Untuk membantu Anda menaklukkan bab ini, kami telah merangkum 32 soal fisika laser pilihan yang mencakup berbagai aspek penting: dari prinsip dasar emisi terstimulasi, populasi inversi, karakteristik cahaya laser, hingga jenis-jenis laser dan aplikasinya. Soal-soal ini dirancang untuk menguji pemahaman konseptual dan kemampuan Anda dalam menerapkan rumus-rumus fisika terkait laser. Kami menyediakan beragam tipe soal, mulai dari pilihan ganda, isian singkat, uraian, hingga mencocokkan, lengkap dengan kunci jawaban dan penjelasan mendalam. Siap menguji pemahaman Anda dan meraih nilai sempurna? Mari kita mulai!
Kumpulan Contoh Soal TERBONGKAR! 32 Soal Fisika Laser Paling Sering Keluar Ujian (+ Kunci Jawaban)
Pilihan Ganda
1. 1. Manakah dari berikut ini yang BUKAN karakteristik utama cahaya laser?
A. Monokromatik
B. Koheren
C. Divergen tinggi
D. Intensitas tinggi
2. 2. Proses fisika yang menjadi dasar kerja laser adalah…
A. Emisi spontan
B. Absorpsi foton
C. Emisi terstimulasi
D. Refraksi cahaya
3. 3. Apa yang dimaksud dengan ‘populasi inversi’ dalam konteks laser?
A. Jumlah atom di tingkat energi dasar lebih banyak daripada tingkat tereksitasi.
B. Jumlah atom di tingkat tereksitasi lebih banyak daripada tingkat energi dasar.
C. Semua atom berada di tingkat energi dasar.
D. Semua atom berada di tingkat tereksitasi.
4. 4. Komponen laser yang berfungsi untuk menaikkan atom ke tingkat energi yang lebih tinggi disebut…
A. Resonator optik
B. Medium penguat
C. Sistem pompa
D. Cermin pemantul
5. 5. Resonator optik pada laser umumnya terdiri dari…
A. Dua lensa cembung
B. Dua cermin, satu pantulan penuh dan satu pantulan sebagian
C. Sebuah prisma dan sebuah cermin
D. Sebuah difraksi kisi dan sebuah lensa
6. 6. Warna cahaya laser ditentukan oleh…
A. Intensitas pompa
B. Panjang resonator optik
C. Jenis medium penguat
D. Diameter berkas laser
7. 7. Laser yang menggunakan gas sebagai medium penguatnya adalah contoh dari…
A. Laser zat padat
B. Laser gas
C. Laser zat cair
D. Laser semikonduktor
8. 8. Laser He-Ne (Helium-Neon) menghasilkan cahaya berwarna…
A. Biru
B. Hijau
C. Merah
D. Ungu
9. 9. Apa fungsi utama cermin semitransparan pada resonator optik laser?
A. Memantulkan semua cahaya kembali ke medium.
B. Menyerap kelebihan energi.
C. Membiarkan sebagian kecil cahaya keluar sebagai berkas laser.
D. Mengubah panjang gelombang cahaya.
10. 10. Jika energi foton yang dipancarkan oleh laser adalah 2,5 eV, berapakah panjang gelombang foton tersebut? (h = 6,626 × 10⁻³⁴ J·s, c = 3 × 10⁸ m/s, 1 eV = 1,6 × 10⁻¹⁹ J)
A. 496 nm
B. 500 nm
C. 505 nm
D. 510 nm
11. 11. Salah satu aplikasi laser dalam bidang medis adalah…
A. Pemanas ruangan
B. Pemotongan logam
C. Bedah mata LASIK
D. Penerangan jalan
12. 12. Apa yang dimaksud dengan sifat ‘koheren’ pada cahaya laser?
