Karakteristik Sinar Analisa Data Diagram Kerja

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Karakteristik Sinar

Sinar merupakan berkas sempit sempit cahaya yang diidealkan. Sinar dapat digunakan untuk menjelaskan dua aspek penting mengenai perambatan cahaya yakni pemantulan dan pembiasan. Ada beberapa efek yang ditimbulkan akibat interaksi sinar dengan permukaan suatu benda yakni :  Sinar datang, dimana berkas cahaya yang menyentuh permukaan. Sudut antara sinar ini dan garis tegak lurus dengan permukaan garis normal yang disebut sudur datang.  Sinar pantul, dimana yang berhubungan dengan sinar datang, merupakan sinar yang mewakili cahaya yang dipantulkan oleh permukaan. Sudut pantul adalah sudut yang terbentuk antara garis normal dengan sinar pantul.  Sinar bias, dimana berhubungan dengan sinar datang, cahaya yang diteruskan atau ditransmisikan melalui permukaan. Sudut antara sinar ini dengan garis normal dikenal dengan sudut pembiasan. Pada Hukum Snellius ditunjukkan hubungan antara sudut datang dan sudut bias pada cahaya atau gelombang lainnya, yakni dapat dirumuskan secara matematik : 2.1 http:id.wikipedia.orgwikiSinar Universitas Sumatera Utara

2.2 Spektrum Elektromagnetik

Cahaya merupakan sebuah gelombang dan partikel. Pada hal cahaya tampak, dimana radiasi elektromagnetik dapat dengan mudah dilihat oleh mata manusia, panjang gelombang cahaya tampak bergantung pada warna cahaya tampak. Cahaya merah memiliki panjang gelombang sekitar 650 nm dan biru cerah memiliki panjang gelombang sekitar 500 nm. Radiasi elektromagnetik mencakup semua spektrum elektromagnetik yakni gelombang radio, gelombang mikro, radiasi infra merah, cahaya tampak, radiasi ultraviolet, sinar X dan sinar gamma seperti terlihat pada gambar 2.1 dibawah ini. Mark Csele, 2004 Gambar 2.1 Spektrum elektromagnetik Mark Csele, 2004 2.3 Laser Semenjak ditemukannya MASER Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation oleh Charles H. Townes, MASER merupakan cikal bakal ditemukannya LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Laser merupakan pengembangan dari Maser yang dikembangkan oleh Theodore Maiman pada tahun 1960 yang pada saat itu mengunakan kristal rubi untuk menghasilkan cahaya laser walaupun pada tahun 1917 Albert Einstein telah mempublikasikan teori dasar tentang laser. Laser merupakan gelombang elektromagnetik. Bagian spektrum radiasi elektromagnetik dapat ditunjukkan pada gambar 2.1 untuk wilayah yang dicakup dengan laser yang sudah ada saat ini. Panjang gelombang dari laser dimulai dari rentang spektrum far infrared jauh = Universitas Sumatera Utara 1,000 m sampai pada bagian spektrum soft-X-ray = 3nm. William T. Silfvast, 2004 Gambar 2.2 Panjang gelombang beberapa laser William T. Silfvast, 2004

2.3.1 Definisi Laser

Laser merupakan akronim dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Laser yang sudah dikembangkan saat ini terdiri dari beberapa jenis. Berdasarkan sifat keluarannya, jenis laser dapat dibagi menjadi dua kategori yakni laser kontinyu dan laser pulsa. Laser kontinyu memancarkan cahaya yang tetap selama medium lasernya tereksitasi sementara itu laser pulsa memancarkan cahaya dalam bentuk pulsa pada interval waktu tertentu. William T, Silfvast, 2004 Pada umumnya laser merupakan seperangkat alat yang menghasilkan atau memperkuat cahaya dan seperangkat tabung vakum hampa dan penguat sinyal elektronik pada frekuensi audio, radio atau gelombang mikro. Disini pengertian cahaya harus dipahami secara luas karena perbedaan dari keanekaragaman laser yang dapat memperkuat radiasi mulai dari panjang gelombang infra merah paling jauh, penggabungan dari gelombang millimeter dengan gelombang mikro, sampai pada daerah cahaya tampak dan sekrang diperluas sampai pada daerah vakum ultraviolet serta daerah sinar X. Laser dapat dikategorikan kedalam beberapa bentuk, berdasarkan perbedaan penggunaan material laser, perbedaan sistem atomiknya dan pengunaan berbagai jenis pemompa atau teknik pengeksitasiannya. Radiasi dari sinar laser, sebagai pemancar atau penguat, memiliki karakteristik Universitas Sumatera Utara yakni keterarahan, intensitas yang tinggi, tingkat kecerahan yang tinggi dan monokromatik. Anthony E. Siegmen, 1986

