search

Sabtu, 04 September 2010

Laser

3.4. Lasers
Gas discharges are also used for laser applications, more specifically as gas lasers. Several kinds
of gas lasers exist (see below), but they have one common characteristic, i.e. the mechanism of population inversion, necessary for laser action, always occurs via gas discharges. The gas, at reduced pressure, is contained within a glass discharge tube with mirrors at the ends of the tube. Anode and cathode can be placed at both ends of the tube. Alternatively, the cathode can have a hollow cathode geometry (see also below), with anode rings at the ends. Generally, three classes of gas lasers can be distinguished, depending on whether the lasing transition occurs between energy levels of atoms, ions or molecules w155x.
3.4.1. Atomic lasers
3.4.1.1. He–Ne laser. The He–Ne laser is one of the most-used lasers w155x. As predicted by the
name, the active medium is a mixture of helium and neon in a typical ratio of 10:1. It operates in
a glow discharge tube of a few mm diameter and a length of 0.1–1 m. The total pressure is approximately 1000 Pa. The lasing transitions take place between the energy levels of neon. Several different transitions are possible, all starting from the 3s and 2s levels. Excitation of these upper laser levels occurs in two steps (see Fig. 25):
1. electron impact excitation of helium: eyq He™eyqHe*; and
2. followed by energy exchange between He* and Ne: He*qNe™HeqNe* (in 2s or 3s levels).
This is a typical example of combined electron excitation as creation process (step 1) and heavy
particle kinetics to realize the application (step 2) as discussed in the Introduction. The three main transitions are at 3.39 mm, 1.15mm and 632.8 nm. Because these transitions have either the same upper or lower laser levels, they are competing with each other. Therefore, the mirrors should be selective, by being highly reflective only at the desired wavelength.A disadvantage of the He–Ne laser is that it gives a low power output (typically 0.5–10 mW),because higher power gives saturation due to population in the glow discharge of the lower laser levels. Advantages are the excellent beam quality,the very narrow laser linewidth and the relatively small size w155x. The He–Ne laser is used for optical alignment, by producing a visible line which can be used for
positioning an object, for guidance of equipment in construction (aircrafts, ships), or for the alignment of other (e.g. IR) lasers, as well as for
3.4.1.2. Copper vapor laser. The copper vapor laser (CVL) is based on a glow discharge at high
temperature (wall temperature typically 1400–1500 8C). The discharge tube is typically almost
1 m long with a diameter of 2 cm w156x. It is filled with neon at a pressure of 3000–7000 Pa.
Metallic copper is present in a reservoir, and it evaporates due to the high temperature. Lasing occurs at two wavelengths, i.e. at 510.6 and 578.2 nm. The upper levels of both laser lines
are the Cu0 3d10 4p levels, and the lower laser levels are the Cu0 3d9 4s2 levels w156x. Because
the latter are metastable levels with a relatively long lifetime, the lasing will be short, until the
population inversion is destroyed. Therefore, the laser is also called ‘self-terminating CVL’. Typically, it takes 25 ms to deactivate the lower laser levels, and to produce new laser action. Hence, the CVL is operated in the pulsed mode, with a pulse repetition frequency in the order of 1–100kHz. The average power output is 10–100 W. The CVL has a high gain (1% per mm), and the overall efficiency is rather high (up to 2%) w155x. The CVL has found application in medicine (dermatology and oncology w157x), as pumping sources for dye and Tiysapphire lasers for tunable output w158x, and for industrial materials processing w159x.



