Karakteristik laser rubi

Diagram tingkat energi yang dimiliki oleh kristal rubi dalam menghasilkan laser dapat dilihat dalam gambar berikut.

Gamabar 4 Tingkat Energi Rubi

Dalam laser rubi populasi inversi terjadi di posisi yang dilambangkan dengan 2E. pemompaan yang dilakuakn adalah secara optis atau menggunakan lampu. Pemompaan dilakukan dengan meningkatkan posisi ion Cr3+ dari keadaan 4A2 atau ground state menuju posisi band 4F2 atau 4F1. waktu singgah selama di kedua band tersebut yang terpisah sejauh 1000 yaitu di daerah hijau (18000 cm-1 ) dan daerah merah (25000 cm-1 ) adalah sangat sangat singkat.

Keadaan metastabil yaitu 2E juga terbagi menjadi 2 sub level yang terpisah sebesar = 29 cm-1. posisi sub level yang diatas adalah sub level 2 dan yang di bawahnya adalah sub level . Dari dua posisi sub level tersebut maka terdapat 2 kemungkinan terjadinya transisi yang pertama kemungkinan transisi terjadi dari dan yang kedua dari yang garis sinarnya berada dalam cahaya tampak yaitu masing-masing 6943 dan 6929 .

Dalam kesetimbangan termal maka perbedaan populasi antara posisi dan 2 adalah sebagai berikut:

Pada temperature kamar besar factor boltmann K adalah 0,87.

Dalam laser rubi ternyata lebar pulsa garis spectrum dan panjang ghelombangnya dipengaruhi oleh temperature. Pada 300 K laser terpusat pada panjang gelombang 6943 dengan lebar garis spectrum adalah 11 cm-1, sedangkan pada 77 K lebar garis spectrum adalah menjadi hanya 0,15 cm-1 meskipun memili pusat yang hamper sama yaitu 6943 . Untuk temperature dari -80 sampai + 20 oC maka panjang gelombang dari laser rubi adalah dapat dirumuskan sebagi berikut:

Meskipun demikian pengaruh dari temperatus adalah sangat cukup kecil.

Iklan

Sifat kristal rubi

Secara kimia kristal rubi terdiri dari molekul sapphire (Al2O3) dimana sejumlah kecin ion Al3+ tergantikan dengan ion Cr3+. Hal tersebut dapat dilakukan dengan menambahkan sedikit Cr2O3 pada saat proses pelelehan dalam pembuatan Al2O3 murni. Bentuk sel dari kristal rubi adalah rhombohedral atau hexagonal seperti terlihatpada gambar 3 berikut


Gambar 3 Bentuk Sel Kristal Rubi

Sebagai kristal yang digunakan untuk menghasilkan laser (host crystal) kristal rubi memiliki sifat yang diinginkan baik secara fisika maupun secara kimia. Kristal tersebut sangat keras dan durable, memiliki konduktivitas yang baik, ikatan kimia yang stabil, serta dapat dibuat dengan mudah. Rubi dibuat dengan metode Czechralski.

Membuat Inversi Populasi

Gambar 2 menunjukkan contoh dari populasi inversi yaitu yang terjadi pada kristal rubi. Pada awalnya semua atom dari kristal rubi adalah berada di posisi terendah yaitu E1. Proses eksitasi dari posisi E1 ke posisi E2 disebabkan radiasi elektromagnetik yang menyebabkan terjadinya proses absorpsi menuju posisi E3. Kedaan E3 ini bisa jadi terdiri dari beberapa pita atau dikenal dengan istilah broad band.


Gambar 2 diagram tingkat energi

Jadi proses pemompaan oleh cahaya (pump light) dapat meningkatkan posisi dari keadaaan E1 menuju keadaan E3. Lampu yang biasa digunakan untuk memompa menjadi kedaan tersebut biasanya adalah lampu xenon, lampu krypton, lampu merkuri atau lampu tungsten.

