Dioda Laser: Pengertian, Simbol, Fungsi, Cara Kerja dan Aplikasi

Dioda Laser

Apakah Anda pernah mendengar tentang dioda laser? Sebuah komponen elektronik yang mampu menghasilkan radiasi kohern dalam bentuk sinar inframerah. Meski terlihat serupa dengan dioda pada umumnya, namun dioda laser memiliki kemampuan untuk memancarkan sinar inframerah yang terfokus dan terang pada fase tertentu.

Dalam artikel ini, kita akan membahas secara rinci tentang dioda laser. Anda akan mempelajari pengertian, fungsi, jenis, gambar simbol, pengaplikasian, dan tentu saja cara kerjanya. Tak hanya itu, kita juga akan membahas bagaimana dioda laser telah digunakan di berbagai bidang seperti teknologi, medis, dan telekomunikasi. Yuk, simak informasi lengkapnya di bawah ini!

Pengertian Dioda Laser

Dioda laser merupakan sebuah jenis komponen elektronik yang mampu menghasilkan sinar kohern dalam bentuk spektrum inframerah. Meski secara fisik terlihat seperti dioda biasa, dioda laser memiliki kelebihan unik yang membedakannya dari jenis dioda lainnya. Pada kondisi tertentu, dioda laser mampu menghasilkan sinar inframerah yang terfokus dan sangat terang.

Dalam proses kerjanya, dioda laser membutuhkan arus listrik dengan frekuensi dan fase yang sama untuk menghasilkan gelombang kohern yang nantinya akan membentuk spektrum inframerah. Radiasi elektromagnetik yang dihasilkan kemudian dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, seperti dalam bidang medis, teknologi, telekomunikasi, dan lainnya.

Namun, meski dioda laser telah banyak dimanfaatkan dalam berbagai aplikasi, sinar laser yang dihasilkan tetap memiliki sifat yang berbeda-beda. Ada sinar laser yang dapat dilihat dengan mata telanjang, sementara ada pula yang tidak. Oleh karena itu, penggunaan alat bantu khusus menjadi sangat penting untuk dapat melihat sinar laser yang dihasilkan oleh dioda laser.

Fungsi Dioda Laser

Perbedaan mendasar antara dioda laser dan dioda biasa adalah dari cahaya yang dihasilkannya. Di dalam dioda laser, listrik yang masuk akan langsung diubah menjadi cahaya yang terfokus.

Cahaya yang dihasilkan oleh dioda laser adalah cahaya laser, singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Cahaya laser dihasilkan melalui proses stimulasi emisi foton, di mana emisi foton akan merangsang emisi foton yang lain sehingga tercipta cahaya laser yang memiliki panjang gelombang, koherensi, dan fase yang sama.

Salah satu ciri khas dari cahaya laser adalah cahayanya tidak menyebar dan terfokus lurus ke satu titik, sehingga menghasilkan energi panas yang cukup tinggi pada titik tersebut.

Dioda laser memiliki beragam fungsi yang sangat luas, di antaranya:

  • Sebagai alat bantu pengukur jarak, seperti pada alat pengukur jarak laser yang digunakan dalam konstruksi dan survei.
  • Sebagai penunjuk laser, misalnya dalam presentasi atau sebagai alat bantu pengajaran.
  • Sebagai alat bidik, seperti pada senapan atau pistol yang menggunakan laser sight untuk memperbaiki akurasi bidikan.
  • Sebagai pembaca barcode khusus pada industri atau perdagangan.
  • Sebagai laser pemotong pada industri manufaktur, seperti dalam industri logam atau kain.
  • Sebagai komponen pada peralatan bedah medis, seperti endoskopi atau pengobatan laser pada kulit.
  • Sebagai sumber cahaya pada lampu sorot, khususnya pada panggung dan produksi teater atau konser musik.
  • Sebagai pemutar optik pada perangkat VCD/DVD.
  • Sebagai komponen dalam perangkat spektometri untuk analisis spektrum cahaya.
  • Sebagai sumber cahaya pada komunikasi serat optik, seperti dalam jaringan telekomunikasi dan kabel serat optik.

Tentu saja, ada banyak lagi aplikasi dioda laser yang dapat ditemukan dalam berbagai bidang, karena kemampuannya dalam menghasilkan sinar kohern dan fokus yang tinggi.

