Laser

Laser adalah merupakan sebuah peranti yang mengeluarkan cahaya melalui satu proses dipanggil pemancaran terangsang. Perkataan ini merupakan akronim kepada istilah (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Pembesaran Cahaya oleh Pancaran Sinaran yang Terangsang). Cahaya laser adalah gelombang elektromagnet nampak yang berada di dalam julat tertentu.
Ia adalah sumber optik yang memancarkan foton dalam pancaran koheren. Cahaya laser biasanya hampir-monokromatik, contohnya, mengandungi panjang gelombang tunggal atau warna, dan dipancarkan dalam pancaran halus. Ini berbeza dengan sumber cahaya biasa, seperti mentol, yang memancarkan photon yang dapat dilihat kesemua arah, biasanya mencangkupi jarak gelombang spektrum elektromagnetik yang luas. Aksi laser dapat difahami melalui penggunaan teori mekanik kuantum dan termodinamik (lihat sains laser).

Fizik

Laser terdiri daripada perantaraan laser aktif dan kebuk optik bergetar..
Bahan antara gandaan adalah bahan yang bentuk, saiz dan ketulenannya dikawal yang menggunakan kesan mekanik kuantum yang dikenali sebagai pancaran dihasilkan (dijumpai oleh Einstein semasa menyelidik kesan fotoeletrik) bagi menguatkan pancaran. Bagi laser untuk beroperasi, bBahan antara gandaan mesti di"pam" oleh sumber tenaga luar, seperti eletrik atau cahaya (daripada sumber klasik seperti lampu kilat Xenon, atau laser lain). Tenaga yang dipam akan diserap oleh perantaraan laser bagi menghasilkan keadaan teruja dalam bahan perantaraan. Apabila jumlah zarah dalam keadaan teruja melebihi jumlah zarah dalam tahap lebih rendah, songsangan populasi dicapai. Dalam keadaan ini, pancaran optik melalui bahantara menghasilkan lebih banyak pancaran dihasilkan berbanding pancaran diserap dengan itu pancaran diperkuatkan. Bahantara laser teruja juga berfungsi sebagai penguat optik.
Cahaya dihasilkan oleh pancaran dihasilkan serupa juga dengan isyarat input dari segi jarak gelombang, fasa dan kekutuban (polarity). Ini memberikan cahaya laser ciri-ciri kekoherenan, dan membenarkannya mengekalkan kekutuban sekata dan ketunggalan warna ditetapkan oleh reka bentuk kebuk optik.
Kebuk getaran (lihar juga penggetar kebuk) mengandungi pancaran cahaya koheren antara dua permukaan berkilat agar setiap foton melalui bahantara gandaan berganda beberapa kali sebelum dipancarkan daripada bukaan output atau hilang akibat penyerakan atau penyerapan. Kerana cahaya mengitar melalui kebuk, melalui bahantara gandaan, jika gandaan dalam bahan bahantara lebih kuat berbanding kehilangan getaran, kuasa cahaya dikitar dapat meningkat berganda. Bagaimanapun, setiap kejadian pancaran dihasilkan memulihkan zarah daripada keadaan teruja kepada keadaan dasar, mengurangkan keupayaan bahan bahantara gandaan bagi penguatan lanjut. Apabila kesan ini menjadi kuat, dapat ini dikatakan sebagai tepu. Baki kuasa pam berbanding gandaan tepu dan kehilangan kebuk menghasilkan nilai keseimbangan kuasa laser dalam kebuk yang menentukan titik operasi laser. Sekiranya kuasa pam yang dipilih terlampau kecil (kurang daripada ambang laser), gandaan yang terhasil tidak mancukupi untuk melebihi kehilangan penggetar, dan laser hanya memancarkan kuasa cahaya yang amat rendah.
