Laser sebagai Teknologi Inti Dunia Modern dan Masa Depan

Potensi Laser

Sejak laser pertama dibuat pada 1960 dan para ilmuwan yang mengembangkan fisika yang mendasarinya dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada 1964, teknologi ini terus menemukan aplikasi baru. Laser umumnya digunakan untuk:

• pengukiran & pencetakan,
• komunikasi serat optik,
• disk optik,
• pembuatan semikonduktor,
• operasi,
• perawatan kesehatan,
• pengukuran,
• penargetan militer.

Berkat perkembangan ini, dalam waktu dekat laser bahkan dapat menjadi sangat penting bagi proses manufaktur seperti pengelasan dan pencetakan 3D, telekomunikasi satelit, propulsi pesawat antariksa, bioteknologi, komputasi (fotonika), fusi nuklir, dan bahkan persenjataan.

Prinsip Laser

Laser adalah akronim dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, atau penguatan cahaya melalui emisi radiasi terstimulasi. Gagasan utama teknologi laser ialah menghasilkan cahaya koheren, bukan cahaya biasa.

Berkas cahaya koheren menghasilkan cahaya yang sangat sempit pada satu panjang gelombang dan tidak menyebar dalam jarak jauh.

Sumber: Britannica

Laser dibuat dengan merangsang atom-atom bahan pemancar, yang biasanya berupa gas tetapi juga dapat berupa cairan atau padatan. Atom-atom itu memancarkan cahaya, dan sebagian besar cahaya terperangkap serta dipantulkan di dalam laser sampai akhirnya keluar sebagai berkas cahaya koheren.

Sumber: University of Kwazulu-Natali

Laser dapat dibuat untuk beragam panjang gelombang cahaya. Setiap panjang gelombang menggunakan bahan tersendiri untuk menghasilkan cahaya, sehingga cara kerjanya berbeda. Berbagai panjang gelombang membawa tingkat energi yang berbeda dan diserap secara berbeda pula, bergantung pada bahan sasarannya.

Dalam bidang medis saja, banyak jenis laser dapat digunakan sesuai dengan tujuannya.

Sumber: University of Kwazulu-Natali

(Pembaca yang tertarik pada prinsip ilmiah laser dapat membaca “Prinsip Laser” untuk mempelajarinya lebih lanjut.)

Perkembangan Teknologi Laser

Laser telah berkembang pesat selama bertahun-tahun. Bahan baru memperluas pilihan panjang gelombang melalui laser CO₂, rubi, titanium-safir, dan titik kuantum, yang penelitian dasarnya menerima Hadiah Nobel Fisika 2023.

Perkembangan ini memungkinkan laser pulsa ultrasingkat serta laser yang disetel khusus untuk aplikasi tertentu dalam manufaktur dan kedokteran.

Laser berdaya rendah dengan cepat menjadi cukup murah untuk dipasang pada pemindai kode batang pada 1970-an. Kemudian, laser digunakan untuk membaca data pada CD, lalu DVD dan cakram Blu-ray.

Sumber: Laser Warfare

Jenis laser baru juga mungkin segera hadir. Salah satu contohnya adalah laser udara terbuka, yang dapat menjadi lebih tangguh dan ringan.

Aplikasi Laser

Pengamatan Rentang Waktu Amat Singkat

Salah satu aplikasi pulsa laser ultrasingkat adalah menyinari sasaran untuk waktu yang sangat singkat, dalam orde femtodetik, yaitu sepersejuta dari sepermiliar detik.

Dengan demikian, fenomena seperti reaksi kimia molekul yang sebelumnya tampak berlangsung seketika dapat diamati.

Sumber: Nobel Prize

Kemajuan lebih lanjut bahkan membuka bidang ilmiah baru, yaitu sains attodetik. Satu attodetik adalah seperseribu femtodetik. Dengan teknik ini, ilmuwan dapat mempelajari dinamika elektron di dalam atom dan molekul serta menyelidiki materi dalam fase terkondensasi.

Pengukiran & Manufaktur

Laser dapat mengukir bahan dengan sangat presisi. Namun, penggunaan laser yang terlalu lama membuat bahan cepat memanas dan menimbulkan gelombang kejut yang merusak. Hal ini dahulu menjadi masalah bagi laser berdaya tinggi atau bahan yang harus bebas cacat.

Laser femtodetik yang lebih maju tetap dapat mengukir, tetapi pulsanya cukup singkat untuk mencegah panas berlebih sehingga masalah tersebut teratasi.

