Bab 5

Cahaya sebagai Foton dan Perangkat Optoelektronik

Deskripsi kuantum cahaya mengungkapkan sifat partikelnya sebagai foton. Interaksi foton-materi menjadi dasar seluruh perangkat optoelektronik: dari fotodioda yang mendeteksi cahaya, LED yang memancarkannya, sel surya yang mengubahnya menjadi listrik, hingga laser yang menghasilkan koherensi sempurna.

Hukum Einstein untuk Foton

Pada tahun 1905, Albert Einstein mengajukan hipotesis yang revolusioner: radiasi elektromagnetik tidak hanya terdiri dari gelombang, tetapi juga terkuantisasi menjadi paket-paket energi yang disebut foton. Proposal ini awalnya dimotivasi untuk menjelaskan efek fotolistrik — fenomena yang secara langsung bertentangan dengan prediksi teori gelombang klasik.

Hipotesis Foton — Einstein (1905)

Radiasi elektromagnetik dengan frekuensi $\nu$ terdiri dari foton-foton, masing-masing membawa:

$$\boxed{E = h\nu = \hbar\omega = \frac{hc}{\lambda}}$$ $$\boxed{p = \frac{h}{\lambda} = \hbar k}$$

di mana $h = 6{,}626 \times 10^{-34}\;\text{J·s}$ adalah konstanta Planck, $\hbar = h/(2\pi) = 1{,}055 \times 10^{-34}\;\text{J·s}$, dan $p$ adalah momentum foton.

Efek Fotolistrik

Ketika cahaya mengenai permukaan logam, elektron dapat terpancar. Teori gelombang klasik memprediksi bahwa energi elektron bergantung pada intensitas cahaya (amplitudo gelombang). Pengamatan menunjukkan sebaliknya:

  • Energi kinetik elektron bergantung pada frekuensi cahaya, bukan intensitas.
  • Terdapat frekuensi ambang $\nu_0$ di bawah mana tidak ada elektron terpancar.
  • Intensitas yang lebih tinggi hanya menghasilkan lebih banyak elektron, bukan elektron yang lebih energik.

Einstein menjelaskan semua ini dalam satu persamaan:

$$\boxed{E_k = h\nu - \phi = h(\nu - \nu_0)}$$

di mana $\phi = h\nu_0$ adalah fungsi kerja (work function) material — energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan.

Contoh — Efek Fotolistrik pada Sodium

Sodium memiliki fungsi kerja $\phi = 2{,}28\;\text{eV}$. Panjang gelombang cutoff: $\lambda_0 = hc/\phi = 1240/2{,}28 = 544\;\text{nm}$ (hijau). Cahaya dengan $\lambda = 400\;\text{nm}$ (ungu, $E = 3{,}10\;\text{eV}$) menghasilkan elektron dengan $E_k = 3{,}10 - 2{,}28 = 0{,}82\;\text{eV}$. Cahaya merah ($\lambda = 700\;\text{nm}$, $E = 1{,}77\;\text{eV}$) tidak menghasilkan elektron sama sekali karena $E < \phi$.

Dualitas Gelombang-Partikel

Foton memiliki sifat ganda yang tampak bertentangan: ia berperilaku sebagai partikel dalam interaksi (serapan, emisi, fotolistrik — energi dan momentum terkuantisasi) dan sebagai gelombang dalam perambatan (interferensi, difraksi — fase dan koherensi). Hubungan de Broglie (1924) memperluas dualitas ini ke seluruh partikel materi: $\lambda_{\text{de Broglie}} = h/p$. Neither the wave model nor the particle model alone is complete.

Interaksi Radiasi-Materi: Tiga Proses Fundamental

Einstein mengidentifikasi tiga proses fundamental yang terjadi ketika radiasi dengan frekuensi $\nu \approx \nu_0 = (E_2 - E_1)/h$ berinteraksi dengan sistem dua tingkat energi ($E_1$ dan $E_2 > E_1$).

