Prinsip Dasar Laser: Interaksi Cahaya dan Materi

Laser didasarkan pada tiga proses interaksi antara foton (cahaya) dan atom di dalam medium aktif (zat padat, cair, atau gas) yang memiliki tingkatan energi diskrit ($E_1, E_2, E_3$).

1. Absorpsi (Penyerapan)

Atom dalam keadaan energi dasar ($E_1$) menyerap foton dengan energi yang tepat ($h \nu = E_2 – E_1$) dan melompat ke tingkat energi yang lebih tinggi (tereksitasi), $E_2$.

$$\text{Atom}(E_1) + \text{Foton} \to \text{Atom}(E_2)$$

2. Emisi Spontan (Spontaneous Emission)

Atom yang tereksitasi ($E_2$) akan kembali ke tingkat energi yang lebih rendah ($E_1$) secara acak tanpa stimulasi eksternal. Proses ini memancarkan foton secara acak dalam hal arah, fase, dan polarisasi. Ini adalah mekanisme yang menghasilkan cahaya biasa (misalnya dari lampu pijar).

$$\text{Atom}(E_2) \to \text{Atom}(E_1) + \text{Foton}_{\text{acak}}$$

3. Emisi Terstimulasi (Stimulated Emission)

Ini adalah proses kunci laser. Atom yang berada pada tingkat energi tereksitasi ($E_2$) dipaksa kembali ke $E_1$ oleh kehadiran foton yang melewati atom tersebut.

$$\text{Atom}(E_2) + \text{Foton}_{\text{stimulasi}} \to \text{Atom}(E_1) + 2 \times \text{Foton}_{\text{identik}}$$

Foton yang dihasilkan (foton kedua) memiliki karakteristik identik dengan foton yang menstimulasinya:

• Energi dan Frekuensi sama.
• Fase sama (koheren).
• Arah perambatan sama (keterarahan).
• Polarisasi sama.

Proses ini menciptakan amplifikasi cahaya, di mana satu foton berubah menjadi dua.

---

Komponen Utama Sistem Laser

Sistem laser terdiri dari tiga komponen dasar yang bekerja sama:

1. Medium Aktif (Active Medium)

Zat di mana emisi terstimulasi terjadi. Ini menentukan panjang gelombang ($\lambda$) sinar laser. Contohnya termasuk:

• Gas: He-Ne (Helium-Neon), $\text{CO}_2$.
• Zat Padat: Rubidium (Laser Ruby), Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet).
• Semikonduktor: Dioda laser (digunakan pada pointer dan pemutar CD).

2. Pompa Energi (Pumping Mechanism)

Mekanisme yang memasok energi (listrik atau cahaya) ke medium aktif untuk menaikkan atom ke tingkat energi tereksitasi ($E_2$). Ini diperlukan untuk menciptakan Populasi Inversi.

• Pada laser gas, digunakan lucutan listrik.
• Pada laser solid-state, digunakan lampu flash atau dioda laser lain.

3. Resonator Optik (Optical Resonator / Cavity)

Terdiri dari dua cermin sejajar di kedua ujung medium aktif:

• Cermin Penuh (Fully Reflective Mirror): Memantulkan hampir 100% cahaya.
• Cermin Kopler (Output Coupler): Memantulkan sebagian besar cahaya (misalnya 97%) tetapi mentransmisikan sebagian kecil (misalnya 3%) keluar sebagai sinar laser yang berguna.

Resonator berfungsi mengarahkan foton agar terus-menerus bolak-balik melalui medium aktif, menyebabkan lebih banyak emisi terstimulasi, sehingga memperkuat sinar (amplifikasi). Foton yang keluar dari cermin kopler membentuk sinar laser yang sangat koheren dan terkolimasi.

---

Kondisi Kunci: Populasi Inversi

Untuk mencapai amplifikasi, laju emisi terstimulasi harus lebih besar daripada laju absorpsi. Ini hanya mungkin jika jumlah atom di tingkat energi yang lebih tinggi ($N_2$) melebihi jumlah atom di tingkat energi yang lebih rendah ($N_1$).

$$N_2 > N_1$$

Kondisi ini, yang melanggar distribusi Boltzmann termal, disebut Populasi Inversi. Pompa energi bekerja keras untuk mempertahankan kondisi ini.

---

Sifat Unik Sinar Laser

Sifat-sifat ini berasal langsung dari proses emisi terstimulasi dan resonator optik:

Sifat	Deskripsi	Asal Usul
Monokromatik	Cahaya hanya memiliki satu panjang gelombang ($\lambda$) atau pita yang sangat sempit.	Transisi energi yang sangat spesifik antara dua tingkat kuantum ($E_2 – E_1$).
Koheren	Foton memiliki fase yang sangat stabil (Temporal dan Spasial).	Semua foton dihasilkan oleh emisi terstimulasi, yang mempertahankan fase foton aslinya.
Keterarahan Tinggi	Divergensi sudut sangat rendah; sinar menyebar minimal seiring jarak.	Foton yang tidak sejajar dengan sumbu resonator optik akan hilang, hanya menyisakan sinar yang terkolimasi sempurna.
Intensitas Tinggi	Energi terdistribusi secara sempit pada ruang dan waktu.	Amplifikasi terjadi secara eksponensial di dalam resonator.