Laser karbon dioksida

Laser karbon dioksida (laser CO2) adalah salah satu laser gas paling awal yang dikembangkan. Laser ini ditemukan oleh Kumar Patel dari Bell Labs pada tahun 1964 dan masih menjadi salah satu jenis laser yang paling berguna. Laser karbon dioksida merupakan laser gelombang kontinu berdaya tertinggi yang tersedia saat ini. Laser ini juga cukup efisien: rasio daya keluaran terhadap daya pompa dapat mencapai 20%. Laser CO₂ menghasilkan berkas cahaya inframerah dengan pita panjang gelombang utama yang berpusat pada 9,6 dan 10,6 mikrometer (μm).

 Penguatan 
Medium laser aktif (medium penguatan/amplifikasi laser) adalah pelepasan gas yang didinginkan oleh udara atau air, tergantung pada daya yang digunakan. Gas pengisi di dalam tabung pelepasan tertutup terdiri dari sekitar 10–20% karbon dioksida (CO₂), sekitar 10–20% nitrogen (N₂), beberapa persen hidrogen (H₂) dan/atau xenon (Xe), dengan sisanya berupa helium (He). Campuran yang berbeda digunakan dalam laser alir-melalui (flow-through laser), di mana CO₂ terus dipompa melaluinya. Proporsi spesifik bervariasi menurut jenis laser tertentu.

Populasi terbalik dalam laser dicapai melalui urutan berikut: tumbukan elektron mengeksitasi mode vibrasi kuantum {v1(1)} pada nitrogen. Karena nitrogen adalah molekul homonuklir, ia tidak dapat melepaskan energi tersebut melalui emisi foton, sehingga mode vibrasinya yang tereksitasi menjadi metastabil dan relatif berumur panjang. Karena N₂{v1(1)} dan CO₂{v3(1)} hampir sepenuhnya resonan (perbedaan energi molekuler total berada dalam 3 cm⁻¹ setelah memperhitungkan anarmonisitas N₂, distorsi sentrifugal, dan interaksi vibro-rotasional—yang semuanya lebih dari dikompensasi oleh distribusi kecepatan Maxwell dari energi mode translasi), N₂ mengalami de-eksitasi secara tumbukan dengan mentransfer energi mode vibrasinya ke molekul CO₂, menyebabkan karbon dioksida tereksitasi ke keadaan kuantum mode vibrasi {v3(1)} (rentangan asimetris).

CO₂ kemudian memancarkan radiasi pada panjang gelombang 10,6 μm dengan turun ke mode vibrasi {v1(1)} (rentangan simetris), atau 9,6 μm dengan turun ke mode vibrasi {v20(2)} (pembengkokan). Molekul karbon dioksida kemudian bertransisi lagi ke keadaan dasar mode vibrasi {v20(0)} dari {v1(1)} atau {v20(2)} melalui tumbukan dengan atom helium dingin, sehingga mempertahankan populasi terbalik. Atom helium yang menjadi panas harus didinginkan untuk menjaga kemampuan menghasilkan populasi terbalik dalam molekul CO₂. Pada laser tertutup, pendinginan terjadi saat atom helium menabrak dinding tabung pelepasan laser. Pada laser alir-melalui, aliran CO₂ dan nitrogen terus-menerus dieksitasi oleh pelepasan plasma dan campuran gas panas dikeluarkan dari resonator melalui pompa.

Penambahan helium juga berperan dalam eksitasi vibrasi awal N₂, melalui reaksi disosiasi hampir resonan dengan He(²³S₁) metastabil. Mengganti helium dengan gas mulia lain, seperti neon atau argon, tidak meningkatkan keluaran laser.

Karena energi eksitasi mode vibrasi dan rotasi molekuler rendah, foton yang dipancarkan akibat transisi antar keadaan kuantum ini memiliki energi yang relatif rendah dan panjang gelombang lebih panjang daripada cahaya tampak dan inframerah dekat. Panjang gelombang 9–12 μm dari laser CO₂ berguna karena berada dalam jendela penting transmisi atmosfer (hingga 80% transmisi atmosfer pada panjang gelombang ini), serta karena banyak material alami maupun sintetis memiliki penyerapan khas yang kuat di kisaran ini.

Panjang gelombang laser dapat disetel dengan mengubah rasio isotop atom karbon dan oksigen yang membentuk molekul CO₂ dalam tabung pelepasan.

 Referensi 

Kategori:Karbon dioksida