Serapan (Absorption)

Atom pada tingkat rendah $E_1$ menyerap sebuah foton dan bertransisi ke $E_2$. Laju serapan proporsional terhadap densitas radiasi dan jumlah atom di tingkat bawah:

$$R_{\text{abs}} = B_{12}\, u(\nu)\, N_1$$

Emisi Spontanan (Spontaneous Emission)

Atom pada $E_2$ secara spontan "jatuh" ke $E_1$ dan memancarkan foton. Proses ini tidak dipicu oleh radiasi eksternal — terjadi secara acak dalam arah, fase, dan polarisasi:

$$R_{\text{sp}} = A_{21}\, N_2$$

Emisi Terstimulasi (Stimulated Emission)

Atom pada $E_2$ yang terkena foton dengan $\nu \approx \nu_0$ dapat "dipaksa" untuk bertransisi ke $E_1$, memancarkan foton kedua yang identik dengan foton yang menstimulasi: sama frekuensi, fase, arah, dan polarisasi:

$$R_{\text{stim}} = B_{21}\, u(\nu)\, N_2$$
E₁ E₂ hν Serapan E₁ E₂ hν (acak arah, fase) Emisi Spontanan E₁ E₂ hν hν (identik) Emisi Terstimulasi
Gambar 5.1 — Tiga proses fundamental interaksi radiasi-materi pada sistem dua tingkat. Emisi terstimulasi menghasilkan foton yang identik (frekuensi, fase, arah, polarisasi) dengan foton yang menstimulasi — inilah dasar amplifikasi cahaya pada laser.

Relasi Koefisien Einstein

Ketiga koefisien $A_{21}$, $B_{12}$, dan $B_{21}$ tidak independen. Dari keseimbangan termodinamika pada suhu $T$ dan sifat radiasi benda hitam, Einstein menurunkan dua relasi fundamental.

Relasi Koefisien Einstein
$$\boxed{B_{12} = B_{21} \equiv B}$$ $$\boxed{\frac{A_{21}}{B_{21}} = \frac{8\pi h\nu^3}{c^3}}$$

Relasi pertama menyatakan bahwa probabilitas serapan dan emisi terstimulasi sama (untuk tingkat tak terdegenerasi). Relasi kedua menunjukkan bahwa emisi spontan menjadi semakin dominan pada frekuensi tinggi.

Rasio Emisi Terstimulasi terhadap Spontan

Dari relasi kedua:

$$\frac{R_{\text{stim}}}{R_{\text{sp}}} = \frac{B\, u(\nu)}{A_{21}} = \frac{c^3}{8\pi h\nu^3}\, u(\nu)$$

Densitas energi radiasi benda hitam (hukum Planck):

$$u(\nu) = \frac{8\pi h\nu^3}{c^3}\frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1}$$

Sehingga:

$$\frac{R_{\text{stim}}}{R_{\text{sp}}} = \frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1}$$

Pada suhu kamar ($T = 300\;\text{K}$) dan frekuensi optik ($\nu \sim 5 \times 10^{14}\;\text{Hz}$): $h\nu/kT \approx 80$, sehingga $R_{\text{stim}}/R_{\text{sp}} \approx e^{-80} \approx 10^{-35}$. Emisi terstimulasi sepenuhnya tertutup oleh emisi spontan pada kesetimbangan termal!

Implikasi Penting untuk Laser

Karena rasio terstimulasi/spontanan sangat kecil pada frekuensi optik, laser memerlukan dua kondisi yang tidak tercapai secara alami: (1) inversi populasi ($N_2 > N_1$, melanggar distribusi Boltzmann) untuk membuat $R_{\text{stim}} > R_{\text{abs}}$, dan (2) rongga resonansi optik untuk meningkatkan $u(\nu)$ secara drastis di atas nilai benda hitam melalui akumulasi foton-foton identik.

Turunan Hukum Planck dari Koefisien Einstein

Pada tahun 1917, dua belas tahun setelah hipotesis fotonya, Einstein menunjukkan bahwa hukum distribusi radiasi benda hitam — yang sebelumnya diperoleh Planck melalui argumen semi-klasik pada tahun 1900 — dapat diturunkan secara murni dari mekanika kuantum. Turunan ini merupakan salah satu puncak keindahan fisika teoretis dan memberikan justifikasi terkuat untuk teori foton.

Hukum Planck dari Koefisien Einstein

Langkah 1: Keseimbangan detail pada dua tingkat.

Pada kesetimbangan termodinamika, laju transisi naik harus sama dengan laju transisi turun:

$$ \underbrace{B_{12} \cdot u(\nu) N_1}_{\text{serapan}} = \underbrace{A_{21} N_2}_{\text{emisi spontan}} + \underbrace{B_{21} \cdot u(\nu) N_2}_{\text{emisi terstimulasi}} $$

Langkah 2: Distribusi populasi Boltzmann.

