Pinset Optik dan Pulsa Laser: Mainannya Fisikawan Laser

Penghargaan Nobel Fisika tahun 2018 telah diberikan kepada tiga fisikawan yang berperan besar mengembangkan perangkat laser dan teknik manipulasi laser, yang menjadi basis dari berbagai peralatan penting dalam kehidupan kita. Mereka adalah Arthur Ashkin, Gérard Mourou, dan Donna Strickland. Profesor Ashkin mendapatkan kredit terbesar atas penemuan pinset optik. Sementara itu, Profesor Mourou dan Strickland adalah dua peneliti pertama yang berhasil membuat laser ke dalam bentuk pulsa-pulsa yang sangat singkat (dalam orde 10^-15 detik), alih-alih sekadar cahaya kontinu.

Konsep laser sendiri sudah dikenal sejak tahun 1958, yang menjadi singkatan dari light amplification by stimulated emission of radiation (penguatan cahaya melalui emisi terangsang dari radiasi). Meskipun begitu, singkatan ini agak tidak tepat karena pada prosesnya cahaya tidak selalu diamplifikasi. Laser bekerja dengan cara menggetarkan elektron antara dua tingkat energi pada suatu material. Proses getaran itu dimulai dengan pemberian foton (kuanta cahaya) berenergi tertentu yang bersesuaian dengan selisih energi antara dua tingkat energi elektron sehingga merangsang emisi cahaya lanjutan dengan energi yang sama.

Energi foton yang dihasilkan dari osilasi elektron (maupun cahaya) sama dengan energi foton perangsang sehingga pada dasarnya cahaya perangsang bukan diperkuat, melainkan jumlah foton yang muncul jadi lebih banyak. Singkatan laser tetap dipertahankan untuk menghindari istilah “loser” (light oscillation by stimulated emission of radiation) andaikata kata “osilasi” dipaksakan masuk ke singkatan. Penemuan laser dengan konsep seperti itu telah menghasilkan penghargaan Nobel Fisika tersendiri pada tahun 1964 untuk trio Townes-Basov-Prokhorov.

Lantas, kenapa masih bisa ada penghargaan lagi untuk laser? Jawaban singkatnya, Ashkin-Mourou-Strickland berperan penting menghasilkan teknik manipulasi dan kontrol laser yang sangat fundamental sehingga aplikasi laser saat ini merambah berbagai bidang. Dengan mengontrol karakteristik laser, kita dapat membuka dunia baru untuk menjajaki material canggih maupun fenomena fisis lainnya di alam semesta.

Kita tahu dari pelajaran sekolah bahwa cahaya pada dasarnya adalah gelombang elektromagnetik. Artinya, ketika cahaya merambat dalam ruang, ada osilasi medan listrik dan medan magnet secara bersamaan. Kekuatan kedua medan ini membesar, mengecil, juga berganti arahnya dalam bentuk osilasi, dengan medan listrik dan medan magnet yang selalu sefase dan saling tegak lurus satu sama lain.

Jika kita dapat mengontrol medan pada laser, yakni dengan mengontrol arah serta besar medan listrik maupun medan magnet di posisi atau ruang tertentu, kita akan mampu memanipulasi materi yang berada di lokasi tersebut. Profesor Ashkin menyadari kemungkinan itu, yang diawali dari sebuah mimpi bahwa cahaya dapat digunakan untuk memindah-mindahkan benda tanpa menyentuhnya secara langsung, layaknya tractor beam di serial Star Trek pada tahun 1960-an. Impian itu kelak menjadi dasar penemuan perangkap cahaya, yang kemudian dikenal sebagai pinset optik (optical tweezer).

Pinset optik berbasis laser yang ditemukan oleh Profesor Ashkin hingga saat ini telah digunakan untuk berbagai aplikasi. Bidang ilmu yang paling banyak terbantu oleh penemuan pinset optik adalah biologi dan kedokteran. Sebagai contoh, pinset optik ini dapat digunakan untuk menangkap bakteri hidup serta memindahkan sel tanpa merusaknya.

