolimasi (dibuat paralel). Sinar keluar di dekat salah satu ujung rongga ketika cermin cekung digunakan. Jenis sinar dalam kasus pertama membuat laser sangat berguna dalam pengobatan karena sifat ini memungkinkan dokter untuk menargetkan area yang diinginkan dengan lebih akurat, menghindari kerusakan pada jaringan di sekitarnya.

Salah satu cara untuk merangsang atom ke tingkat energi yang lebih tinggi adalah dengan menerangi bahan laser dengan cahaya frekuensi yang lebih tinggi daripada sinar laser. Atau dikenal sebagai pemompaan optik, laser solid state ini menggunakan batang dari bahan kristal padat dengan ujungnya dipoles rata dan sejajar dan dilapisi dengan cermin untuk memantulkan sinar laser. Ion tersuspensi dalam matriks kristal dan memancarkan elektron ketika tereksitasi.

Sisi batang dibiarkan bersih untuk menerima cahaya dari lampu pemompaan, yang mungkin berupa pelepasan gas berdenyut yang menghasilkan cahaya berkedip. Laser solid-state pertama menggunakan batang ruby ​​merah muda dan kristal safir buatan. Dua laser solid state yang umum digunakan saat ini adalah Nd:YAG (neodymium:yttrium aluminium garnet) dan Nd:glass. Keduanya menggunakan lampu flash kripton atau xenon untuk pemompaan optik. Kilatan cahaya cemerlang hingga ribuan watt dapat diperoleh dan masa pakai pengoperasian mendekati 10.000 jam.

Karena sinar laser dapat difokuskan ke tempat yang tepat dengan intensitas tinggi, panas yang cukup dapat dihasilkan oleh laser berdenyut kecil untuk menguapkan bahan yang berbeda. Dengan demikian, laser digunakan dalam berbagai proses penghilangan material, termasuk pemesinan. Misalnya, laser ruby ​​​​digunakan untuk mengebor lubang di berlian untuk cetakan gambar kawat dan di safir untuk bantalan arloji.

Sejarah

Konsep di balik laser pertama kali diusulkan oleh Albert Einstein, yang menunjukkan bahwa cahaya terdiri dari partikel tak bermassa yang disebut foton. Setiap foton memiliki energi yang sesuai dengan frekuensi gelombang. Semakin tinggi frekuensinya, semakin besar energi yang dibawa gelombang. Einstein dan ilmuwan lain bernama S.N. Bose kemudian mengembangkan teori untuk fenomena di mana foton cenderung bergerak bersama. Ini adalah prinsip di balik laser.

Tindakan laser pertama kali ditunjukkan di wilayah gelombang mikro pada tahun 1954 oleh pemenang Hadiah Nobel Charles Townes dan rekan kerja. Mereka memproyeksikan seberkas molekul amonia melalui sistem elektroda pemfokusan. Ketika daya gelombang mikro dengan frekuensi yang sesuai dilewatkan melalui rongga, amplifikasi terjadi dan istilah amplifikasi gelombang mikro oleh emisi terstimulasi dari radiasi (M.A.S.E.R.) lahir. Istilah laser pertama kali diciptakan pada tahun 1957 oleh fisikawan Gordon Gould.

Setahun kemudian, Townes bekerja dengan Arthur Schawlow dan keduanya mengusulkan laser, menerima paten pada tahun 1960. Pada tahun yang sama, Theodore Maiman, seorang fisikawan di Hughes Research Laboratories, menemukan laser praktis pertama. Laser ini adalah jenis solid state, menggunakan kristal rubi merah muda yang dikelilingi oleh tabung flash yang tertutup di dalam rongga silinder aluminium yang dipoles yang didinginkan oleh udara paksa. Silinder ruby ​​​​dipoles pada kedua ujungnya sejajar dengan sepertiga panjang gelombang cahaya. Setiap ujungnya dilapisi dengan perak yang diuapkan. Laser ini dioperasikan dalam mode berdenyut. Dua tahun kemudian, laser ruby ​​terus menerus dibuat dengan mengganti lampu flash dengan lampu busur.