Pada kesetimbangan termal, rasio populasi dua tingkat energi (untuk tingkat tak terdegenerasi, $g_1 = g_2$):

$$\frac{N_2}{N_1} = e^{-h\nu/kT}$$

Langkah 3: Substitusi dan selesaikan untuk $u(\nu)$.

Dari langkah 1, faktorkan $u(\nu)$:

$$B\, u(\nu)\,(N_1 - N_2) = A_{21}\, N_2$$
$$u(\nu) = \frac{A_{21}}{B}\,\frac{N_2}{N_1 - N_2} = \frac{A_{21}}{B}\,\frac{1}{\dfrac{N_1}{N_2} - 1}$$

Substitusikan distribusi Boltzmann:

$$u(\nu) = \frac{A_{21}}{B}\,\frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1}$$

Langkah 4: Gunakan relasi Einstein kedua.

Dengan $\dfrac{A_{21}}{B} = \dfrac{8\pi h\nu^3}{c^3}$, diperoleh:

$$\boxed{u(\nu) = \frac{8\pi h\nu^3}{c^3}\,\frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1}}$$

Inilah hukum Planck untuk densitas energi radiasi benda hitam per satuan frekuensi — diturunkan sepenuhnya dari prinsip kuantum, tanpa asumsi klasik apa pun.

Bentuk dalam Panjang Gelombang dan Radiansi Spektral

Melalui transformasi variabel $u(\nu)\,d\nu = u(\lambda)\,d\lambda$ dengan $|\mathrm{d}\nu/\mathrm{d}\lambda| = c/\lambda^2$:

$$u(\lambda) = \frac{8\pi h c}{\lambda^5}\,\frac{1}{e^{hc/\lambda kT} - 1}$$

Radiansi spektral (spectral radiance) — kuantitas yang terukur eksperimen — diperoleh dari $u(\lambda)$ dengan faktor geometri untuk radiasi isotropik:

$$L(\lambda) = \frac{c}{4\pi}\,u(\lambda) = \frac{2hc^2}{\lambda^5}\,\frac{1}{e^{hc/\lambda kT} - 1}$$
L(λ) λ 0.5μm 1μm 2μm 5μm T = 5778 K (matahari) T = 3000 K Wien (~1/λ⁵) Rayleigh-Jeans (~1/λ⁴) λ_peak
Gambar 5.2 — Kurva Planck untuk dua suhu. Pada $\lambda \ll \lambda_{\text{peak}}$, kurva mendekati hukum Wien ($L \propto 1/\lambda^5$). Pada $\lambda \gg \lambda_{\text{peak}}$, mendekati hukum Rayleigh-Jeans klasik ($L \propto 1/\lambda^4$). Pergeseran $\lambda_{\text{peak}}$ ke kanan saat $T$ naik (hukum pergeseran Wien).
Signifikan Historis

Turunan ini (Einstein, 1917) memberikan bukti kuat bahwa radiasi benda hitam terkuantisasi — setiap mode frekuensi $\nu$ pada rongga berisi bilangan bulat foton $n_\nu = u(\nu)/(h\nu)$. Dari sini, Einstein dan Bose mengembangkan teori statistik Bose-Einstein untuk foton (1924), yang kemudian menginspirasi teori statistik Fermi-Dirac untuk elektron (1926). Rantai penalaran ini membentuk jembatan langsung dari kuantisasi cahaya (1905) ke mekanika kuantum lengkap (1925–1927).

Contoh — Panjang Gelombang Puncak dan Hukum Wien

Panjang gelombang puncak $\lambda_{\text{max}}$ diperoleh dengan menset $\mathrm{d}u/\mathrm{d}\lambda = 0$. Untuk solusi Planck, hasilnya memenuhi persamaan transendental $x(1 - e^{-1/x}) = 5$ dengan $x = hc/(\lambda_{\text{max}} kT)$, yang memiliki solusi numerik $x \approx 4{,}965$. Sehingga:

$$\lambda_{\text{max}} \approx \frac{hc}{4{,}965\, kT} = \frac{2898\;\mu\text{m·K}}{T}$$

Ini adalah hukum pergeseran Wien. Untuk matahari ($T \approx 5778\;\text{K}$): $\lambda_{\text{max}} \approx 501\;\text{nm}$ (hijau), yang konsisten dengan Gambar 5.2.