3.4.2. Ion lasers
3.4.2.1. Argon ion laser. In conventional argon ionlasers, the active medium is the positive column region of a high current density argon glow discharge w160x. The mechanism for laser activation typically occurs in two steps: (i) ionization of argon, and (ii) excitation of Arq w155x. Because of the two-step process, and because of the high energies required for ionization and excitation (i.e. 15.76 eV for ionization, and typically 19.68 eV for excitation of the ions to the upper laser level), the positive column argon ion laser has a low power efficiency (typically 0.05%) w160x. Hence, the glow discharge must be very intense, with an electrical dissipated power in the kW range w155x. This requires considerable engineering skills. The laser efficiency can, however, be increased by applying a magnetic field along the tube axis w155x. Alternatively, an electron beam with energy close to the peak of the direct excitation cross
section has been used to directly excite the argon ion upper laser levels w161x.Several laser lines are possible between 454 nm and 529 nm, corresponding to 4p–4s transitions. Hence, the laser can be tuned to one specific wavelength, if needed. The two most intense lines are at 488 nm and at 514.5 nm. Argon ion lasers are used for laser printers, optical disks and for Raman spectroscopy. Moreover, they are also used in medicine, for the treatment of detached retinas (ophtalmology). The radiation is strongly absorbed by red blood cells and the resulting thermal effects lead to a reattachment of the retina w155x. A variation to the argon ion laser is the krypton ion laser, which has a lower gain and is less powerful, but on the other hand, it has an even broader wavelength range (between 337 and 800 nm, with the most intense laser line being at 647nm), and it is often attractive for this reason w155x.
3.4.2.2. Metal-vapor ion lasers. The metal-vapor
ion lasers (MVILs) are probably most similar to analytical glow discharges w162–165x. They operate in a rare gas (mostly helium or neon), at a pressure of 100–1000 Pa. The metal vapor is
traditionally introduced by thermal evaporation. For some metals (e.g. Cu, Ag, Au, etc.) the
temperature has to be very high, which may lead to technical difficulties for the development of
MVILs. Therefore, the metal vapor is sometimes obtained from volatile compounds of the metal
(e.g. CuBr, CuCl) which are dissociated in the plasma by electron impact, after which the metal
atoms can be excited. In the case of Cu, the temperature can in this way be reduced from 1500
8C to 400–600 8C w163x. Another way to introducethe metal vapor into the discharge is by sputtering, as in analytical glow discharges. This typically occurs in hollow cathode discharge lasers w166x. The main advantage is that lower temperatures can be used, which simplifies the experimental design.


3.5. Ozone generation
Ozone (O3) generation is also a typical application of DBDs or high pressure GDs w41,42,45,48,49x. Ozone can be generated from oxygen, air or from other N2yO2 mixtures. The
first step towards ozone formation in gas discharges is the dissociation of O2 molecules by electron impact and by reactions with N atoms or excited N2 molecules, if nitrogen is present. Ozone is then formed in a three-body reaction involving O and O2. In recent years, considerable progress was made with respect to attainable ozone concentrations and energy consumption. Ozone concentrations up to 5 wt.% from air and up to 18 wt.% from technical
oxygen can now be reached w42x. Large ozone generating facilities produce several hundred kg
ozone per hour at a power consumption of several megawatts. With modern technology, ozone can be produced at a price less than 2 US$ykg w42x. The main applications are in water treatment and in pulp bleaching. Applications in organic synthesis include the ozonation of oleic acids and the production of hydroquinone, piperonal, certain hormones, antibiotics, vitamins, flavors and perfumes w42x.

Laser Uap Tembaga (CVL)