Sampai sini kita sudah mendapat sedikit “pencerahan” seputar pentingnya penemuan pinset optik oleh Profesor Ashkin. Sekarang, kita beralih ke penemuan teknik manipulasi pulsa laser oleh Profesor Mourou dan Strickland. Penemuan ini tidak kalah penting karena kadang-kadang yang kita harapkan dari pengendalian sinar laser bukanlah kontrol medan listrik dan magnet, melainkan manipulasi daya dan frekuensi pulsa dari laser tersebut.

Kita sering membayangkan laser sebagai cahaya yang dipancarkan secara kontinu. Padahal, sifat laser tidak selalu begitu. Laser dapat juga disimpan dulu sehingga dipancarkan sekejap dalam satu kumpulan energi. Cara lainnya, laser dapat dipancarkan dalam bentuk pulsa-pulsa yang berpotensi untuk mengubah frekuensinya menjadi lebih tinggi. Akan tetapi, pemancaran laser semacam ini sering merusak material yang sedang dipelajari.

Pada tahun 1985, Profesor Mourou dan Strickland akhirnya menjadi peneliti pertama yang berhasil membuat laser yang sangat pendek (ultra-short), berintensitas tinggi (high-intensity), dan dalam bentuk pulsa yang berulang-ulang (repetitive pulses). Material yang mereka gunakan pun tidak rusak oleh pulsa laser tersebut.  Teknik yang mereka kembangkan dikenal dengan nama chirped pulse amplification (CPA).

Empat prinsip CPA dari Mourou-Strickland untuk membuat pulsa-pulsa laser yang sangat singkat adalah:

1. Siapkan pulsa-pulsa laser biasa.
2. Regangkan pulsa dalam waktu sehingga daya puncaknya berkurang dan demikian pula sifat destruktifnya.
3. Pulsa yang telah diregangkan lalu diperkuat (diamplifikasi) tanpa merusak material.
4. Terakhir, pulsa laser tersebut dimampatkan sehingga intensitasnya meningkat drastis.

Skala waktu dari pulsa-pulsa laser yang dibuat dengan metode CPA sangatlah singkat, dapat mencapai orde femtosekon (10^-15 detik). Penemuan ini menghasilkan revolusi teknologi laser dan perangkat optik lainnya karena memungkinkan pengamatan berbagai proses di alam dengan skala waktu yang sangat singkat. Sebagai contoh, kita dapat mengetahui detail getaran molekul, proses fotosintesis, hingga mungkin suatu saat nanti pergerakan elektron dengan menggunakan pulsa laser yang lebih singkat lagi. Pulsa laser semacam ini juga sudah lazim digunakan dalam berbagai perangkat medis dan perangkat elektronik.

Teknologi laser femtosekon saat ini sudah berusia 30 tahunan. Skala waktu yang lebih rendah lagi (orde attosekon, 10^-18 detik), dengan intensitas laser yang lebih tinggi, mungkin akan marak digunakan di kehidupan sehari-hari dalam beberapa tahun mendatang. Semoga tulisan ini dapat mendorong teman-teman berkontribusi dalam pengembangan ilmu fisika, khususnya fisika laser. Para pelajar putri mungkin juga bisa terinspirasi menekuni fisika setelah mengetahui kiprah Profesor Strickland, yang notabene menjadi satu dari hanya tiga perempuan yang pernah meraih Nobel Fisika hingga saat ini.

Bahan bacaan:

• https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/popular-physicsprize2018.pdf
• https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/10/02/this-is-why-the-2018-nobel-prize-in-physics-for-lasers-is-so-important/
• https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Ashkin
• https://en.wikipedia.org/wiki/Gerard_Mourou
• https://en.wikipedia.org/wiki/Donna_Strickland

Penulis:
Ahmad Ridwan T. Nugraha, peneliti fisika, alumnus ITB dan Tohoku University.
Kontak: art.nugraha(at)gmail(dot)com.