Struktur Band Elektronik dan Band Gap

Dalam kristal padat, tingkat energi diskret atom individual melebar menjadi pita-pita energi (energy bands) akibat interaksi kuantum antar atom yang berdekatan.

Definisi — Band Gap
$$\boxed{E_g = E_c - E_v}$$

$E_v$: puncak band valensi (terisi elektron pada $T = 0$). $E_c$: dasar band konduksi (kosong pada $T = 0$). $E_g$: celah energi di mana tidak ada keadaan elektronik yang diperbolehkan.

Langsung vs Tak Langsung

Band gap langsung: minimum band konduksi dan maksimum band valensi terjadi pada momentum kristal yang sama ($k$ sama). Transisi langsung memancarkan foton secara efisien (penting untuk LED dan laser).

Band gap tak langsung: minimum dan maksimum terjadi pada $k$ yang berbeda. Transisi memerlukan perubahan momentum kristal, yang diberikan oleh fonon (getaran jaringan). Efisiensi radiatif jauh lebih rendah.

MaterialJenis$E_g$ (eV)$\lambda_{\text{cutoff}}$ (nm)Aplikasi Utama
SiTak langsung$1{,}12$$1107$Elektronik, fotodioda, surya
GeTak langsung$0{,}66$$1879$Fotodioda IR
GaAsLangsung$1{,}42$$873$LED, laser, fotodioda cepat
InPLangsung$1{,}35$$919$Laser telekomunikasi
InGaAsPLangsung$0{,}75$–$1{,}35$$919$–$1653$Laser $1{,}3$–$1{,}55\;\mu\text{m}$
GaNLangsung$3{,}4$$365$LED biru/UV, laser biru
InGaNLangsung$0{,}7$–$3{,}4$$365$–$1771$LED putih (blue + fosfor)
CdTeLangsung$1{,}45$$855$Sel surya thin-film
PerovskiteLangsung$1{,}2$–$2{,}3$$539$–$1033$Sel surya generasi baru
Mengapa Si Bukan Pilihan Baik untuk LED?

Silikon memiliki band gap tak langsung. Transisi radiatif memerlukan partisipasi fonon (probabilitas rendah), sementara transisi non-radiatif (rekombinasi melalui defek/trap) mendominasi. Rasio radiatif/non-radiatif sangat kecil, membuat efisiensi internal LED Si < $10^{-4}$. Inilah mengapa LED praktis menggunakan material band gap langsung (GaAs, InGaN, dll.), meskipun Si jauh lebih murah dan mature secara teknologi.

Junction PN sebagai Fotodetektor

Fotodioda memanfaatkan emisi spontan dari rekombinasi radiatif electron-hole di junction PN yang dibiasakan mundur (reverse bias). Pada bias mundur, daerah depletion melebar dan medan listrik internal kuat.

P Depletion N − − − − + + + + E hν > E_g e⁻ h⁺ R_L I_ph → +V −V
Gambar 5.3 — Fotodioda PN junction dengan bias mundur. Foton dengan $h\nu > E_g$ menciptakan pasangan elektron-hole di daerah depletion; medan listrik internal memisahkan carrier, menghasilkan arus fotolistrik $I_{\text{ph}}$ melalui beban $R_L$.

Karakteristik I-V fotodioda:

$$I = I_s\!\left(e^{eV/nkT} - 1\right) - I_{\text{ph}}$$
Responsivitas dan Kuantum Efisiensi
$$\mathcal{R} = \frac{I_{\text{ph}}}{P_{\text{opt}}} = \frac{\eta\, e}{h\nu} = \frac{\eta\, e\,\lambda}{hc} \quad [\text{A/W}]$$ $$\eta = \frac{\text{pasangan e-h terkumpul}}{\text{foton masuk}} \times 100\%$$

Batas teoretis: $\mathcal{R}_{\max} = \lambda/1{,}24\;\text{A/W}$ (untuk $\lambda$ dalam nm dan $\eta = 100\%$). Pada $\lambda = 800\;\text{nm}$: $\mathcal{R}_{\max} = 0{,}645\;\text{A/W}$.