3.4.1.2 Laser Uap Tembaga (CVL)
            Laser merupakan singkatan dari Ligh Amplification by the Stimulated Emmision of Radiation. Emisi radiasi dirangsang ketika atom-atom dibangkitkan kedalam sifat energi dasar dalam ground. Atom-atom penguat harus lebih dibangkitkan ke level energy tertinggi untuk menghasilkan inverse populasi yang berkitan dengan jumlah atom pada level menegah. Pembangkitan atom-atom tersebut distimulasikan untuk perusakan secara koheren pada tingkat energi menengah sehingga kuat radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang sesuai dengan energi GAP yang dihasilkan. Transisi atau perubahan electron untuk Copper Vapor Laser atau laser tembaga uap diantaranya ditunjukkan oleh skema berikut :
Gambar 1 Transisi Elektron untuk CVL
            Perangsangan emisi tersebut memberikan sifat sinar laser khusus yang unik membedakannya dari cahaya yang dihasilkan oleh sumber konvensional. Hal ini dikarenakan :
Ø  Emisi ini hanya terdiri dari bebrapa panjang gelombang diskrit.
Ø  Emisi ini koheren yaitu semua gelombang cahaya berada dalam satu fasa.
Ø  Emisi nya searah.
Ø  Memiliki divergensi yang rendah.
            Pembangkitan elektron dalam pengaliran arus listrik bertabrakan dengan atom-atom tembaga uap dan membangkitkan atom-atom tersebu dalam satu langkah keatas dan  electron di  dimana tingkat kerusakannya lebih rendah dari . Transisi atau perubahan dari  ke  tingkat laser menghasilkan sinar laser hijau pada panjang gelombang 510 nm. Sedangkan transisi atau perubahan dari  ke  tingkat laser menghasilkan sinar laser kuning pada panjang gelombang 578 nm.
Laser tembaga uap (CVL) didasarkan pada glow discharge pada suhu tinggi (temperatur berkisar pada 1400 - 1500 C). Discharge pada tabung biasanya hampir dengan panjang 1 m dengan diameter  2  cm. Pada tabung  diisi dengan neon pada tekanan 3000-7000 Pa . Logam tembaga berada dalam reservoir, dan menguap karena suhu tinggi. Sinar laser CVL memiliki banyak karakteristik yang bermanfaat bagi micromachining presisi. Efisiensi dalam penyerapan cahaya tampak jauh lebih besar. Selanjutnya kekuatan laser hanya mengandung tak lebih dari 5- 60 nS getaran memiliki daya puncak yang sangat tinggi biasanya berkisar 50-50 kW. Akhirnya siklus tersebut memiliki frekuensi berulang yang sangat tinggi dengan frekuensi 2-100 kHz.



Gambar 2  Konstruksi CVL


Keterangan gambar :
Ø  Mirror dan Window
Cermin yang dibutuhkan hanya satu buah logam perak.Output coupler slide mikroskop memiliki kualitas tinggi dengan sekitar 4% refleksi cermin.Pemasangan cermin dapat diatur dengan melekatkan langsung ke tabung ekstensi laser aliminium.
Ø  Elektroda
Elektroda  batang  kuningan berfungsi sebagai jalan masuk vakum dan gas.pengunci atau penyegelan untuk tabung plasma menggunakan pengunci segel kedap udara yang terbuat dari silikon.Pengunci diluar pemanas atau oven tidak akan mendapatkan kalor.Pemanasan  elemen pemanas electric di tabung kuarsa 25 mm dari tabung plasma.Operasi pemanasan ini memerlukan  suhu sekitar 390 ° C untuk menguapkan halida tembaga.
Ø  Tabung plasma
Memiliki diameter 10 mm I dan memiliki panjang plasma tabung panjang 55 cm.Total panjang tabung plasma 55 cm ditambah 13 cm aluminium pendingin pada kedua ujung tabung  sehingga panjangnya menjadi 81 cm.

Penguatan terjadi pada dua panjang gelombang tertentu, yakni pada 510,6 dan 578,2 nm. Pada tingkat atas dari kedua garis laser adalah  dan level laser lebih rendah merupakan .Karena yang level rendah memiliki metastabil dengan ketahanan yang cukup lama , penguatan akan pendek, sampai inversi populasi dihancurkan.
            Oleh karena itu, laser juga disebut 'self-terminating CVL'. Biasanya, dibutuhkan 25 ms untuk menonaktifkan laser dengan tingkat lebih rendah, dan untuk menghasilkan laser baru. Oleh karena itu,  CVL  beroperasi dalam bentuk pulsa , dengan pulsa pengulangan frekuensi pada  1-100 kHz. Output daya rata-rata adalah 10-100 W. CVL memiliki nilai gain yang cukup  tinggi (1% per mm), dan efisiensi secara keseluruhan cukup tinggi (sampai 2%). The CVL telah  diaplikasikan dalam bidang kedokteran (Dermatologi dan onkologi), seperti laser Ti/sapphire, dan untuk bahan industri pengolahan.
Gambar 3 Penggunaan CVL dalam Sektor Industri