Pancaran dalam kebuk dan pancaran keluar laser, yang berlaku di ruang bebas kebiasaannya adalah pancaran Gaussan, dan bukannya pandu gelombang (sebagaimana yang terdapat di dalam laser gentian optik). Sekiranya pancaran tidak berbentuk Gaussian tulen, pancaran mod melintang boleh dianalisis sebagai superposisi (superposition) polinomial Hermite-Gaussian atau pancaran polinomial Laguerre-Gaussian. Pancaran biasanya mempunyai capahan sinar yang amat kecil, tetapi pancaran sempurna tidak dapat dicipta, disebabkan oleh kesan pembelauan. Bagaimanapun pancaran laser akan tersebar kurang berbanding pancaran cahaya tidak terkawal. Jarak pancaran kekal meningkat dengan gandaan diameter pancaran, dan sudut dimana pancaran akhirnya mencapah berbeza secara terbalik dengan diameter. Dengan itu, pancaran yang dihasilkan oleh laser kecil makmal seperti laser helium-neon (HeNe) tersebar sekitar 1 batu (1.6 kilometer) diameter sekiranya dipancarkan daripada permukaan Bumi ke Bulan. Sebagai perbandingan, keluaran laser semikonductor biasa, disebabkan diameter kecilnya, berpecah hampir serta-merta apabila keluar dari bukaan, pada sudut yang mungkin setinggi 50°. Bagaimanapun, pancaran mencapah sebegini boleh diubah menjadi pancaran (collimated) dengan menggunakan kanta optik. Sebagi perbandingan, cahaya daripada sumber bukan-laser tidak boleh dipancar melalui optik sebaik atau sebanyak itu.
Laser output boleh sebagai output berterusan, sentiasa dipertingkatkan amplitud (dikenali sebagai gelombang berterusan, continuous wave), atau denyutan, dengan menggunakan teknik suis-Q, kunci mod, atau pensuisan gandaan. Dalam operasi denyut, kuasa puncak lebih tingga mampu dicapai.
Sesetengah jenis laser, seperti laser dye dan laser bentuk-solid vibronik boleh menghasilkan cahaya melalui jarak gelombang yang luas; ciri-ciri ini menjadikan ia sesuai bagi penghasilan denyut cahaya yang singkat, pada skala femtosaat (10⁻¹⁵ sesaat).
Ia perlu difahami bahawa perkataan cahaya dalam ringkasan (akronim) LASER membawa erti yang luas, kerana photon sebarang cahaya; dan tidak hanya terhad kepada photon dalam spektrum dapat dilihat. Dengan itu terdapat laser sinar-X, laser infra, laser ultraungu dan sebagainya. Kerana gelombang mikro seumpama laser, maser, dimajukan dahulu, peranti yang memancarkan gelombang mikro dan frekuensi radio biasanya dikenali sebagai maser. Dalam penulisan awal, terutama dari penyelidik di Bell Telephone Laboratories, laser sering kali dikenali sebagai maser optik. Penggunaan istilah ini telah tidak digunakan, dan sehingga 1998 makmal Bell turut menggunakan istilah laser .