Sumber: Nobel Prize

Saat ini, laser lazim digunakan untuk mengebor, memotong, menandai, membuat tekstur, dan mengelas logam serta plastik, kayu, dan kaca.

“Banyak komponen yang diproduksi saat ini memerlukan fitur mikroskopis yang hanya dapat dibuat dengan pengeboran laser.

Fitur yang sangat kecil dan rumit dapat dibuat pada berbagai bahan melalui metode seperti penulisan langsung, trepanasi, dan proyeksi masker tanpa efek panas atau kerusakan bahan.”

Matt Nipper, direktur teknik Laser Light Technologies, yang kini menjadi bagian dari Spectrum Plastics.

Mesin laser modern dikendalikan melalui perangkat lunak canggih seperti mesin CNC. Peralatan manufaktur laser berkisar dari perangkat meja seharga beberapa ribu dolar hingga mesin seukuran pabrik yang bernilai jutaan dolar.

Laser bahkan dapat begitu presisi sehingga kini digunakan untuk melepaskan insulasi dari kabel.

“Insulasi dapat dilepaskan dengan toleransi 0,005 inci. Pengupasan dapat diprogram untuk mengikis insulasi pada titik mana pun di sepanjang kabel, sehingga pelepasan bagian tengah kabel dapat dilakukan dengan presisi tinggi.”

Matt Nipper, direktur teknik Laser Light Technologies, yang kini menjadi bagian dari Spectrum Plastics.

Pencetakan 3D

Banyak pencetak 3D menggunakan laser untuk melelehkan plastik atau logam yang membentuk produk akhir. Ini mencakup fusi lapisan serbuk laser, teknik yang dapat dibuat semakin presisi dan kuat dengan berkas laser berbentuk cincin.

Sumber: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Penggunaan dua laser sekaligus juga dapat menjadi konfigurasi standar untuk mempercepat proses manufaktur aditif.

Seiring pencetakan 3D menjadi bagian yang semakin besar dari proses manufaktur, sebagaimana dibahas dalam “Pencetakan 3D Mengukuhkan Perannya dalam Masa Depan Manufaktur”, permintaan laser diperkirakan ikut meningkat.

Penggunaan Medis

Cahaya laser yang intens dapat digunakan untuk menciptakan akselerasi plasma-laser yang mempercepat partikel seperti proton dan elektron hingga tingkat energi ekstrem. Partikel ini dapat digunakan untuk terapi radiasi, sedangkan laser memungkinkan mesin dibuat cukup kecil untuk ditempatkan di rumah sakit, tidak seperti akselerator partikel yang jauh lebih besar dan berat.

Laser ultracepat juga digunakan dalam bedah mata, mulai dari operasi LASIK yang menghilangkan kebutuhan akan kacamata hingga fotokoagulasi untuk menangani retinopati diabetik, yaitu penyakit retina.

Sumber: Nobel Prize

Laser dapat digunakan untuk perawatan kulit. Bergantung pada panjang gelombangnya, efek laser dapat dibatasi pada lapisan teratas kulit atau mencapai pembuluh darah yang lebih dalam.

Sumber: Laser Focus World

Laser juga digunakan dalam perawatan kosmetik, mulai dari penghilangan rambut dan tato hingga peremajaan kulit serta penghilangan bekas jerawat dan noda berpigmen seperti bintik penuaan dan tahi lalat.

Penyimpanan Data

Laser telah digunakan untuk menyimpan data pada cakram optik selama beberapa dekade. Laser yang lebih kuat dan berpanjang gelombang lebih pendek dapat menyimpan data lebih padat, yang mendorong penggunaan laser biru pada Blu-ray.

Namun, kini semakin jelas bahwa cakram optik bukan bentuk penyimpanan data yang tahan lama.

Karena itu, banyak metode berbasis laser sedang dipertimbangkan, seperti pengukiran berdaya rendah pada polimer, bentuk lain penyimpanan data mekanis, pengukiran berlian, atau cakram kristal lima dimensi.

Sumber: University of Southampton

Kemampuan laser mencapai presisi nanometer sesuai panjang gelombang cahayanya membuat teknologi ini kemungkinan tetap menjadi metode pilihan untuk merekam data, khususnya untuk penyimpanan jangka panjang.

Pengukiran Semikonduktor

Sejak awal industri, produsen semikonduktor telah menggunakan laser untuk menyiapkan bahan yang dipakai dalam pembuatan cip komputer.