Jenis Fotodioda

TipeKeunggulanBandwidthAplikasi
PNSederhana, murah~MHzSensor cahaya umum
PINDepletion luas, efisiensi & kecepatan tinggi~10 GHzKomunikasi optik
APDGain internal ($M \sim 10$–$100$)~GHzDeteksi sinyal lemah

LED (Light Emitting Diode)

LED memanfaatkan emisi spontan dari rekombinasi radiatif electron-hole di junction PN yang dibiasakan maju (forward bias). Injeksi carrier menyebabkan akumulasi minoritas di sisi berlawanan yang berekombinasi memancarkan foton.

$$\lambda_{\text{emisi}} \approx \frac{1{,}24}{E_g\;[\text{eV}]}\;\mu\text{m}$$
Efisiensi Kuantum Internal
$$\eta_{\text{int}} = \frac{R_r}{R_r + R_{nr}} = \frac{\tau}{\tau_r} = \frac{1}{1 + \tau_r/\tau_{nr}}$$

di mana $\tau_r$ dan $\tau_{nr}$ adalah waktu hidup radiatif dan non-radiatif, $\tau = (\tau_r^{-1} + \tau_{nr}^{-1})^{-1}$ adalah waktu hidup total. LED efisien memerlukan $\tau_r \ll \tau_{nr}$ (material band gap langsung berkualitas tinggi).

Masalah besar pada LED: ekstraksi cahaya. Karena $n_{\text{semikonduktor}} \approx 3{,}5$, sudut kritis TIR hanya $\sim 17°$, sehingga sebagian besar foton terperangkap di dalam chip oleh TIR dari antarmuka semikonduktor–udara. Teknik ekstraksi: lensa epoxi, shaped chip, textured surface, substrate transparan.

Contoh — LED Putih dari LED Biru + Fosfor

LED InGaN biru ($\lambda \approx 450\;\text{nm}$) dilapisi fosfor kuning (YAG:Ce$^{3+}$) yang menyerap sebagian cahaya biru dan memancarkan fluoresensi kuning ($\sim 570\;\text{nm}$). Campuran biru + kuning yang tepat menghasilkan cahaya putih. Efisiensi modern: $>150\;\text{lm/W}$ (jauh melampaui bohlam pijar $\sim 15\;\text{lm/W}$). Hadiah Nobel Fisika 2014 diberikan untuk penemuan ini (Akasaki, Amano, Nakamura).

Sel Fotovoltaik (Solar Cell)

Sel surya pada dasarnya adalah junction PN besar yang dioperasikan tanpa bias eksternal. Cahaya matahari menciptakan pasangan carrier yang dipisahkan oleh medan depletion, menghasilkan fotovoltage.

Karakteristik I-V Sel Surya
$$I = I_{\text{ph}} - I_s\!\left(e^{eV/nkT} - 1\right)$$

Short circuit ($V = 0$): $I_{\text{sc}} = I_{\text{ph}}$. Open circuit ($I = 0$):

$$V_{\text{oc}} = \frac{nkT}{e}\ln\!\left(\frac{I_{\text{ph}}}{I_s} + 1\right) \approx \frac{nkT}{e}\ln\!\left(\frac{I_{\text{ph}}}{I_s}\right)$$
Parameter Performa Sel Surya
$$\text{FF} = \frac{V_{\text{mp}} \cdot I_{\text{mp}}}{V_{\text{oc}} \cdot I_{\text{sc}}}, \qquad \eta = \frac{V_{\text{mp}} \cdot I_{\text{mp}}}{P_{\text{in}}} = \frac{V_{\text{oc}} \cdot I_{\text{sc}} \cdot \text{FF}}{P_{\text{in}}}$$

$P_{\text{in}} = 1000\;\text{W/m}^2$ (standar AM1.5G). FF tipikal: $0{,}7$–$0{,}85$. Sel komersial Si: $\eta \approx 20$–$24\%$.

I V gelap I_sc V_oc MPP V_mp I_mp P_max
Gambar 5.4 — Kurva I-V sel surya: tanpa illuminasi (putus-putus) dan dengan illuminasi (garis tebal). Luas persegi merah muda = $P_{\text{max}} = V_{\text{mp}} \times I_{\text{mp}}$. Titik MPP (Maximum Power Point) ditentukan oleh $\frac{d(IV)}{dV} = 0$.