2.3.1.1 Light

Dari sudut pandang fisikawan, terdapat dua model untuk menggambarkan sifat dari cahaya. Yang pertama, cahaya merupakan partikel dan yang kedua cahaya merupakan sebuah gelombang elektromagnetik, yang mungkin sebagai contoh cahaya dapat merambat dalam sumbu x. 2.2 E adalah amplitudo dari medan elektrik Ω merupakan rotasi frekuensi dengan ω = 2 = 2 T, dimana adalah osilasi frekuensi dan T adalah osilasi waktu. ƙ merupakan vektor gelombang dengan nilai ƙ = 2 dimana adalah panjang gelombang. Panjang gelombang dan osilasi frekuensi adalah korelasi dari kecepatan cahaya ϲ dengan : 2.3 Kecepatan cahaya memiliki nilai sebesar 299792458 ms -1 atau secara umum dibulatkan menjadi 3 × 10 8 ms -1 . Sejak cahaya tampak berada pada range panjang gelombang = 400 nm biru – 800 nm merah, osilasi frekuensi cahaya tampak bervariasi dari 7.5 × 10 14 Hz sampai 3.75 × 10 14 Hz. Pemahaman cahaya sebagai sebuah gelombang elektromagnetik cukup digambarkan pada proses refraksi dan difraksi ketika sebuah berkas cahaya menyebar melalui beberapa material berbeda. Sekarang, cahaya dapat digambarkan sebagai fluks sebuah foton. Setiap foton diuraikan dengan kecepatan cahaya dan megandung energi sebesar : Universitas Sumatera Utara 2.4 Dimana adalah frekuensi dan h adalah konstanta Planck h = 6.675 × 10 -31 Js.

2.3.1.2 Amplification

Amplifier sudah kita kenal sejak diaplikasikan pada TV set, radio dan telepon genggam yang kita gunakan sehari-hari. Pada umumnya, ketika sebuah signal dengan amplitudo yang kecil yang diteruskan ke amplifier sebagai masukan, signal tersebut muncul dengan amplitudo beberapa kali lebih tinggi pada keluarannya. Selama bertahun-tahun, komponen elektronika dirancang dari semikonduktor yang dapat lebih cepat membawa beberapa frekuensi gigahertz sehingga diperkuat tanpa penyimpangan yang signifikan. Namun amplifier elektronik tetap tidak memadai untuk amplifikasi gelombang elektromagnetik dengan fekuensi dalam kisaran 10 14 Hz. Amplifikasi osilasi frekuensi dari cahaya tampak memerlukan proses fisik yang sama sekali berbeda, yakni amplifikasi dengan menstimulasi emisi cahaya yang dijelaskan pertama kali pada tahun 1922 oleh Albert Einstein. Hans – Jochen Forth, 2008 Pada laser, yang proses yang terpenting adalah proses dasar yang memungkinkan penguatan amplification pada frekuensi optik sampai pada frekuensi yang diperoleh. Proses ini menggunakan energi yang terlibat ketika partikel yang berlainan membentuk materi, terkhususnya atom-atom, io-ion dan molekul-molekul yang berpindah dari tingkat energi yang satu ke tingkat energi yang lainnya. Colin E. Webb, 2004