Simbol Dioda Laser

Dalam rangkaian elektronika, simbol dioda laser memiliki gambar yang mudah dikenali. Simbol dioda laser akan digambarkan melalui ilustrasi pada gambar sebagai berikut:

Simbol Dioda Laser

Cara Kerja Dioda Laser

Pada umumnya, dioda laser bekerja berdasarkan 3 prinsip yang berbeda.

Berikut adalah 3 prinsip kerja dioda laser:

  1. Penyerapan energi
  2. Emisi spontan
  3. Emisi terstimulasi

Berikut adalah penjelasan lebih lanjut mengenai setiap prinsip kerja dioda laser:

1. Penyerapan energi

Ketika dioda laser menerima arus listrik, PN junction (persimpangan PN) di dalamnya akan menyerap energi listrik yang masuk. Proses ini mengakibatkan terjadinya transisi elektron dari tingkat energi yang lebih rendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi.

PN junction merupakan komponen dalam dioda laser yang berfungsi sebagai tempat bagi hole dan elektron. Saat arus listrik melewati persimpangan PN, elektron akan terstimulasi dan terlepas dari hole.

Setelah terlepas, elektron akan tetap berada dalam keadaan eksitasi selama beberapa waktu dan tidak akan bergabung kembali dengan hole. Waktu rekomboansi elektron ini relatif singkat, hanya beberapa nano detik. Penting untuk dicatat bahwa proses terstimulasinya elektron hanya berlangsung dalam waktu yang sangat singkat.

2. Emisi Spontan

Setelah recombination time berakhir, terjadi penggabungan antara elektron dan hole di PN junction, membentuk transisi dari tingkat tinggi ke rendah. Selama transisi terjadi, foton dan radiasi elektromagnetik akan dipancarkan. Emisi spontan ini menghasilkan cahaya yang akan keluar dari dioda laser.

Cahaya laser yang dihasilkan mempunyai panjang gelombang dan fase yang sama serta tidak menyebar ke samping, melainkan terpancar lurus dan terfokus. Itulah mengapa dioda laser dapat dipakai untuk berbagai keperluan, seperti pengukur jarak, penunjuk laser, alat bidik, pemotong, perlengkapan bedah medis, dan lain sebagainya.

3. Emisi Terstimulasi

Untuk menghasilkan cahaya monokromatik yang lebih kuat, dibutuhkan lebih banyak foton kohern yang dipantulkan dibandingkan pada proses emisi spontan. Inilah sebabnya mengapa dibutuhkan proses emisi terstimulasi.

Untuk memantulkan foton kohern yang lebih banyak, cermin pantul ditempatkan pada dua sisi dioda. Prinsip ini membantu menjebak foton yang berasal dari emisi spontan di dalam PN junction.

Ketika foton terperangkap mencapai batas maksimal, foton akan melepaskan diri dan sebagian keluar dari dioda. Pancaran foton yang dihasilkan inilah yang kemudian menghasilkan radiasi monokromatik yang kuat dan cerah sebagai output dari dioda laser.

Jenis-Jenis Dioda Laser

Jenis-Jenis Dioda Laser

Dioda laser merupakan suatu jenis komponen elektronika yang memiliki kemampuan untuk mengonversi energi listrik menjadi energi cahaya. Dibandingkan dengan jenis dioda biasa, dioda laser mampu menghasilkan cahaya dengan beam atau pancaran yang lebih terfokus dan intensitas yang lebih tinggi.

1. Jenis Dioda Berdasarkan Cara Kerjanya

Berdasarkan cara kerjanya, dioda laser dapat dibedakan menjadi dua macam, diantaranya:

  • Injection Laser Dioda (ILD)

Jenis pertama dari dioda laser adalah Injection Laser Dioda (ILD), yang sebenarnya memiliki prinsip kerja yang hampir sama dengan teknologi Light Emitting Dioda (LED). Namun, pada ILD terdapat penggunaan waveguide dalam konstruksinya. Waveguide sendiri merupakan kanal sempit yang panjang dan memiliki ujung reflektif.

Pada proses kerja ILD, cahaya akan mengalir melalui PN junction pada waveguide. Cahaya ini berasal dari pancaran foton yang dihasilkan oleh emisi spontan. Cahaya yang masuk pada persimpangan PN akan diperkuat dan kemudian direfleksikan pada waveguide. Selanjutnya, cahaya akan diubah menjadi cahaya yang mengandung emisi terstimulasi yang siap dipancarkan keluar.