            Berikut bebarapa aplikasi penggunaan dari CVL : CVL sangat baik digunakan untuk proses micromachining yang memiliki banyak manfaat diantaranya untuk pemisahan uap laser isotop atom untuk pengayaan bahan bakar uranium reactor. CVL juga digunakan sebagai sumber cahaya strobiskopik sargan invers untuk kecepatan fotographi dan visualisasi yang sangat tinggi.
Misalnya untuk menerangi gelombang dari proyektil supersonik.

Gambar 4 Pembakaran CVL dengan Foto Injeksi dan Mesin Diesel

            Gambar diatas menunjukkan lima frame dari film foto injeksi berkecepatan tinggi dan pembakaran dilihat dari mesin penelitian. Sinar CVL juga dapat digunakan untuk holografi TV proyeksi dan untuk mengamati peristiwa di pemancar intensitas rendah seperti plasma yang diproduksi melalui obor las dan pemotongan.



3.4.2 Laser Ion
3.4.2.1 Laser Ion Argon
            Dalam laser ion Argon secara konvensional, medium aktifnya adalah daerah pada kolom positif dengan kerapartan arus Argon yang tinggi. Mekanisme aktivasi laser baisanya terjadinya dalam dua tahap :
a.       Ionisasi Argon
b.      Pembangkitan Ion
            Kedua tahap dari mekanisme aktivasi laser memerlukan energi yang sangat tinggi untuk proses ionisasi dan pembangkitan ion. Dalam ionisasi energi yang diperlukan sekitar 15,76 eV dan energi yang biasanya diperlukan untuk pembangkitan ion sekitar 19,68 eV. Oleh karena itu glow discharge atau pancaran sinar haruslah kuat dan besar dengan sebuah pengaliran daya listrik dalam skala kw. Hal ini membutuhkan skill engineering atau kemampuan teknisi yang tinggi. Efisiensi laser dapat ditingkatkan dengan menggunakan medan magnet disepanjang sumbu pipa.
            Laser ion Argon digunakan untuk printer laser, optikal disk (cakram disk), dan Raman spectrum. Aplikasi ini digunakan dalam pengobatan, untuk treatmen atau pemulihan pada retina mata yang lepas (opthalmologi). Radiasi dari laser tersebut dengan kuat menyerap kalor dan menghasilkan efek timbale panas sehingga penyambungan kembali pada retina mata yang lepas bias dilaksanakan.

3.4.2.2 Laser Ion logam Uap (MVILs)
            Operasi atau penggunaan MVILs digunakan dalam sebuag gas murni (Helium dan Neon) pada tekanan sekitar 100-1000 Pa. MVILs sederhana dihantarkan oleh penguapan suhu, untuk beberapa logam (Cu, Ag, Au, dll) yang memiliki temperatur yang sangat tinggi. Kemudian penguapan logam terkadang dihasilkan dari persenyawaan organik dari logam (CuBr, CuCl) yang diurai dalam plasma oleh tubrukan electron. Setelah atom-atom logam bias diuraikan lagi. Unsur tembaga (Cu) menghasilkan temperature dari  sampai  .Hail ini biasanya terjadi dalam rongga kosong katoda pada laser tersebut.
            Kelebihannya adalah menggunakan temperature yang lebih rendah dan design eksperimennya lebih simpel. Hanya saja kekurangannya karena adanya discharge currents atau arus keluar dan tekanan uap logam yang tidak bisa dikontrol secara bebas pada setiap logam, karena tekanan uap logam telah ditetapkan oleh discharge current tadi. Nilai tekanan pada uap logam tersebut biasanya antara 0,1 dan 100 Pa.      
            Penggunaan  MVILs ini biasanya digunakan dalam diagnose fluoresensi, photografi, teknologi photoresis, printing laser dengan kecepatan tinggi dan laser mikroskopis.