2.3.1.3 Stimulated Emission dan Spontaneous Emission

Ketika sebuah partikel secara spontan berpindah dari tingkat energi lebih tinggi ke tingkat energi lebih rendah yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 b, foton yang dipancarkan memiliki frekuensi : Universitas Sumatera Utara 2.5 Foton ini dipancarkan pada sebuah arah yang acak dengan polarisasi yang berubah-ubah kecuali pada medan magnet. Foton membawa pergi momentum h = h c dan partikel yang dipancarkan atom, molekul atau ion mundur dalam arah yang berlawanan. a Absorpsi b Emisi spontan c Emisi terstimulasi Gambar 2.3 Interaksi cahaya dengan 2 level sistem Hans – Jochen Foth, 2008 Pada umumnya, ketika sebuah elektron berada dalam keadaan energi tereksitasi, elektron tersebut akan kekurangan energi karena melepaskan sebuah foton radiasi mengalami transisi menuju keadaan dasarnya dan memancarkan foton. Kejadian ini disebut emisi spontan spontaneous emission dan foton yang dipancarkan dalam arah dan fase yang acak. Radiasi pada atom-atom atau molekul-molekul dapat menyebabkan penyerapan sinar. Dalam mekanika kuantum, energi dari foton harus sebanding dengan jarak antara tingkat energi. Sebagai contoh : 2.6 dimana u mewakili kepadatan kekuatan dari medan radiasi pada frekuensi , dt adalah interval waktu dan B 12 adalah koefisien Einstein untuk peralihan dari level 1 ke level 2. Universitas Sumatera Utara Energi yang tersimpan pada level 2 dengan populasi N 2 tidak akan tinggal untuk selamanya. Energi tersebut bertahan pada range 10 -8 s dimana energi disini dipancarkan ulang secara spontan melalui emisi foton lihat pada Gambar 2.1 b. Laju transisi untuk emisi spontan ini adalah : 2.7 A 21 merupakan koefisien Einstein untuk transisi secara spontan dari level 2 ke level 1. Hans-Jochen Foth, 2008 Disisi lain, jika sebuah elektron berada pada tingkat energi E 2 dan mengalami peluruhan energi sampai pada tingkat energi E 1 , tetapi sebelumnya elektron tersebut memiliki kesempatan untuk meluruh secara spontan, maka sebuah foton yang dihasilkan dengan energi sebesar E 2 – E 1 akan memiliki panjang, arah dan fase gelombang yang persis sama dengan gelombang elektron tadi sehingga memperkuat energi cahaya yang datang. Proses ini disebut emisi terstimulasi. Absorpsi merupakan proses tereksitasinya elektron dari E 1 ke E 2 akibat penyeraapan foton dengan energi, dimana h E 2 – E 1 . Absorpsi, emisi spontan dan emisi terstimulasi akan digambarkan pada Gambar 2.4. www.bgu.ac.il~gleviwebsiteGuidesLasers Universitas Sumatera Utara Gambar 2.4 Emisi spontan dan emisi terstimulasi www.bgu.ac.il~gleviwebsiteGuidesLasers Laser merupakan alat yang menghasilkan dan memperkuat radiasi koheren pada frekuensi – frekuensi di daerah inframerah, cahaya tampak visible, atau daerah ultraviolet dari spektrum elektromagnetik. Laser menghasilkan cahaya yang merupakan radiasi elektromagnetik. Ketika radiasi elektrogamnetik berinteraksi dengan material, beberapa radiasi direfleksikan, beberapa diserap dan beberapa ditransmisikan. Koefisien absopsi tergantung pada medium panjang gelombang dari radiasi dan intesitas. Makin tinggi intensitas maka akan menghasikan banyak foton yang berinteraksi. Laser memanfaatkan proses yang meningkatkan atau memperkuat sinyal cahaya setelah sinyal tersebut telah dihasilkan dengan cara lain. Proses-proses ini terdiri dari emisi terstimulasi dan optik umpan balik yang dihasilkan oleh cermin. Dengan demikian, dalam bentuk yang paling sederhana, laser terdiri dari media penguatan dimana dirangsang oleh emisi terstimulasi dan cermin sebagai umpan untuk mengembalikan cahaya ke amplifier untuk proses penguatan sinyal cahaya selanjutnya lihat Gambar 2.5. William T. Silfvast, 