  • Optically Pumped Semiconductor Laser (OPSL)

OPSL atau Optically Pumped Semiconductor Laser adalah jenis dioda laser yang berfungsi sebagai sumber pompa cahaya. OPSL menggunakan chip semikonduktor tipe III-V sebagai media optik yang membantu menguatkan optik dan sebagai sumber pompa.

Chip semikonduktor yang digunakan pada OPSL ini memiliki keunggulan tersendiri dibandingkan dengan jenis ILD, salah satunya adalah kemampuan untuk melakukan pemulihan panjang gelombang yang dapat mengurangi gangguan pada struktur elektroda internal.

Keuntungan lain dari OPSL adalah kemampuannya untuk menghasilkan cahaya dengan spektrum yang lebih luas. Hal ini berkat kemampuan chip semikonduktor dalam menstimulasi atom-atom yang terdapat dalam medium laser.

Selain itu, dioda laser jenis OPSL juga lebih efisien dalam mengubah energi listrik menjadi energi cahaya. Sehingga OPSL sering digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti dalam bidang pengolahan material, bidang kesehatan, dan lain sebagainya.

2. Jenis Dioda Berdasarkan Strukturnya

Selain berdasarkan cara kerjanya, dioda juga dibedakan berdasarkan struktur konstruksinya. Diantara jenis struktur dioda laser adalah:

  • Double Heterostrucktur

Dioda laser double heterostructure mendapatkan namanya dari struktur selubung ganda yang dimilikinya. Pada jenis dioda laser ini, terdapat dua lapisan selubung yang terbuat dari bahan yang berbeda yang ditempatkan pada persimpangan PN.

Dengan penggunaan selubung ganda pada konstruksinya, dioda laser double heterostructure memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan jenis dioda laser lainnya. Salah satunya adalah kemampuannya dalam menghasilkan penguatan optik yang lebih besar.

  • Quantum Well

Dioda laser quantum well atau dioda sumur quantum mempunyai struktur yang berbeda dari jenis dioda laser lainnya. Pada dioda laser quantum well, terdapat lapisan tipis di bagian tengah yang disebut dengan sumur quantum.

Untuk menghasilkan energi quantum, elektron harus melakukan proses transisi dari energi tinggi ke energi rendah. Proses transisi ini memungkinkan elektron untuk melepaskan energi dalam bentuk cahaya.

Keunggulan dioda laser quantum well terletak pada tingkat efisiensi yang lebih baik dibandingkan dengan dioda laser jenis lainnya, terutama dioda laser yang hanya menggunakan satu bahan semikonduktor. Dengan efisiensi yang lebih tinggi, dioda laser jenis ini cocok digunakan pada berbagai aplikasi yang memerlukan pancaran cahaya yang kuat.

  • Separate Confiment Heterostrucktur

Tipe dioda laser selanjutnya adalah separate compartment heterostructure yang merupakan penyempurnaan dari dioda quantum well. Berbeda dengan dioda quantum well yang memiliki komponen sumur quantum tipis dan kecil, separate compartment heterostructure dibuat dengan sistem selubung ganda terpisah.

Dalam dioda quantum well, sumur quantum yang tipis dan kecil dapat memengaruhi efektivitas pancaran cahaya. Oleh karena itu, pembuatan dioda separate compartment heterostructure bertujuan untuk meningkatkan kinerja dioda sehingga lebih optimal.

Konstruksi separate compartment heterostructure ditambahkan sistem selubung ganda pada tiga lapisan awal dioda. Tujuannya adalah menciptakan sistem indeks bias yang kecil dan meningkatkan efektivitas pancaran cahaya yang dihasilkan.

  • Vertical Cavity Surface Emitting

Dioda laser jenis Vertical Cavity Surface Emitting memiliki perbedaan dengan tiga jenis dioda sebelumnya dalam hal letak rongga optik. Pada dioda ini, rongga optik tidak berada tegak lurus dengan arus listrik, melainkan sejajar dengan sumbu aliran arus.

Dalam dioda laser jenis ini, cahaya dipancarkan dari permukaan dioda, sehingga penggunaannya lebih efektif dan efisien. Selain itu, penggunaan material semikonduktor III-V pada konstruksinya juga memberikan keunggulan tersendiri pada dioda laser ini.

Konstruksi Dioda Laser

Konstruksi Dioda Laser

Agar dapat berfungsi dengan optimal, dioda laser membutuhkan beberapa komponen penyusun yang berperan penting dalam menghasilkan pancaran cahaya.