Sejarah

Townes, Basov dan Prokhorov berkongsi Hadiah Nobel dalam Fizik pada 1964 "bagi kerja asas dalam bidang eletronik kuantum, yang mendorong kepada pembinaan pengayun dan penguat yang mendorong kapada pembinaan pembalik pengayun dan penguat berasaskan prinsip maser-laser."
Pada tahun 1957 Charles Townes dan Arthur Leonard Schawlow, ketika itu di Bell Labs, memulakan kajian serious mengenai infra maser. Ketika idea itu dikembangkan, frekuensi infra ditinggalkan dan diganti dengan penumpuan terhadap cahaya kelihatan. Konsep ini pada asalnya dikenali sebagai "maser optik". Bell Labs mengemukakan permohonan paten bagi cadangan maser optik mereka setahun kemudian. Schawlow dan Townes mengemukakan manuskrip pengiraan theori mereka kepada Physical Review, yang menerbitkan kertas kerja mereka pada tahun tersebut(Volume 112, Issu 6).
Pada masa yang sama, Gordon Gould, pelajar lanjutan di Universiti Columbia, sedang menyiapkan thesis kedoktoran mengenai aras tenaga bagi excited thallium. Gould dan Townes bertemu dan berbincang mengenai tajuk pancaran radiasi umum. Selepas perjumpaan tersebut, Gould membuat nota mengenai ideanya mengenai "laser" pada November 1957. Pada tahun 1958, Prokhorov mencadangkan pengetar terbuka yang menjadi bahan penting bagi laser masa hadapan. Istilah "laser" pertama sekali diperkenalkan pada umum dalam kertas kerja Gould 1959 "The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Gould bermaksud "aser" sebagai suffix, untuk digunakan dengan prefix berkenaan bagi spektra cahaya yang dipancarkan oleh peranti (contohnya. laser X-ray = xaser, laser UltraViolet = uvaser). Tidak satu pun istilah lain menjadi popular, walaupun "raser" kadangkala digunakan sebagai peranti pemancar frekuensi radio.
Nota Gould merangkumi applikasi yang mungkin bagi laser, seperti spektroskopi, interferometri, radar, dan pelakuran nuklear. Dia terus memajukan ideanya dan membuat permohonan patent pada April 1959. Pejabat Hakcipta dan Paten Amerika Syarikat (United States Patent and Trademark Office) menafikan applikasinya dan memberikannya kepada Makmal Bell pada 1960. Ini mecetuskan pertempuran undang-undang yang berpanjangan selama tiga dekad, dengan pertaruhan jumlah wang yang banyak dan kenamaan dari segi prestij. Gould memenangi paten kecil pertamanya pada 1977, tetapi hanya pada 1987 yang dia mampu memenangi kemenangan pater utama apabila hakim kebangsaan memerintahkan kerajaan bagi mengeluarkan paten kepadanya bagi setiap laser nyahcas gas dan dipam secara optik.
Laser yang boleh guna pertama dihasilkan oleh Theodore H. Maiman pada 1960 di Hughes Research Laboratories di Malibu, California, mengalahkan beberapa pasukan penyelidik termasuk pasukan Townes di Universiti Columbia, dan Arthur L. Schawlow di Makmal Bell. Maiman menggunakan keadaan pepejal sintetik pam-lampu kilat hablur delima untuk menghasilkan laser cahaya merah pada jarak gelombang 694 nanometer. Laser Maiman, bagaimanapun, hanya mampu beroperasi secara denyutan disebabkan peralihan aras tenaga tiga tahap. Kemudiannya pada tahun yang sama ahli fizik Iran Ali Javan, bersama dengan William Bennet dan Donald Herriot, menghasilkan laser gas pertama dengan menggunakan helium dan neon. Javan kemudian menerima Anugerah Albert Einstein pada 1993.

Fizik

Konsep laser semikonduktor dicadangkan oleh Basov dan Javan; dan diode laser pertama ditunjukkan oleh Robert N. Hall pada tahun 1962. Peranti Hall dibina dengan menggunakan sistem bahan GaAs dan menghasilkan pancaran pada 850 nm, pada bahagian spektrum hampir infra. Laser semikonduktor pertama dengan pancaran dapat dilihat ditunjukkan pada tahun yang sama oleh Nick Holonyak, Jr. Sebagaimana dengan laser gas pertama, laser semikonduktor pertama hanya boleh beroperasi secara denyutan, dan hanya apabila disejukkan dengan suhu nitrogen cair sekitar 77 Kelvin.
Pada tahun 1970, Zhores Alferov di Kesatuan Soviet dan Hayashi dan Panish dari Makmal Bell Telephone secar berasingan memajukan laser diod beroperasi secara berterusan pada suhu bilik, dengan menggunakan struktur (heterojunction).
Penggunaan laser dapat dilihat yang pertama dalam kehidupan seharian penduduk umum adalah pengimbas kod bar supermarket, diperkenalkan pada tahun 1974. Pemain cakera laser, diperkenalkan pada tahun 1978, merupakan barangan pengguna pertama yang berjaya yang mengandungi laser, tetapi pemain cakera padat merupakan peranti dilengkapi laser pertama yang menjadi paling biasa terdapat di rumah pengguna bermula semenjak tahun 1982.