Keunggulan utama pemotongan dan pengukiran laser ialah tidak memerlukan kontak serta menghasilkan lebih sedikit debu daripada alternatifnya. Hal ini penting bagi bahan yang membutuhkan tingkat kebersihan tertinggi. Pemotongan laser juga membuang lebih sedikit bahan dan tidak menimbulkan retakan.

Laser digunakan untuk mengelas, menghilangkan pelapis, serta menandai bahan dan peralatan semikonduktor.

Komputasi

Cip silikon konvensional mendekati ukuran terkecil yang mungkin dicapai. Karena itu, bentuk komputasi baru dipertimbangkan agar daya komputer dan pusat data dapat terus meningkat.

Salah satunya adalah fotonika, yang memakai cahaya alih-alih elektron untuk membawa data komputasi. Metode ini menggantikan transistor silikon dengan banyak laser ultracepat, sensor cahaya, dan serat optik serta dapat menjadi cara mempertahankan Hukum Moore.

Pilihan lain adalah komputer kuantum yang memakai efek kuantum untuk melakukan komputasi yang biasanya mustahil bagi komputer biasa. Laser juga dapat membantu, mulai dari laser inframerah untuk memanipulasi atom hidrogen hingga laser untuk memagnetkan zat nonmagnetik.

Telekomunikasi

Selain dalam semikonduktor dan komputasi, laser telah digunakan untuk mengirimkan informasi selama beberapa dekade.

Dioda laser dapat menghasilkan cahaya koheren dengan frekuensi sempit, sehingga beberapa saluran informasi dapat dikirim melalui satu kabel serat optik. Dioda ini terutama digunakan untuk telekomunikasi jarak jauh dan dibuat menggunakan titik kuantum.

Laser juga dapat digunakan untuk telekomunikasi antariksa, baik antarsatelit maupun antara satelit dan stasiun bumi.

Keunggulan utama komunikasi laser dibandingkan gelombang radio adalah lebar pita yang lebih tinggi sehingga lebih banyak data dapat dipindahkan dalam waktu lebih singkat. Selain itu, komunikasi laser hampir mustahil disadap karena penyadap harus berada secara fisik di dekat penerima.

Sebagai contoh, setiap satelit Starlink memiliki tiga tautan laser antarsatelit (ISL) yang beroperasi pada 200 Gbit/dtk untuk saling mengirim data sebelum meneruskannya ke stasiun Starlink.

Kelak, telekomunikasi antariksa dengan calon pangkalan di Bulan atau Mars kemungkinan juga akan memakai laser karena menawarkan transfer data tercepat sekaligus lebar pita tertinggi.

Bioteknologi

Fluoresensi

Salah satu aplikasi laser yang sering terlupakan terdapat dalam bioteknologi. Metode awalnya ialah fluoresensi terinduksi laser (LIF), yang menggunakan laser untuk membuat jaringan biologis atau molekul memancarkan cahaya hijau atau merah agar dapat diamati dengan mikroskop fluoresensi.

Sumber: MicroscopyU

Laser juga digunakan dalam sitometer alir untuk memisahkan sel dalam sampel.

Subsegmen penting teknik ini ialah spektroskopi LIF yang digunakan dalam kromatografi dan elektroforesis kapiler, dua teknik biokimia penting untuk menganalisis molekul biologis.

Sekuensing Gen & Kedokteran

Aplikasi laser lain yang semakin penting dalam bioteknologi adalah sekuensing genetik.

Sumber: Memorial University

Peningkatan teknologi laser dan penurunan biaya menjadi faktor utama yang membuat sekuensing gen semakin luas dan tersedia bagi peneliti maupun spesialis medis.

Laser digunakan untuk mendeteksi kanker dan menganalisis sel kanker serta dapat memotong irisan jaringan tipis untuk analisis lanjutan.

Sensor dan Kendaraan Otonom

Laser dapat digunakan untuk mengukur lingkungan sekitarnya. Laser dapat dipakai untuk penentuan posisi di pabrik, mengukur jarak, atau mendeteksi keberadaan penghalang.

Sistem kompleks yang terdiri atas laser seperti ini digunakan dalam lidar (Light Detection and Ranging), yang memakai pulsa cahaya laser untuk mengukur jarak benda di sekitarnya. Sistem lidar lazim digunakan untuk pemetaan.