2004 Universitas Sumatera Utara Gambar 2.5 Skema sederhana dari tipe laser William T. Silfvast, 2004 2.3.2 Komponen Laser Berdasarkan sifat keluarannya, ada dua jenis laser yakni laser kontinyu dan laser pulsa. Laser kontinyu adalah laser yang memancarkan cahaya yang tetap selama medium lasernya dieksitasi, sedangkan laser pulsa adalah laser yang memancarkan cahaya dalam bentuk pulsa pada interval tertentu. Komponen penting sebuah laser adalah laser resonator atau laser cavity. Laser cavity ini terdiri dari 3 komponen penting yaitu: 1. An lasing medium or gain medium Laser Medium Laser Biasanya terbuat dari bahan padatan seperti kristal, gelas, cairan seperti pelarut organic, gas seperti Helium, CO 2 atau semikonduktor dioda. 2. An energy source or pump Sumber energi atau pemompa energi Tempat terjadinya proses pelepasan energi tinggi, reaksi kimia, dioda, lampu kilat. 3. An optical resonator or optical cavity resonator optic atau rongga optik Terdiri dari rongga yang berisi media penguat, dengan 2 cermin yang paralel di kedua sisinya. Cermin pertama sebagai pemantul total dan cermin yang kedua sebagai pemantul sebagian yang memungkinkan beberapa cahaya meninggalkan rongga untuk menghasilkan keluaran sinar lase. Cermin kedua ini disebut the output coupler. Dr. Emily Simpson, 2012 Universitas Sumatera Utara Gambar 2.6 Tiga komponen laser Dr. Emily Simpson, 2012 Medium laser mengandung atom-atom yang mempunyai tingkat energi metastabil yang dapat dieksitasi dengan menyerap energi dari luar. Medium ini dapat berupa zat cair, gas maupun zat padat sehingga jenis-jenis laser juga dapat dikategorikan berdasarkan medium yang digunakan seperti laser CO 2 laser yang menggunakan medium gas, yakni gas CO 2 , laser DPSS laser yang menggunakan medium zat padat, yakni dioda dan laser cat dye laser. Laser membutuhkan energi untuk mengeksitasi atom-atom dalam medium laser. Energi ini diperoleh dari beberapa cara. Sebagai contoh pada laser CO 2 , energy eksitasi diperoleh dari sebuah lampu pelucut muatan discharge lamp. Sepasang cermin yaitu pemantul total high reflector dan pengganda keluaran output coupler berfungsi untuk memantulkan radiasi cahaya yang diemisikan oleh medium laser bolak-balik melewati medium sehingga terjadi penguatan yang sangat signifikan. Pemantul total mempunyai koefisien pemantulan 100 sementara pengganda keluaran mempunyai koefisien pemantulan lebih kecil sehingga sebagian dari cahaya laser dapat keluar dan digunakan untuk beberapa aplikasi. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.7 Skema rongga laser Laser Cavity Dr. Minarni, 2010 Dalam laser cavity, cahaya yang diemisikan atom-atom akan bolak-balik karena dipantulkan oleh kedua cermin, cahaya ini akan membentuk sebuah gelombang berdiri standing wave yang menentukan karakteristik frekuensi dan panjang gelombang laser yang dihasilkan. Gelombang berdiri didalam laser cavity harus memenuhi kondisi dimana simpul gelombang harus berada pada kedua ujung cavity tersebut, gelombang berdiri akan ada jika jumlah ½ gelombang dapat memenuhi jarank antara kedua cermin seperti yang ditunjuk pada Gambar 2.7, dimana : atau 2.8 Disini N adalah jumlah total dari ½ gelombang, L adalah jarak antara kedua cermin. Panjang gelombang dan frekuensi gelombang ke mode N diberikan oleh : , dan 2.9 Disini c adalah kecepatan cahaya dalam laser cavity, n adalah indeks bias medium laser, ∆ adalah perbedaan antara dua mode yang berdekatan atau disebut juga free spectral range FSR. Keluaran laser tidak sepenuhnya monokromatik tetapi mempunyai bandwitih ∆ dan beberapa longitudinal modes dengan perbedaan ∆ dapat tepat berada dalam bandwith tersebut. Dr. Minarni, 2010 Universitas Sumatera Utara