Laser

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) memanfaatkan emisi terstimulasi untuk menghasilkan cahaya koheren. Tiga komponen utama:

  1. Medium aktif: material yang menyediakan transisi radiatif (gas, padatan, semikonduktor, cairan).
  2. Pompa: mekanisme pencapaian inversi populasi (optik, injeksi arus, discharge listrik).
  3. Rongga resonansi optik: cermin yang memantulkan foton bolak-balik melalui medium aktif untuk amplifikasi.

Inversi Populasi

Pada kesetimbangan termal, $N_2 < N_1$ (distribusi Boltzmann). Agar amplifikasi terjadi, diperlukan:

$$\boxed{N_2 > N_1}$$

Inversi populasi adalah keadaan non-kesetimbangan. Pada sistem dua tingkat, hal ini mustahil dicapai karena $B_{12} = B_{21}$ menyebabkan saturasi pada $N_1 = N_2$. Diperlukan minimal sistem tiga tingkat atau empat tingkat.

E₁ E₂ E₃ 3 Tingkat pompa cepat laser hν = E₂−E₁ E₁ E₂ E₃ E₄ 4 Tingkat pompa cepat laser
Gambar 5.5 — Diagram energi sistem tiga tingkat (kiri) dan empat tingkat (kanan). Pompa mengisi tingkat atas; decay cepat non-radiatif ke tingkat laser membangun inversi populasi; transisi laser menghasilkan foton. Sistem empat tingkat lebih efisien karena tingkat laser $E_2$ hampir kosong.

Tiga tingkat: pompa $E_1 \to E_3$, decay cepat non-radiatif $E_3 \to E_2$, laser $E_2 \to E_1$. Masalah: $N_2$ tidak pernah melebihi $N_1$ karena keduanya terhubung langsung oleh transisi laser.

Empat tingkat: pompa $E_1 \to E_4$, decay cepat $E_4 \to E_3$, laser $E_3 \to E_2$. Tingkat $E_2$ "kosong" (populasi rendah), sehingga $N_3 > N_2$ lebih mudah dicapai dan dipertahankan.

Kondisi Ambang Laser

Untuk mulai berlaser, gain harus menyamai kerugian total rongga dalam satu trip bolak-balik:

$$\boxed{\Gamma\, g_{\text{th}}\, L = -\frac{1}{2}\ln(R_1 R_2) = \alpha_i\, L + L_{\text{scat}} + L_{\text{out}}}$$

di mana $\Gamma$ adalah faktor konfinemen (fraksi mode yang berada di medium aktif), $g_{\text{th}}$ adalah koefisien gain ambang per satuan panjang, $L$ adalah panjang medium aktif, $R_1, R_2$ adalah reflektivitas cermin, dan $\alpha_i$ adalah koefisien absorpsi internal.

Di atas ambang, intensitas intra-rongga tumbuh eksponensial. Output laser:

$$P_{\text{out}} = P_{\text{sat}}\left(\frac{I}{I_{\text{th}}} - 1\right)\eta_{\text{out}}$$

di mana $P_{\text{sat}}$ adalah daya saturasi, $I_{\text{th}}$ adalah arus ambang, dan $\eta_{\text{out}} = -\ln(R_2)/(2\Gamma g L)$ adalah efisiensi ekstraksi.

Laser Semikonduktor

Pada laser semikonduktor, inversi populasi dicapai melalui injeksi arus maju pada junction PN atau struktur double heterostructure. Keunggulan double heterostructure: medium aktif (lapisan tipis band gap kecil) diapit oleh cladding (band gap besar) yang menyediakan konfinemen baik carrier maupun optik.

Jenis LaserMedium Aktif$\lambda$ TipikalKarakteristik
He-NeGas campuran$632{,}8\;\text{nm}$Visibel, koherensi tinggi, daya rendah (mW)
CO₂Gas molekuler$10{,}6\;\mu\text{m}$IR, daya tinggi (kW), pemotongan
Nd:YAGKristal padat$1064\;\text{nm}$Near-IR, daya menengah-tinggi
Ti:SafirKristal padat tunable$660$–$1100\;\text{nm}$Tunable, femtosecond pulse
InGaAsPSemikonduktor$1{,}3$–$1{,}55\;\mu\text{m}$Telekomunikasi, kecil, efisien
GaNSemikonduktor$405$–$450\;\text{nm}$Blu/violet, BD/Blu-ray
Fiber laserFiber terdop (Er, Yb)$1030$–$1550\;\text{nm}$Daya sangat tinggi (kW–kW), kualitas beam
Sifat Unik Cahaya Laser