Adapun komponen-komponen penyusun dioda laser adalah:

  • Kontak logam
  • Semikonduktor tipe P
  • Intrinsik layer (area aktif)
  • Semikonduktor tipe N
  • Kontak logam

Aplikasi Dioda Laser

Penggunaan dari dioda laser sendiri dapat ditemukan di berbagai bidang. Adapun beberapa kegunaan dioda laser adalah sebagai berikut:

1. Kegunaan Dioda Laser pada Bidang Medis

Dioda laser memiliki banyak manfaat dalam bidang medis karena dianggap lebih efektif dan akurat daripada alat-alat medis konvensional. Beberapa contoh penggunaannya dalam bidang medis, antara lain:

  • Penghapusan sel abnormal dalam tubuh, seperti pengangkatan tato atau pigmentasi kulit yang tidak diinginkan.
  • Penggunaan dioda laser dalam proses pengobatan gigi, misalnya untuk perawatan saluran akar atau penghilangan plak gigi.
  • Penggunaan dioda laser untuk pengobatan kanker, seperti terapi fotodinamik yang menggunakan fluoresensi untuk menghancurkan sel kanker.

2. Kegunaan Dioda Laser pada Bidang Industri

Dioda laser memiliki peran penting dalam bidang industri karena kemampuannya dalam melakukan berbagai tugas seperti memotong, mengebor, dan mengelas. Penerapan dioda laser dalam industri juga sangat berguna untuk meningkatkan efisiensi dan akurasi produksi. 

Beberapa contoh penggunaan dioda laser dalam industri antara lain dalam proses produksi elektronik, pengerjaan logam, dan pemasangan komponen pada kendaraan. Selain itu, dioda laser juga dapat digunakan dalam proses pemotongan bahan-bahan berbahaya seperti asbes, tanpa meninggalkan limbah berbahaya.

3. Penggunaan Dioda Laser pada Bidang Telekomunikasi

Dioda laser juga banyak digunakan dalam bidang telekomunikasi, terutama dalam sistem komunikasi serat optik dan fiber optik. Selain itu, dioda laser juga dapat digunakan untuk menghasilkan sinyal optik dalam pengiriman data, serta untuk melakukan deteksi optik dan penguatan sinyal optik pada jaringan telekomunikasi. Dengan kecepatan dan akurasi yang tinggi, penggunaan dioda laser dalam bidang telekomunikasi sangat membantu dalam mengirim dan menerima informasi dengan lebih efisien dan akurat.

Keunggulan Dioda Laser

Dioda laser memiliki lebih banyak keunggulan dibandingkan jenis teknologi penghasil laser lainnya. Berikut adalah beberapa nilai tambah penggunaan dioda laser pada berbagai bidang:

1. Intensitas Rendah dengan Efisiensi Tinggi

Dioda laser memiliki intensitas rendah, namun memiliki efisiensi kohern output yang tinggi. Karena hal ini, dioda laser lebih mudah untuk digunakan dalam aplikasi pengendalian dan modulasi komunikasi.

2. Sudut Beam yang Lebih Lebar

Laser konvensional pada umumnya memiliki bentuk lurus sehingga sulit dimodifikasi sudut kelebarannya.

Dioda laser memiliki sudut beam yang lebih lebar. Sinar yang lebih lebar dan membentuk kerucut membuatnya lebih mudah dimodifikasi.

3. Menggunakan Arus Listrik Tegangan Rendah

Dioda laser tidak membutuhkan listrik tegangan tinggi seperti laser konvensional. Sehingga, dioda laser tetap dapat digunakan meskipun dalam tegangan rendah.

4. Ukuran yang Kecil dan Ringan

Dioda laser memiliki ukuran yang kecil, sehingga sering digunakan pada perangkat elektronik portabel.

Ukuran dioda laser tidak hanya kecil, tetapi juga terbilang lebih ringan. Beberapa diantaranya bahkan hanya berukuran 1 mm dengan berat kurang dari 1 gram.

Kesimpulan

Dioda laser sangat berguna dalam menghasilkan radiasi kohern yang berupa sinar inframerah. Teknologi laser diode memberikan banyak keuntungan, seperti intensitas rendah, sudut beam lebar, listrik tegangan rendah, serta ukuran yang kecil dan ringan.

Karena keunggulan-keunggulannya ini, dioda laser bisa digunakan dalam berbagai bidang seperti industri, farmasi, dan telekomunikasi. Sebagai komponen semikonduktor yang efisien, dioda laser akan terus menjadi teknologi yang penting untuk masa depan.