3.4.3 Laser Molekululer
Jenis Laser dan Medium
Panjang Gelombang dan Operasinya
Sumber
Aplikasi
337.1 nm
Electrical discharge (debit listrik)
Pemompaan laser dye, pengukuran polusi udara, penelitian ilmiah. Nitrogen laser dapat beroperasi  tanpa rongga resonator.
9,4 μm - 10,6 μm
Debit listrik longitudinal  dengan daya rendah
Bahan pengolahan
193 nm (ARF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl), 353 nm (XeF)
Excimer rekombinasi melalui debit listrik
Ultraviolet litografi untuk semikonduktor manufaktur, laser bedah , LASIK .

Gambar 5 Tabel Jenis Laser Molekuler dan Aplikasinya



3.4.4 Laser Kimia (Chemical Laser)

Jenis Laser dan Medium
Panjang Gelombang dan Operasinya
Sumber
Aplikasi
2,7-2,9 μm untuk fluorida Hidrogen (<80% Atmosfer transmitansi )
Reaksi kimia dalam pembakaran jet etilen dan triflourida nitrogen
Digunakan dalam penelitian untuk senjata laser oleh AS DOD , dioperasikan dalam mode gelombang kontinu yang  memiliki jangkauan daya hingga mega watt.
3.800 nm (3,6-4,2 μm) (> 90% ATM transmitansi )
Reaksi kimia
1,315 μm
Reaksi kimia atom klorin dengan gas asam hydrozoik sehingga pembangkitan dalam  molekul nitrogen yang dihasilkan dijadikan energy untuk atom iodin
Ilmiah, persenjataan dan penerbangan


Gambar 6 Tabel Jenis Laser Kimia dan Aplikasinya
3.5 Generasi Ozon
       Generasi ozon yang pertama kali ditemukan oleh  Christian Friedrich Schönbein pada tahun 1840 berupa Alotrop dari unsure kimia dengan bentuk senyawa yang berbeda. Ozon (O3) atau lebih dikenal dengan sebutan trioxigen merupakan aplikasi dari DBDs atau GDs tekanan tinggi. Ozon dapat terbentuk dari oksigen, udara atau dari campuran N2/O2. Langkah pertama pembentukan ozon pada gas discharge adalah pemisahan molekul O2 oleh electron dan oleh reaksi dengan atom N atau eksitasi Molekul N2, jika nitrogen dalam bentuk senyawa. Ozon ini kemudian terbentuk dalam reaksi kimia yang melibatkan O dan O 2 .
Gambar 5  Pembentukan ozon
Dalam beberapa tahun terakhir, banyak kemajuan sehubungan dengan konsentrasi ozon  dan konsumsi energi. Konsentrasi ozon hingga 5 wt.% dari udara. Dan sampai dengan 18 wt.% Dari teknis oksigen kini didapat . Fasilitas pembangkit ozon menghasilkan beberapa ratus kg ozon per jam dengan konsumsi daya dari beberapa megawatt. Dengan teknologi modern, ozon dapat diproduksi dengan harga kurang dari 2 US $/kg.
Aplikasi utama dari ozon adalah dalam pengolahan air dan dalam pemutihan kulit . Aplikasi pada sintesis organic meliputi asam oleat ozonation dan produksi hydroquinone, piperonal, hormon tertentu, antibiotik, vitamin, bumbu dan parfum.
DAFTAR PUSTAKA

Silfvast, William T.2004. Laser Fundamental. Cambridge University Press
Weber, Marvin J.1999. Handbook of Laser Wavelengths.CRC Press
R.J. Carman, D.J.W. Brown, J.A. Piper.1994.A Self-Consistent Model for The Discharge Kinetics in A High-Repetitionrate Copper-Vapor Laser.IEEE J. Quant. Electron
M. Kogoma, S. Okazaki.1994.Raising of Ozone Formation Efficiency in A Homogeneous Glow Discharge Plasma at Atmospheric Pressure.J. Phys. D: Appl. Phys.
http://laser uap tembaga/CVL aplikasi/034.htm