2.3.3 Karakteristik Laser Secara Umum

2.3.3.1 Koherensi

Laser memiliki aturan dan prinsip yang sama dengan sumber cahaya lainnya. Laser memiliki tiga karakter spesial yang menuntun pada kegunaannya di beberapa aplikasi yakni koheren, monokromatik dan keterarahan ditunjukkan pada Gambar 2.8. Koherensi merupakan karakter yang sangat menarik dari sinar laser. Karakter ini menyatakan bahwa semua foton teremisi dari sebuah laser memiliki fase yang sama ; sebagai gelombang dimana memiliki puncak dan lembah diwaktu yang sama. Sifat koherensi laser ini merupakan salah satu sifat yang sangat menarik dalam aplikasi komunikasi, tetapi sifat ini hanya menjadi kepentingan sekunder dalam menghasilkan efek laser. Koherensi tergantung pada celah sudut divergensi sinar. Sebuah sinar yang tidak koheren hanya dapat difokuskan pada daerah yang sempit. Sinar laser berbeda dengan cahaya putih dalam hal koherensinya. Hal ini disebabkan karena laser memiliki panjang gelombang yang sama dan semua gelombang berjalan dalam satu fase. Karena masing-masing gelombang tidak saling bertubrukan dan divergen, intensitas cahaya yang tinggi dapat dihasilkan dengan memfokuskannya dengan bantuan sebuah lensa. Gambar 2.8 Karakteristik sinar laser Mark Csele, 2004 Universitas Sumatera Utara Untuk tinggal pada fase ini diperlukan foton-foton yang teremisi memiliki panjang gelombang yang sama. Jika beberapa foton memiliki panjang gelombang yang berbeda, fase-fase dari foton-foton tersebut akan relatif berbeda dari yang lainnya dan sinarnya tidak akan koheren. Foton-foton tersebut harus menjadi sangat terarah ketika berpindah pada arah yang sama. Mark Csele, 2004

2.3.3.2 Monokromatik

Karena kaca prisma bersifat dispersi, kaca prisma dapat memisahkan cahaya putih menjadi beberapa komponen warna Gambar 2.9a. Lebar pita pada cahaya putih adalah selebar seluruh spectrum tampak, yakni 300 nm. Jika cahaya misalnya cahaya merah normal jatuh pada prisma, cahaya merah tersebut dipisahkan pada komponen panjang gelombangnya juga. Pada kasus ini, bagaimanapun juga, lebar pita jauh lebih kecil, hanya sekitar 10 atau 20 nm. Prisma akan menghasilkan berkas warna yang sempit dengan range dari warna merah gelap sampai merah terang Gambar 2.9b, tetapi prisma akan memiliki pengaruh yang terlihat pada laser cahaya merah pada Gambar 2.9c karena lebar pitanya makin kecil dibandingkan dengan cahaya merah dari filter pada Gambar 2.9b. Gambar 2.9 Sebuah prisma dapat digunakan untuk pengertian konsep monokromatik Breck Hitz, 2001 Pada umumnya sifat monokromatik memainkan peran sangat sedikit dalam menghasilkan efek laser. Monokromatik adalah kemampuan laser untuk Universitas Sumatera Utara menghasilkan sinar yang memiliki panjang gelombang yang sama. Ketika cahaya putih tersebar melalui prisma, cahaya itu terdiri dari jumlah tak terbatas panjang gelombang cahaya yang meliputi seluruh spektrum cahaya tampak serta ke daerah UV dan IR. Dengan mempertimbangkan garis emisi dari pelepasan gas, garis- garis ini jauh lebih sempit bila dilihat pada sebuah spektroskop. Rentang range panjang gelombang tergantung pada banyak faktor seperti tekanan gas, dengan range perubahan menjadi 0,1 nm dari lebar panjang gelombang sebelumnya.

