Oleh karena itu, penemuan dari sinar laser baru menjadi sangat penting bagi berbagai macam bidang, termasuk pengawasan kualitas udara, diagnosis medis, keamanan negara, dan berbagai macam aplikasi kima. Laser tipe baru ini ditemukan di Princeton University oleh sepasang mahasiswa pascasarjana; Kale Franz, mahasiswa pasca sarcana Princeton’s Claire Gmachl di Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment (MIRTHE) Center dan Stefan Metzel, seorang mahasiswa sementara asal University of Sheffield, Inggris.
Kale Franz (Princeton Univ) dan Stefan Metzel (Sheffield Univ), penemu quantum cascade laser. (Sumber: Frank Wojchiechowski)
Pasangan ini, di bawah bimbingan Prof. Gmach, membuat sebuah peralatan laser metalik kecil yang dinamakan “quantum cascade laser”, hanya untuk menemukan bahwa secara tidak disengaja alat ini memancarkan dua -bukan satu- sinar laser. Sementara sinar pertama adalah sinar laser biasa, sinar kedua memiliki sifat yang tidak biasa, termasuk bahwa sinar ini tidak membutuhkan banyak energi. Kale Franz menjelaskan, “Penemuan ini akan membawa ide-ide baru bagi fisika laser. Jika kita bisa mematikan sinar yang biasa, akhirnya kita akan menggunakan laser yang lebih baik dan hemat energi.”
Metzel, seorang pelajar sementara di Princeton, tertarik pada sifat-sifat unik sinar kedua ketika memperdalam fenomena ini. Sinar ini, seperti seluruh laser, terdiri atas photon terurut yang koheren. Dalam sinar laser, photon bergerak secara berurutan, membuat laser memiliki warna, sinar, dan sifat yang berbeda. Sinar biasa dari matahari, reaksi kimia biasa, atau lampu listrik, memiliki photon yang tak berurut.
Adalah biasa untuk membuat laser dari gallium arsenide atau semikonduktor lain dengan melewatkan arus listrik melalui sirkuit yang dimanipulasi khusus, menyebabkan elektron tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi, lalu jatuh, dan menghasilkan emisi photon yang terurut dalam prosesnya. Laser seperti ini digunakan dalam media, laser pointer, dan alat lain. Alat Princeton, “quantum cascade laser”, adalah bentuk spesial dari laser semikonduktor yang diproduksi dalam skala nano. Tebalnya sepersepuluh dari rambut manusia, panjangnya 3 mm, dan terdiri atas lapisan setebal atom dari semikonduktor yang berbeda. Lapisan ini memancarkan photon yang terpancar secara berurut.
Sinar kedua dari quantum cascade laser diidentifikasi karena panjang gelombang yang lebih pendek daripada sinar utama. Tidak seperti laser biasa yang melemah pada temperatur tinggi, kekuatan laser ini meningkat sampai pada titik tertentu. Sifat inilah yang tak dapat dijelaskan dengan teori konvensional.
Laser baru ini ditemukan di alat quantum cascade laser, laser inframerah semikonduktor nano, seperti yang ditunjukkan di atas. Laser ini memancarkan dua sinar, dan bekerja lebih baik di temperatur tinggi. (Sumber: Frank Wojchiechowski)
Pasangan tersebut menjelaskan fenomena ini melalui konsep mekanika kuantum dari momentum elektron. Laser tradisional diproduksi oleh elektron dalam kesetimbangan, dimana sebagian besar memiliki energi tinggi dan momentum hampir nol. Laser baru ini hasil dari elektron energi rendah dan tak-setimbang, yang memiliki momentum lebih. Franz menjelaskan, “hal itu menunjukkan, berlawanan dengan apa yang kita yakini, elektron berguna untuk emisi laser meskipun dalam keadaan tak setimbang.”
Dalam tradisional laser, momentum rendah dari elektron menyebabkan photon dalam jumlah besar dihisap ulang, mengurangi efisiensi. Laser baru mengurangi fenomena ini sampai 90 persen, memungkinkan pengembangan dari laser yang ada sekarang. Laser baru juga meningkatkan performa dengan meningkatkan kekuatan pancaran di temperatur yang lebih tinggi.
Quantum cascade laser memancar di rentang infrared tengah dan jauh, tidak seperti laser biasa yang terlihat. Sinar IR ini sangat sempurna untuk deteksi kimiawi.
Penelitian lebih lanjut sedang dilakukan untuk mengetahui bagaimana mengisolasi dan mengoptimasi laser jenis baru, dan mungkin memperluasnya ke laser terlihat.
Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation (NSF) dan dilaporkan di jurnal Nature Photonics.