Ciptaan baru

Konsep laser semikonduktor dicadangkan oleh Basov dan Javan; dan diod laser pertama ditunjukkan oleh Robert N. Hall pada tahun 1962. Peranti Hall dibina dalam sistem bahan Gas dan menghasilkan pancaran sekitar 850 nm, kawasan hampir-infra dalam spektrum cahaya. Laser semikonduktur pertama dengan pancaran bolehdilihat ditunjukkan kemudian pada tahun yang sama oleh Nick Holonyak, Jr. Sebagaimana laser gas pertama, laser semikonduktor awal ini hanya boleh digunakan dalam operasi denyutan, dan hanya apabila disejukkan pada suhu nitrogen cair (77 K).
Pada tahun 1970, Zhores Alferov di Kesatuan Soviet dan Hayashi dan Panish dari Bell Telephone Laboratories secara bebas memajukan laser diode beroperasi berterusan pada suhu bilik, menggunakan struktur persimpangan hetero (heterojunction).
Applikasi pertama laser dapat dilihat dalam kehidupan harian penduduk umum adalah pengimbas kod palang (barcode) supermarket, diperkenalkan pada tahun 1974. Pemain cakera laser, diperkenalkan pada 1978, merupakan barangan pengguna yang pertama berjaya yang mempunyai laser, tetapi pemain cakera padat merupakan peranti dilengkapi laser pertama yang menjadi kebiasaan sebenar dalam rumah pengguna, bermula tahun 1982.

Kegunaan laser

Pada masa ciptaan laser pada 1960, laser dikenali sebagai "penyelesaian mencari masalah". Semenjak itu, ia digunakan secara meluas, digunakan dalam beribu-ribu aplikasi secara meluas dalam semua bahagian dalam masyarakat moden, termasuk eletronik pengguna, teknologi maklumat, sains, perubatan, pengilangan, penguatkuasaan undang-undang dan ketenteraan. Secara umum, ia telah dianggap pencapaian teknologi paling berpengaruh dalam abad ke 20.
Kelebihan laser dalam pelbagai applikasi timbul daripada ciri-ciri laser seperti koheren, ketunggalan warna yang tinggi, keupayaan mencecah kuasa amat tinggi. Sebagai contoh, pancaran laser terkawal boleh ditumpu sehingga had pembelauan yang pada jarak gelombang kelihatan bersamaan dengan beberapa ratus nanometer. Ciri-ciri ini membolehkan laser merakamkan gigabait maklumat dalam liang seni pada DVD. Ia juga membenarkan laser berkuasa serdahana ditumpukan pada keamatan tinggi dan digunakan bagi memotong, membakar atau juga mempeluwap jisim. Sebagai contoh, laser neodimium itrium aluminium garnet (Nd:YAG) frekuensi berkembar (frequency doubled) memancarkan 532 nanometer cahaya (hijau) pada output 10 watt secara teori mampu mencapai kekuatan megawatt per sentimeter persegi. Secara sebenar bagaimanapun, penumpuan sempurna cahaya pada had pembelauan adalah amat sukar.
Dalam eletronik kepenggunaan, telekomunikasi, dan komunikasi data, laser digunakan sebagai pemancar dalam komunikasi optik melalui gentian optik dan ruang bebas. Laser digunakan bagi menyimpan dan mengambil data daripada cakera padat dan DVD, termasuk juga sebagai cakera magneto-optik. Paparan cahaya laser (gambar) mengiringi banyak konsert muzik.
Dalam sains, laser digunakan dalam pelbagai variati teknik interferometri, dan bagi spektroskopi Raman dan penguraian spektroskopi menggunakan laser. Kegunaan lain termasuk pengesan jarak jauh atmosfera, dan kajian fenomena optik tidak lurus. Teknik holografik menggunakan laser turut menyumbang kepada pelbagai teknik ukuran. Laser juga telah digunakan di atas kapal angkasa saintifik Cassini-Huygens.
Dalam perubatan, skalpel laser digunakan bagi laser pembetulan penglihatan dan teknik pembedahan lain. Laser juga digunakan bagi prosedure dermatologi termasuk menghilangkan tatu, tanda lahir, dan rambut; jenis laser yang biasa digunakan oleh dermatologi termasuk delima (694 nm), alexandrite (755 nm), denyutan diod tersusun (810 nm), Nd:YAG (1064 nm), Ho:YAG (2090 nm), dan Er:YAG (2940 nm).
Dalam pengilangan, pemotongan laser digunakan bagi memotong keluli dan logam lain. Aras garis laser turut digunakan bagi pembinaan dan pengukuran. Laser juga digunakan bagi penunjuk pesawat. Laser juga digunakan bagi sesetengah jenis reaktor pelakuran termonuklear.