Laser menghasilkan cahaya dengan tiga sifat yang tidak dimiliki oleh sumber konvensional:

  • Koherensi temporal: monokromatik (satu frekuensi, $\Delta\nu$ sangat kecil).
  • Koherensi spasial: profil berkas teratur (divergensi sangat rendah).
  • Koherensi fasa: fasa terkorelasi di seluruh penampang berkas dan sepanjang waktu.

Ketiga sifat ini memungkinkan interferensi pada jarak jauh, fokus ke titik sangat kecil, dan transmisi data pada laju sangat tinggi.

Latihan Bab 5
  1. Hitung energi dan momentum foton untuk (a) cahaya hijau $\lambda = 550\;\text{nm}$, (b) sinar X $\lambda = 0{,}1\;\text{nm}$, (c) radiasi mikrowave $\nu = 10\;\text{GHz}$. Nyatakan dalam eV dan kg·m/s.
  2. Dari distribusi Boltzmann $N_2/N_1 = e^{-h\nu/kT}$, hitung rasio $N_2/N_1$ untuk transisi GaAs ($E_g = 1{,}42\;\text{eV}$) pada $T = 300\;\text{K}$. Apakah inversi populasi tercapai secara termal? Pada suhu berapa $N_2/N_1 = 1$?
  3. Dari kurva Planck $u(\nu)$, tunjukkan bahwa pada $h\nu \ll kT$, distribusi mendekati $u(\nu) \approx 8\pi\nu^2 kT/c^3$ (hukum Rayleigh-Jeans klasik). Kapan aproksimasi ini valid dan kapan gagal?
  4. Sebuah fotodioda Si ($\eta = 0{,}8$ pada $\lambda = 800\;\text{nm}$) menerima daya optik $10\;\mu\text{W}$. Hitung (a) responsivitas $\mathcal{R}$, (b) arus fotolistrik $I_{\text{ph}}$, dan (c) jumlah foton per detik yang diterima.
  5. Sel surya Si memiliki $I_{\text{sc}} = 40\;\text{mA/cm}^2$, $V_{\text{oc}} = 0{,}62\;\text{V}$, dan FF $= 0{,}78$ pada illuminasi AM1.5G. Hitung efisiensi $\eta$. Jika sel ini memiliki area $156{,}25\;\text{cm}^2$ (standar 6 inci), berapa daya keluaran maksimumnya?
  6. LED GaAs memiliki $\eta_{\text{int}} = 0{,}70$ dan $\eta_{\text{ekstraksi}} = 0{,}30$. Jika arus operasi $20\;\text{mA}$ pada $V = 1{,}8\;\text{V}$, hitung (a) daya listrik masukan, (b) daya optik keluaran, dan (c) efisiensi dinding-plug (wall-plug efficiency).
  7. Jelaskan mengapa sistem laser tiga tingkat sulit mencapai inversi populasi yang stabil, sedangkan sistem empat tingkat lebih mudah. Gunakan argumen berdasarkan laju relatif dari ketiga proses Einstein.
  8. Sebuah laser semikonduktor InGaAsP memiliki panjang rongga $L = 300\;\mu\text{m}$, $\Gamma = 0{,}3$, $R_1 = 0{,}99$, $R_2 = 0{,}30$ (satu sisi cermin HR, satu sisi output), dan $\alpha_i = 10\;\text{cm}^{-1}$. Hitung (a) kerugian cermin total $-\frac{1}{2}\ln(R_1 R_2)$, (b) kerugian internal, dan (c) $g_{\text{th}}$.
  9. Bandingkan dan kontraskan prinsip kerja LED dan laser dari perspektif: (a) jenis emisi (spontan vs terstimulasi), (b) kebutuhan struktur (hanya junction vs junction + rongga), (c) sifat cahaya keluaran (koherensi, spektrum, divergensi), dan (d) aplikasi yang paling cocok untuk masing-masing.
Sebelumnya
Bab 4: Pandu Gelombang & Serat Optik
Kembali
Halaman Utama