Setelah laser Maiman berhasil didemonstrasikan, peneliti lain mencoba berbagai substrat lain dan tanah jarang, termasuk erbium, neodymium, dan bahkan uranium. Substrat itrium aluminium garnet, kaca, dan kalsium fluorida diuji. Pengembangan dioda laser yang kuat (perangkat yang membentuk keluaran cahaya yang koheren menggunakan elektroda atau semikonduktor) pada 1980-an menyebabkan laser solid-state dalam rezim gelombang kontinu yang lebih efisien, kompak, dan andal. Teknologi dioda meningkat selama tahun 1990-an, yang pada akhirnya meningkatkan daya keluaran laser solid state ke tingkat multikilowattt.

Laser Nd:YAG dan ruby ​​​​sekarang digunakan di banyak aplikasi industri, ilmiah, dan medis, bersama dengan laser solid state lainnya yang menggunakan berbagai jenis kristal. Laser Nd:YAG juga digunakan untuk memantau polusi, pengelasan, dan penggunaan lainnya. Jenis kristal ini adalah yang paling banyak digunakan—lebih dari dua pertiga kristal yang ditanam adalah jenis ini. Kristal lain yang ditanam termasuk Nd:YVO4 (yttrium orthovanadate), Nd:kaca, dan Er:YAG.

Bahan Baku

Komponen optik, mekanik, dan elektronik yang terbuat dari berbagai bahan (kristal, logam, semikonduktor, dll.) biasanya dipasok oleh produsen lain. Outsourcing bervariasi dari produsen laser ke produsen. Laser solid state terdiri dari dua komponen utama, atau "kotak". Satu komponen berisi optik (penguat kristal dan cermin), dan yang lainnya berisi elektronik (catu daya, kontrol internal). Terkadang kedua komponen ini diintegrasikan ke dalam satu kotak.

Desain

Desain rongga laser ditentukan oleh aplikasi. Biasanya, kelompok penelitian dan pengembangan mengembangkan desain. Desain ini menentukan karakteristik operasi, termasuk daya, panjang gelombang, dan sifat balok lainnya. Para desainer juga menggabungkan fitur keamanan seperti yang dipersyaratkan oleh Food and Drug Administration (FDA).

Proses Pembuatan

• 1 Biasanya, semua atau sebagian besar komponen diproduksi di tempat lain. Misalnya, penanam kristal menyediakan bahan penguat. Untuk menumbuhkan kristal Nd:YAG, senyawa bubuk oksida dengan kemurnian tinggi dari elemen yang diinginkan ditempatkan dalam wadah dan dilebur dalam tungku frekuensi radio pada suhu tinggi. Sebuah kristal benih kemudian dibawa ke dalam kontak dengan permukaan cairan. Ketika kristal benih diangkat secara perlahan, diputar, dan didinginkan sedikit, kristal tunggal dengan komposisi yang diinginkan muncul dengan kecepatan sekitar 0,02 inci (0,5 mm) per jam.

  Kristal Nd:YAG yang khas berkisar dari diameter 2,4-3,1 inci (60-80 mm) dengan panjang 6,9-8,9 inci (175-225 mm). Batang, wafer, dan lempengan dalam berbagai geometri diekstraksi dari kristal yang tumbuh, kemudian dibuat, dipoles, dan dilapisi sesuai spesifikasi pelanggan. Produk jadi berkisar dari batang sekecil 0,02 inci (0,5 mm) dengan diameter 1 inci (25 mm) Laser solid state terdiri dari rongga dengan cermin datar atau bulat di setiap ujungnya yang diisi dengan kristal, yang atom-atomnya terikat secara kaku. Setelah cahaya dipompa ke dalamnya baik oleh lampu atau laser lain, kristal menghasilkan cahaya yang memantul di antara cermin, meningkatkan intensitas dan menghasilkan cahaya yang sangat terang. panjang untuk geometri pelat sebesar 0,3 x 1,5 inci (8 x 37 mm) pada penampang dengan panjang 9,2 inci (235 mm). Geometri batang Nd:YAG yang paling umum adalah silinder melingkar siku-siku.