A. Semua foton memiliki energi yang sama.
B. Semua foton bergerak dalam arah yang sama.
C. Foton-foton memiliki fase dan polarisasi yang sama.
D. Cahaya dapat menempuh jarak jauh tanpa hambatan.
13. 13. Tingkat energi meta-stabil pada atom dalam medium laser penting karena…
A. Memungkinkan atom segera kembali ke tingkat dasar.
B. Memungkinkan atom tetap tereksitasi untuk waktu yang lebih lama, memfasilitasi populasi inversi.
C. Menyerap foton berlebih.
D. Memantulkan cahaya secara efisien.
14. 14. Laser CO₂ sering digunakan dalam aplikasi industri untuk…
A. Membaca barcode
B. Pengukuran jarak presisi
C. Pemotongan dan pengelasan material
D. Proyektor bioskop
15. 15. Jika sebuah laser memancarkan cahaya dengan panjang gelombang 600 nm, berapakah frekuensi cahaya tersebut? (c = 3 × 10⁸ m/s)
A. 5 × 10¹⁴ Hz
B. 5 × 10¹³ Hz
C. 2 × 10¹⁵ Hz
D. 2 × 10¹⁶ Hz
16. 16. Medium penguat pada laser dioda adalah…
A. Gas (misalnya He-Ne)
B. Zat padat (misalnya Neodymium-YAG)
C. Semikonduktor (misalnya GaAs)
D. Zat cair (misalnya pewarna organik)
17. 17. Apa yang terjadi ketika foton dengan energi yang tepat berinteraksi dengan atom di tingkat energi dasar?
A. Emisi spontan
B. Emisi terstimulasi
C. Absorpsi foton
D. Refleksi foton
18. 18. Untuk mencapai populasi inversi, diperlukan…
A. Energi yang sangat rendah
B. Sistem pompa yang efisien
C. Resonator optik yang pendek
D. Medium penguat yang sangat transparan
19. 19. Karakteristik ‘monokromatik’ pada laser berarti…
A. Cahaya memiliki satu arah rambat.
B. Cahaya memiliki satu panjang gelombang (warna) yang sangat murni.
C. Cahaya memiliki intensitas yang tinggi.
D. Cahaya memiliki fase yang sama.
20. 20. Berkas laser yang keluar dari resonator optik umumnya memiliki bentuk…
A. Menyebar luas
B. Titik tunggal
C. Kolimasi tinggi (hampir paralel)
D. Berbentuk kerucut terbalik
Isian Singkat
1. Sebutkan tiga karakteristik utama cahaya laser.
2. Apa nama proses di mana sebuah atom tereksitasi memancarkan foton tanpa pemicu eksternal?
3. Medium penguat pada laser Ruby adalah kristal dengan doping ion Chromium. Termasuk jenis laser apakah laser Ruby?
4. Jika energi foton laser adalah E, konstanta Planck h, dan kecepatan cahaya c, tuliskan rumus untuk panjang gelombang (λ) foton tersebut.
5. Apa nama komponen laser yang berfungsi untuk memantulkan foton bolak-balik dalam medium penguat?
Uraian
1. Jelaskan prinsip kerja laser secara singkat, mencakup konsep populasi inversi dan emisi terstimulasi.
2. Mengapa cahaya laser disebut ‘koheren’? Jelaskan dua jenis koherensi yang dimiliki laser.
3. Sebutkan dan jelaskan secara singkat tiga aplikasi teknologi laser dalam kehidupan sehari-hari.
4. Bagaimana perbedaan antara emisi spontan dan emisi terstimulasi dalam produksi cahaya?
5. Jelaskan mengapa ‘populasi inversi’ sangat penting untuk terjadinya aksi laser.
Mencocokkan
1. Pasangkan istilah berikut dengan definisi yang tepat.
1. Monokromatik
2. Koheren
3. Kolimasi tinggi
4. Populasi inversi
A. Kondisi di mana jumlah atom tereksitasi lebih banyak.
B. Cahaya memiliki satu panjang gelombang yang sangat murni.
C. Berkas cahaya tidak menyebar jauh.
D. Foton-foton memiliki fase yang sama.
2. Pasangkan jenis laser dengan medium penguatnya.
1. Laser He-Ne
2. Laser Ruby
3. Laser Dioda
4. Laser Dye (Pewarna)
A. Gas Helium dan Neon
B. Kristal Al₂O₃ dengan ion Cr³⁺
C. Semikonduktor (misalnya GaAs)
D. Larutan pewarna organik
Kunci Jawaban dan Pembahasan
Pilihan Ganda
1. C
Pembahasan: Cahaya laser memiliki divergensi yang sangat rendah (kolimasi tinggi), artinya berkasnya tidak menyebar jauh. Pilihan C, ‘divergen tinggi’, adalah kebalikannya.