Lidar merupakan komponen utama sebagian besar sistem kendaraan otonom, termasuk Waymo milik Google (GOOGL ). Pengecualiannya adalah Tesla yang hanya mengandalkan kamera.

Senjata Energi Terarah

Ketika drone menjadi ancaman yang semakin besar di medan tempur modern, militer di seluruh dunia mencari solusi berbiaya rendah untuk menembak jatuhnya.

Hal ini sangat penting karena kebanyakan drone bunuh diri hanya berharga paling tinggi beberapa ribu dolar. Akibatnya, solusi berbasis rudal atau bahkan senjata api sering kali lebih mahal daripada sasarannya.

Salah satu solusinya dapat berupa senjata laser, subkategori senjata energi terarah yang juga mencakup, misalnya, berkas gelombang mikro. Gagasannya ialah memakai berkas laser kuat untuk membakar drone sebelum menjadi ancaman.

Sumber: Laser Focus World

Karena biaya amunisinya hanya sebesar biaya energi yang digunakan, laser dapat menjadi salah satu dari sedikit pilihan yang layak dalam jangka panjang. Namun, teknologinya masih jauh dari matang dan sejumlah masalah harus diatasi sebelum dapat digunakan di medan tempur aktif:

• Cuaca berkabut dapat menghambat senjata laser.
• Konsumsi energi sangat besar sehingga pembangkitan dan penyimpanannya untuk tembakan cepat menjadi masalah.
• Laser cenderung merupakan perangkat yang relatif rapuh sehingga kurang andal untuk peran di garis depan.

Penerapan senjata laser dalam skala besar kemungkinan pertama kali ditujukan untuk melindungi fasilitas tetap seperti pangkalan militer dan kapal.

Fusi Nuklir

Saat ini, strategi utama untuk mencapai fusi nuklir menggunakan tokamak, yaitu struktur berbentuk cincin yang memanfaatkan medan magnet untuk menahan plasma.

Seperti yang kami jelaskan dalam “Fusi Nuklir – Solusi Energi Bersih Terbaik di Depan Mata”, cara ini bukan satu-satunya metode yang mungkin untuk mencapai fusi nuklir. Pilihan lain adalah memakai laser untuk membuat atom hidrogen begitu panas hingga saling bertumbukan. Tumbukan itu segera menciptakan gelombang kejut yang mendorong atom hidrogen menyatu.

Contoh yang baik ialah National Ignition Facility (NIF) Amerika Serikat, yang mengarahkan, memperkuat, memantulkan, dan memfokuskan 192 berkas laser kuat ke sasaran seukuran penghapus pensil. Sistem ini menghasilkan daya puncak 500 triliun watt pada satu titik.

Sumber: Britannica

Sistem seperti ini merupakan kandidat yang menjanjikan untuk fusi nuklir komersial dan juga dapat berguna bagi propulsi fusi berdenyut untuk pesawat antariksa di ruang angkasa jauh.

Aplikasi Antariksa

Astrofisika

Astrofisika sering membahas kondisi tekanan dan suhu ekstrem yang sulit diciptakan kembali di Bumi, misalnya kondisi di dalam bintang atau planet raksasa gas.

Laser elektron bebas sinar-X (XFEL) dapat membantu mempelajari materi hangat padat (WDM), yang pada gilirannya dapat membantu menciptakan pesawat antariksa dan mesin fusi yang lebih baik.

Solar Orbital

Energi surya di orbit semakin berpotensi menjadi sumber energi bersih. Biaya peluncuran sistem pembangkit ke orbit turun sangat cepat, sehingga pengangkutan ribuan ton muatan ke orbit atau manufaktur berbasis antariksa dapat menjadi layak.

Seperti yang kami bahas dalam “Solusi Energi Berbasis Antariksa untuk Energi Bersih Tanpa Batas”, energi yang dihasilkan dapat dipancarkan kembali ke Bumi menggunakan berkas gelombang mikro atau laser kuat.

Layar Surya

Kemungkinan masa depan lain bagi laser di antariksa adalah layar surya. Gagasan utamanya adalah bahwa meski foton tidak bermassa, foton tetap membawa momentum yang sangat kecil.

Dalam lingkungan tanpa bobot di ruang angkasa jauh, dorongan kecil ini dapat cukup untuk mempercepat pesawat antariksa.

Layar surya adalah layar besar berbahan foil yang menangkap cahaya dan mengubahnya menjadi gaya dorong. Sistem laser di orbit atau di Bulan dapat menyorotkan lebih banyak cahaya ke layar tersebut dan mempercepatnya hingga kecepatan yang tidak dapat dicapai roket kimia.