2.3.3.3 Keterarahan directionality

Divergensi laser diukur dalam satuan mili radian. Ukuran ini sangat kecil dan merupakan hasil dari persyaratan bahwa cahaya harus membuat banyak pantulan pada laser resonator sebelum cahaya tersebut melalui cermin yang sebagian ditransmisikan. Hanya sinar yang berada pada garis tengah resonator yang dapat membuat sejumlah putaran yang diperlukan untuk menghasilkan sinar yang searah dengan sudut penyimpangan yang kecil Gambar 2.10. Gambar 2.10 Karena cahaya pada medium laser membuat beberapa putaran diantara cermin, cahaya laser muncul dengan sudut penyimpangan yang kecil Breck Hitz, 2001 Keterarahan dari radiasi merupakan faktor penting pada kemampuan laser dalam memancarkan radiasi yang tinggi ke target untuk memproduksi efek yang khas. Keterarahan merupakan konsekuensi langsung ditempatkannya bahan aktif dalam rongga resonansi. Hanya gelombang yang merambat dalam arah yang tegak lurus terhadap cermin-cermin yang dapat dipertahankan dalam rongga. Breck Hitz, 2001 Universitas Sumatera Utara Karakteristik laser yang satu ini disebabkan oleh adanya medium atau material aktif yang dtempatkan pada rongga resonator. Sebagai contoh pada kasus bidang parallel yang ditunjukkan pada Gambar 2.11, hanya sebuah gelombang yang menyebar dalam arah yang orthogonal ke cermin atau pada arah yang sangat dekat dengan cermin yang dapat terus menerus berada dalam rongga. Orazio Svelto, 2010 Gambar 2.11 Skema laser Orazio Svelto, 2010 2.3.3.4 Kecerahan Brightness Kecerahan suatu sumber cahaya didefenisikan sebagai daya yang dipancarkan persatuan luas permukaan persatuan sudut ruang : 2.10 Kecerahan yang dihasilkan sinar laser jauh lebih cerah dibandingkan dengan cahaya biasa. Hal ini dikarenakan diameter sinar sangat kecil karena sudut penyebarannya kecil dan sinar laser memiliki koherensi yang tinggi. Dari persamaan 2.10, kita dapat menjelaskan bahwa tingkat kecerahan dari gelombang elektromagnetik tertentu sebagai kekuatan yang dipancarkan per unit ke permukaan area per sudut ruang. Kecerahan adalah parameter yang sangat penting dari cahaya laser dan pada umumnya pada sumber cahaya lain. Untuk mengilustrasikannya yang pertama kita ingat adalah jika kita membentuk sebuah bayangan dari beberapa sumber cahaya melalui sistem optik diasumsikan objek dan bayangan terletak pada medium yang sama misalnya udara, maka berlaku Universitas Sumatera Utara prinsip dimana tingkat kecerahan dari bayangan selalu kurang dari atau sama dengan sumber dan kesetaraan terjadi etika sistem optik menghasilkan pencitraan cahaya kurang dari yang dipancarkan oleh sumber. Orazio Svelto, 2010

2.3.4 Laser CO

2 Laser CO 2 adalah salah satu laser yang menghasilkan energi yang tinggi energi yang dihasilkan lebih dari 100kW dan salah satu laser yang efisien slope efesiensinya sekitar 15-20. Pada laser ini, molekul CO 2 berosilasi pada panjang gelombang 10,6 m di daerah infra merah. Transisi yang penting terjadi diantara tingkat energi vibrasi dari molekul CO 2. Laser CO 2 merupakan laser yang beroperasi secara kontinyu, pulsa atau Q-switching. Bahkan dengan daya beberapa watt, laser CO 2 mampu memancarkan sepersekian watt dapat memotong beberapa material untuk pijaran dengan cepat. Laser CO 2 saat ini banyak digunakan dalam proses pemotongan logam, bahan tenunan dan pengelasan logam. Struktur design laser CO 2 dapat dilihat pada Gambar 2.12. Gambar 2.12 Design laser CO 2 D.J Knapp, 1996 Pengosongan listrik yang menstimulasi banyak laser gas adalah pengosongan cahaya atau sebuah busur yang dipertahankan dengan sebuah anoda dan katoda pada ujungnya, plasma tipis atau tabung pengosongan. Beberapa laser distimulasi dengan sebuah pengosongan dengan menggunakan frekuensi radio. Universitas Sumatera Utara Semua laser tersebut beroperasi dengan tekanan gas dibawah tekanan atmosfer. Matt Young, 2000