Silap faham yang popular

Gambaran laser dalam budaya popular, terutama dalam careka sains dan filem aksi kebiasaannya amat mengelirukan. Sebagai contoh berbeza dengan gambaran dalam filem seperti Star Wars, pancaran laser tidak pernah kelihatan dalam angkasa vakum. Dalam udara pancaran menghentam debu dan jisim lain dalam laluannya dan berkecai menghasilkan "pancaran" bercahaya, sama seperti cahaya matahari berkilau dalam udara berhabuk. Kesan ini boleh diperjelaskan lagi untuk membuat pancara lebih jelas dengan meningkatkan lagi jumlah jisim terampai di udara.
Pancaran amat kuat boleh kelihatan di "udara" disebabkan penyelerakan Rayleigh atau penyelerakan Raman. Walaupun dengan pancaran yang lebih kuat, udara boleh dipanaskan sehingga titik di mana ia berubah menjadi plasma, yang akan kelihatan. Ini bagaimanapun akan menyebabkan letupan, dan akan menyebabkan pantulan cahaya kembali ke laser, kemungkinannya merosakkannya (bergantung kepada reka bentuk laser).
Tambahan lagi, kesan khas filem careka sains seringkali menggambarkan pancaran laser bergerak pada kelajuan beberapa meter sesaat—contohnya, cukup perlahan untuk melihat pergerakkanya, dalam cara seperti peluru jejak biasa- dalam mana pancaran laser sebenar bergerak pada kelajuan cahaya, dan akan kelihatan sepanjang laluannya.
Sesetengah filem aksi menunjukkan sistem keselamatan menggunakan laser merah (dan dikalahkan oleh wira, biasanya dengan menggunakn cermin); hero dapat melihat laluan pancaran laser dengan menabur habuk putih di udara. Sebenarnya ianya lebih mudah dan murah menghasilkan diodes laser infra berbanding diodes laser cahaya yang dapat dilihat, oleh itu sistem sedemikian hampir pasti tidak menggunakan cahaya yang dapat dilihat.

Keselamatan laser

Walaupun laser berkuasa rendah dengan hanya kuasa keluar beberapa milliwatt boleh membahayakan pengelihatan manusia. Pada jarak gelombang di mana kornea dan kanta boleh tumpu dengan baik, kekoherenan dan pembelauan yang rendah bagi cahaya laser bererti ia boleh ditumpukan oleh mata pada titik amat kecil pada retina, menyebabkan terbakar tempatan dan kerosakan kekal (buta) dalam sesaat atau lebih pantas. Laser dikelaskan dalam kelas keselamatan nombor I, tidak selamat, sehingga IV, walaupun cahaya tersebar boleh menyebabkan kerosakan mata/kulit. Barangan laser terdapat bagi pengguna, seperti pemain CD dan penunjuk laser biasanya dikelaskan sebagai kelas I, II, atau III.