Majelis

• 2 Setelah laser dirancang dan komponen diterima, optik terintegrasi dengan komponen mekanis. Teknisi mengikuti cetak biru, menempatkan komponen optik di posisi yang diinginkan, menggunakan pemegang logam atau perangkat pemasangan. Prosedur ini dilakukan di lingkungan ruangan yang bersih untuk menghindari kontaminasi pada komponen optik.

Perataan

• 3 Selanjutnya, rongga penguat disejajarkan sehingga beroperasi pada spesifikasi yang diinginkan. Ini dilakukan di atas meja uji oleh teknisi lain, menggunakan laser lain untuk membantu penyelarasan.

Pengujian akhir

• 4 Sebelum mengirimkan laser ke pelanggan, laser melewati langkah yang disebut pengujian akhir, yang pada dasarnya memeriksa laser untuk pengoperasian yang benar, termasuk daya keluaran, kualitas sinar, dan karakteristik lainnya. Laser dioperasikan selama beberapa jam untuk memastikannya lolos inspeksi.

Kontrol Kualitas

Sebagian besar produsen laser mengikuti standar kualitas internasional yang memberikan putaran umpan balik selama proses pembuatan. Laser juga melewati beberapa prosedur pengujian utama seperti yang dijelaskan sebelumnya.

Semua perangkat laser yang didistribusikan di Amerika Serikat harus disertifikasi sesuai dengan standar kinerja produk laser federal dan dilaporkan ke Kantor Kepatuhan Center for Devices and Radiological Health (CDRH) sebelum didistribusikan ke pengguna akhir. Standar kinerja ini menetapkan fitur keselamatan dan pelabelan yang harus dimiliki semua laser untuk memberikan keamanan yang memadai bagi pengguna. Setiap laser harus disertifikasi sesuai dengan standar sebelum diperkenalkan ke pasar. Sertifikasi berarti setiap unit telah lulus uji penjaminan mutu yang sesuai dengan standar kinerja. Mereka yang mengesahkan laser bertanggung jawab untuk melaporkan dan memberitahukan masalah apa pun dengan laser.

Produk Sampingan/Limbah

Karena pemasok dari berbagai komponen biasanya mengikuti prosedur manajemen kualitas total, pabrikan laser tidak menguji komponen untuk cacat dan hanya ada sedikit pemborosan. Jika komponen yang rusak ditemukan, terkadang dikirim kembali ke pabrikan.

Masa Depan

Laser solid state sedang dirancang yang memiliki daya lebih tinggi, lebih cepat, memiliki panjang gelombang yang lebih pendek, dan kualitas sinar yang lebih baik, yang akan memperluas aplikasinya. Misalnya, bahan penguat sedang dikembangkan yang akan mampu memeras miliaran pulsa ke dalam satu detik, menghasilkan laser femtosecond memberikan puluhan pulsa di setiap nanodetik. Laser solid state yang dapat memberikan daya pada tingkat terawatt atau petawatt juga sedang diuji untuk menghasilkan reaksi nuklir, dengan potensi digunakan dalam aplikasi kedokteran nuklir seperti pemindaian CAT. Laser Nd:YAG berkembang ke industri elektronik untuk aplikasi pengeboran, penyolderan, dan pemangkasan. Penguatan kristal terus dilakukan agar tahan lebih lama.

Pasar sistem laser dunia diperkirakan akan meningkat dari $4,7 miliar pada tahun 2000 menjadi $8 miliar pada tahun 2005, dengan pasar laser solid state mencapai lebih dari $1,1 miliar, dibandingkan dengan $4,6 miliar untuk laser dioda. Laser solid state menggantikan laser tipe dye, ion dan HeNe di pasar tertentu. Analis lain memperkirakan laser solid state yang dipompa flashlamp akan tumbuh menjadi $660 juta dan laser solid state yang dipompa dioda menjadi $312 juta pada tahun 2003. Jenis laser yang terakhir akan menjadi lebih populer untuk aplikasi industri seperti penandaan tujuan umum dan pemrosesan bahan, seperti biaya turun dan kekuatan yang lebih tinggi tersedia. Laser ini juga sedang dirancang dengan perawatan minimal.