2. C
Pembahasan: Emisi terstimulasi adalah proses kunci di mana sebuah foton yang datang memicu atom tereksitasi untuk melepaskan foton identik lainnya, menghasilkan amplifikasi cahaya.
3. B
Pembahasan: Populasi inversi adalah kondisi di mana sebagian besar atom dalam medium laser berada pada tingkat energi yang lebih tinggi (tereksitasi) daripada tingkat energi yang lebih rendah. Kondisi ini diperlukan agar emisi terstimulasi dapat mendominasi absorpsi.
4. C
Pembahasan: Sistem pompa (misalnya, lampu kilat atau arus listrik) menyediakan energi untuk menaikkan elektron atom dalam medium penguat ke tingkat energi yang lebih tinggi, menciptakan populasi inversi.
5. B
Pembahasan: Resonator optik biasanya terdiri dari dua cermin paralel: satu cermin pantulan penuh dan satu cermin semitransparan (pantulan sebagian) dari mana berkas laser keluar.
6. C
Pembahasan: Warna (panjang gelombang) cahaya laser ditentukan oleh transisi energi spesifik dalam atom medium penguat yang menghasilkan foton melalui emisi terstimulasi.
7. B
Pembahasan: Laser gas, seperti laser He-Ne atau CO₂, menggunakan gas sebagai medium penguatnya.
8. C
Pembahasan: Laser Helium-Neon paling dikenal menghasilkan cahaya merah dengan panjang gelombang 632,8 nm.
9. C
Pembahasan: Cermin semitransparan memungkinkan sebagian kecil cahaya yang telah diperkuat untuk keluar dari resonator sebagai berkas laser, sementara sebagian besar dipantulkan kembali untuk terus memperkuat cahaya.
10. A
Pembahasan: Energi foton E = hν = hc/λ. Maka, λ = hc/E.
E dalam Joule = 2,5 eV × 1,6 × 10⁻¹⁹ J/eV = 4 × 10⁻¹⁹ J.
λ = (6,626 × 10⁻³⁴ J·s × 3 × 10⁸ m/s) ÷ (4 × 10⁻¹⁹ J) = 4,9695 × 10⁻⁷ m = 496,95 nm ≈ 497 nm. Opsi terdekat adalah 496 nm.
11. C
Pembahasan: Laser digunakan secara luas dalam bedah mata LASIK untuk membentuk kembali kornea mata.
12. C
Pembahasan: Koherensi berarti foton-foton dalam berkas laser memiliki hubungan fase yang tetap dan teratur satu sama lain, serta polarisasi yang seragam.
13. B
Pembahasan: Tingkat meta-stabil memiliki umur yang relatif panjang, memungkinkan atom-atom menumpuk di tingkat energi tersebut, sehingga populasi inversi lebih mudah tercapai.
14. C
Pembahasan: Laser CO₂ menghasilkan radiasi inframerah dengan daya tinggi, sangat efektif untuk pemotongan, pengelasan, dan penandaan material seperti logam, kayu, dan plastik.
15. A
Pembahasan: Gunakan rumus c = λf, maka f = c/λ.
λ = 600 nm = 600 × 10⁻⁹ m = 6 × 10⁻⁷ m.
f = (3 × 10⁸ m/s) ÷ (6 × 10⁻⁷ m) = 0,5 × 10¹⁵ Hz = 5 × 10¹⁴ Hz.
16. C
Pembahasan: Laser dioda menggunakan bahan semikonduktor sebagai medium penguatnya, di mana emisi terstimulasi terjadi pada sambungan p-n.
17. C
Pembahasan: Jika foton dengan energi yang tepat mengenai atom di tingkat energi dasar, atom tersebut akan menyerap energi foton dan tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi (absorpsi foton).
18. B
Pembahasan: Sistem pompa yang efisien diperlukan untuk menyediakan energi yang cukup untuk menaikkan atom-atom ke tingkat energi tereksitasi, sehingga menciptakan populasi inversi.
19. B
Pembahasan: Monokromatik berarti cahaya laser terdiri dari satu panjang gelombang atau warna yang sangat sempit, menjadikannya sangat murni secara spektral.