Sebagian besar dari atom mentrasisikan energinya menuju level E2 dengan sangat singkat atau sangat cepat tanpa mengeluarkan radiasi yang berupa foton. Energi transisi tersebut dirubah dalam bentuk vibrasi dalam kristal atau (lattice). Akhirnya electron akan turun ke posisi ground state dengan meradiasikan foton. Namun demikian foton yang diradiasikan belum tentu keluar sebagai laser. Karena dalam laser proses pemompaan intensitas foton tersebut harus melebihi nilai tertentu atau melebihi nilai threshold tertentu. Jika intensitas dari pemompaan (intensity pumping) belum sampai pada thresholdnya maka dari posisi 2 akan secara dominant turun ke posisi ground sebagai emisi spontan bukan emisi terstimulasi. Jika intensitas dari pemompaan sudah melebihi batas threshold maka selain terjadi emisi spontan juga terjadi emisi terstimulasi.

Emisi Terstimulasi

Emisi selain terjadi secara spontan juga dapat terjadi karena terstimulasi oleh radiasi gelombang elektromagnetik yang frekuensinya sesuai. Frekuensi gelombang elektromagnetik yang menstimulasi tersebut berasal dari proses emisi spontan sehingga frekuensinya sesuai. Laju perubahan populasi atom yang mengalami emisi terstimulasi adalah

….(7)

Jika ketiga proses tersebut terjadi dalam satu system maka ketiga persamaan tersebut yaitu persamaan 4, persamaan 5 dan persamaan 7 maka akan dihasilkan hubungan sebagai berikut

….(8)

Solusi dari persamaan tersebut secara umum adalah sebagai berikut
………(9)

Jika persamaan 9 dibandingkan dengan persamaan 1. Maka besar koefisien Einstein baik itu A dan B dapat diketahui sebagai berikut:

…(10)
.. (11)
Untuk atom, ion dan molekul non degenerasi maka B12=B21

Emisi Spontan

Setelah banyak atom naik posisinya menjadi keadaan upper state melalui proses absorpsi, maka atom atom tersebut akan meluruh (decay) secara spontan menuju keadaan ground state sehingga populasinya berkurang sesuai denga persamaan:

……………………………………………………………(5)

Dimana A21 adalah koefisien kesebandingan Einsten yang berdimensi s-1. koefisien probabilitas tarnsisi spontan dari keadaan di level 2 ke level 1 dalam satu satuan waktu. Persamaan 5 memiliki solusi sebagai berikut
……………………………………………………..…(6)

Dimana adalah waktu terjadinya emisi spontan yang setara dengan reciprocal koefisien Einstein.

Absorpsi

Jika terdapat gelombang elektromagnetik dengan frekuensi f21 melalui atom yang memiliki energi gap hf21, maka electron dalam atom tersebut akan terjadi perpindahan posisi groundstate akan terdeplesi ke tingkat yang lebih tinggi (upper state). Sehingga atom yang memiliki electon dalam keadaan groundstate (N1) akan berkurang populasinya. Laju perubahan populasi N1 dapat dijelaskan dengan persamaan berikut

………………………………………………………………(4)
Besar B12g(f) diinterpretasikan sebagai probabilitas persatu-satuan frekuensi yang mana transisi terjadi akibat induksi gelombang elektromagnetik.

Teori Perpindahan Electron

Transfer radiasi diantara 2 posisi tingkat energi yang berbeda level yang diperbolehkan adalah E2-E1 = hf21. sebuah atom dapat melakukan transfer energi dari keadaan E2 ke keadaan ground state E1 dengan mengemisikan energy. Sebaliknya darti keadaan E1 ke E2 dengan menyerap energi. Energi yang dibuang atau ditambahkan adalah berupa kuanta sebesar hf21. Pada dasarnya terdapat 3 peristiwa penting yang terjadi dari perpindahan electron dalam menjelaskan prinsip terjadinya laser yaitu absorpsi, emisi spontan, dan emisi terstimulasi.

Ada koefisisen-koefisien penting yang disebut koefisein Einstein A dan B yang berpengaruh dalam perpindahan electron.