Sumber: For All Mankind TV

Metode ini bahkan dapat digunakan untuk perjalanan antarbintang karena secara teoritis dapat mendorong pesawat antariksa hingga 20 persen kecepatan cahaya dengan fisika yang telah dikenal.

Berinvestasi dalam Teknologi Laser

Laser hadir dalam banyak bagian teknologi modern, mulai dari cakram optik dan alat bedah hingga pencetakan 3D, semikonduktor, manufaktur, dan mesin sekuensing genom. Pasar senilai 17,8 miliar dolar diperkirakan tumbuh dengan tingkat pertumbuhan tahunan majemuk 7,8 persen hingga 2030.

Anda dapat berinvestasi pada perusahaan terkait laser melalui banyak broker. Di Securities.io, Anda dapat menemukan rekomendasi kami untuk broker terbaik di Amerika Serikat, Kanada, Australia, Inggris, dan banyak negara lainnya.

Jika Anda tidak ingin memilih perusahaan tertentu, Anda juga dapat mempertimbangkan ETF teknologi seperti iShares U.S. Technology ETF (IYW) atau ProShares Nanotechnology ETF (TINY). Walaupun tidak ada ETF khusus laser, dana ini memberikan eksposur yang lebih beragam untuk memanfaatkan saham nanoteknologi dan teknologi.

Anda juga dapat mempelajari cara berinvestasi pada galium dalam laporan khusus kami. Galium merupakan unsur penting dalam pembuatan laser dan kini berada di pusat perang dagang Amerika Serikat–Tiongkok.

Perusahaan Laser

II-VI Marlow / Coherent

Coherent adalah konglomerat industri besar dengan lebih dari 26.000 karyawan dan pemimpin dalam teknologi laser. Perusahaan ini terbentuk melalui merger antara perusahaan bahan canggih II-VI (COHR ) Marlow dan produsen laser Coherent.

Perusahaan ini ahli dalam bahan canggih yang digunakan pada laser, optik, dan fotonika, seperti indium fosfida, wafer epitaksial, dan galium arsenida. Pertumbuhannya sebagian besar didorong oleh sejumlah akuisisi selama satu dekade terakhir.

Sumber: Coherent

Perusahaan memperoleh 29 persen pendapatannya langsung dari laser. Sisanya berasal dari peralatan terkait seperti serat optik dan elektronik. Kategori instrumentasi terutama mencakup aplikasi ilmu hayati dan medis.

Sumber: Coherent

Kehadiran perusahaan dalam bahan canggih seperti termofotovoltaik, silikon karbida, laser, dan elektronik membantunya memanfaatkan tren struktural berupa pertumbuhan manufaktur presisi, manufaktur aditif atau pencetakan 3D, elektrifikasi, dan energi terbarukan. Kami membahas termofotovoltaik dalam artikel sebelumnya.

Perusahaan baru-baru ini memisahkan bisnis silikon karbidanya menjadi entitas baru yang 75 persen dimiliki Coherent. Sisanya dimiliki secara merata oleh Mitsubishi Electric, yang menyumbangkan kekayaan intelektual daya silikon karbida, dan Denso, yang membawa bisnis pemasok otomotifnya dalam elektrifikasi dan semikonduktor daya.

Hal ini karena silikon karbida semakin berkembang menjadi teknologi tersendiri yang terutama digunakan dalam aplikasi berdaya tinggi seperti kendaraan listrik, baterai, dan energi terbarukan.

Coherent merupakan pemimpin dalam lidar dan pengindraan digital 3D, termasuk untuk aplikasi kendaraan otonom, sel alir sekuensing generasi berikutnya (NGS) untuk bioteknologi, serta laser untuk manufaktur semikonduktor. Perusahaan memperkirakan pasar utamanya tumbuh 8–20 persen.

Sumber: Coherent

Calon aplikasi laser baru lainnya, seperti senjata energi terarah, komputasi fotonik, fusi nuklir, dan teknologi antariksa, juga dapat menopang pertumbuhan jangka panjang perusahaan.

Secara keseluruhan, Coherent sedekat mungkin dengan perusahaan laser murni yang diperdagangkan di bursa bagi investor yang tertarik pada sektor ini. Perusahaan memiliki integrasi vertikal yang kuat dan lebih dari 3.100 paten yang melindungi inovasinya.