20. C
Pembahasan: Salah satu karakteristik utama laser adalah kolimasi tinggi, yang berarti berkasnya sangat paralel dan tidak menyebar jauh, sehingga dapat menempuh jarak yang sangat jauh dengan sedikit pelebaran.
Isian Singkat
1. Monokromatik, koheren, kolimasi tinggi (divergensi rendah), intensitas tinggi.
2. Emisi spontan.
3. Laser zat padat.
4. λ = hc/E
5. Resonator optik (atau cermin resonator).
Uraian
1. Prinsip kerja laser melibatkan tiga komponen utama: medium penguat, sistem pompa, dan resonator optik. Sistem pompa menaikkan atom-atom medium penguat ke tingkat energi yang lebih tinggi, menciptakan ‘populasi inversi’ (kondisi di mana lebih banyak atom berada di tingkat energi tereksitasi daripada tingkat dasar). Ketika sebuah foton dengan energi yang tepat melewati atom yang tereksitasi, ia akan memicu emisi foton lain yang identik dalam fase, arah, dan energi (emisi terstimulasi). Foton-foton ini kemudian dipantulkan bolak-balik dalam resonator optik, menguatkan cahaya hingga mencapai intensitas yang cukup untuk keluar sebagai berkas laser yang koheren, monokromatik, dan terkolimasi.
2. Cahaya laser disebut koheren karena gelombang-gelombang cahayanya memiliki hubungan fase yang tetap dan teratur. Ada dua jenis koherensi:
1. Koherensi Temporal: Mengacu pada hubungan fase antara dua titik pada gelombang yang sama pada waktu yang berbeda. Laser memiliki koherensi temporal yang tinggi karena memancarkan gelombang dengan rentang frekuensi yang sangat sempit.
2. Koherensi Spasial: Mengacu pada hubungan fase antara dua titik yang berbeda pada penampang berkas gelombang pada waktu yang sama. Laser memiliki koherensi spasial yang tinggi, artinya semua titik di penampang berkas memiliki fase yang relatif sama.
3. Tiga aplikasi teknologi laser:
1. Komunikasi Serat Optik: Laser digunakan sebagai sumber cahaya untuk mengirimkan data berkecepatan tinggi melalui serat optik karena kemampuannya membawa informasi dalam jarak jauh tanpa kehilangan sinyal yang signifikan.
2. Pemindai Barcode: Laser di toko-toko menggunakan berkas laser untuk membaca kode batang pada produk, mempercepat proses pembayaran dan inventaris.
3. Bedah Medis (misalnya LASIK): Laser digunakan untuk pemotongan yang sangat presisi dalam operasi mata, kulit, atau pengangkatan tumor karena sifatnya yang fokus dan mampu memanipulasi jaringan dengan minimal kerusakan.
4. Emisi spontan adalah proses di mana atom yang tereksitasi secara acak memancarkan foton dan kembali ke tingkat energi yang lebih rendah tanpa adanya pemicu eksternal. Foton yang dihasilkan memiliki arah, fase, dan polarisasi yang acak, seperti pada lampu pijar biasa. Sedangkan emisi terstimulasi adalah proses di mana sebuah foton yang datang dengan energi yang tepat berinteraksi dengan atom yang tereksitasi, memicu atom tersebut untuk memancarkan foton lain yang identik (memiliki energi, arah, fase, dan polarisasi yang sama) dengan foton pemicu. Emisi terstimulasi adalah dasar dari amplifikasi cahaya pada laser.
5. Populasi inversi sangat penting untuk aksi laser karena merupakan kondisi di mana jumlah atom di tingkat energi tereksitasi (tingkat energi yang lebih tinggi) lebih besar daripada jumlah atom di tingkat energi dasar (tingkat energi yang lebih rendah). Tanpa populasi inversi, absorpsi foton akan mendominasi emisi terstimulasi. Artinya, foton yang dihasilkan akan lebih banyak diserap daripada diperkuat, sehingga tidak akan terjadi amplifikasi cahaya yang cukup untuk menghasilkan berkas laser. Populasi inversi memastikan bahwa probabilitas terjadinya emisi terstimulasi lebih tinggi daripada absorpsi, memungkinkan cahaya diperkuat secara eksponensial dalam resonator optik.
Mencocokkan
1. 1-B, 2-D, 3-C, 4-A
2. 1-A, 2-B, 3-C, 4-D