2.3.5 Laser DPSS Diode-Pumped Solid State

Sebuah laser dalam bentuknya paling dasar terdiri dari sebuah penguat elemen yang terkandung dalam dalam sebuah resonator optik. Untuk memproduksi pancaran laser, penguat elemen harus distimulasi. Stimulasi ini dapat diberikan dengan pelepasan elektrik melalui sebuah plasma yang digunakan pada laser ion argon atau dengan radiasi optik seperti yang diberikan pada cahaya lampu. Gambar 2.13 merupakan skema dari laser pemompa. Pada beberapa zat padat tetapi tidak untuk semikonduktor media penguatan laser adalah insulator elektrik, eksitasi optik merupakan cara yang paling tepat untuk memproduksi penguatan. Dioda pemompa merupakan sebuah tipe pemompa optik dan memiliki fitur tertentu yang sama dengan jenis pemompa optik yang lain. Gambar 2.13 Skema dari laser pemompa www.bgu.ac.il~gleviwebsiteGuidesLasers Laser dioda adalah salah satu jenis laser yang banyak digunakan untuk berbagai aplikasi. Laser dioda adalah jenis laser zat padat yaitu terbuat dari bahan semikonduktor. Sambungan p-n mirip dengan yang terdapat pada dioda pemancar cahaya Light Emitting Diode. Prinsip kerja laser ini sama seperti dioda semikonduktor lainnya yaitu terdiri dari sambungan P dan N. Proses pembangkit laser pada bahan semikonduktor pada dasarnya adalah transisi elektron dari pita Universitas Sumatera Utara konduksi ke pita valensi dan disertai dengan radiasi gelombang eleektromagnetik laser. Transisi elektron akan terjadi bila dipicu oleh sinyal listrik elektron dan diikuti oleh transisi elektron-elektron lain yang ada di pita konduksi sehingga terjadi mekanisme penguatan. Dengan kata lain, transisi antar pita ini menimbulkan radiasi gelombang elektromagnetik yang diperkuat. www.bgu.ac.il~gleviwebsiteGuidesLasers

2.3.6 Laser He-Ne

Laser Helium Neon He-Ne adalah salah satu laser gas yang paling ekonomis dan umum digunakan dipasaran. Laser yang biasa digunakan biasanya dirancang untuk beroperasi pada panjang gelombang 632,8 nm dengan cahaya berwarna merah meskipun masih banyak jenis laser He-Ne dengan variasi panjang gelombang seperti, laser He-Ne dengan panjang gelombang 543,5 nm hijau, 594,1 nm kuning, 611,9 nm jingga dan lain sebagainya. Biasanya penggunaan laser He-Ne banyak ditemukan pada holografi, spektroskopi, metrologi, perwawatan medis, bar code scanning dan sebagainya. Laser He-Ne pada dasarnya merupakan rongga optik yang terdiri dari sebuah tabung kaca dengan cermin pada kedua ujungnya dimana cermin pada bagian belakang bersifat 100 reflektor dan cermin bagian depan bersifat 99 reflektor. Cermin bagian depan biasanya disebut dengan cermin coupler. www.powertechnology.com Gambar 2.14 Skema laser He-Ne www.powertechnology.com Universitas Sumatera Utara Pada umumnya energi yang dihasilkan oleh laser He-Ne berkisar 1 mW untuk tabung laser He-Ne yang kecil dan 100 mW untuk tabung laser He-Ne yang besar. Laser He-Ne menggunakan campuran helium dan neon murni dalam perkiraan rasio 10 : 1. Mark Csele, 2004 Universitas Sumatera Utara BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 3.1.1 Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Laser Pusat Penelitian Fisika PPF Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia LIPI, Serpong, Tangerang Selatan, Banten.

3.1.2. Waktu Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan pada tahun ajaran 20122013.

3.2 Alat, Software dan Laser yang Diteliti

Pada penelitian ini, obyek yang diteliti adalah laser CO 2 , laser DPSS dan laser He- Ne. Seperti yang kita ketahui, laser CO 2 , laser DPSS dan laser He-Ne memiliki spesifikasi masing-masing misalnya daya, profil berkas dan panjang gelombangnya. 3.2.1 Alat Penelitian 3.2.1.1 Alat Laser CO 2 Kontinyu

1. Laser Head Bagian Utama Laser

Laser Head memiliki berat sekitar 40 kg terdiri dari sebuah tabung plasma tabung lucutan dengan 2 bagian dengan anoda pada bagian tengah dan sebuah katoda Universitas Sumatera Utara pada bagian belakang. Tabung ini ditutup oleh cermin keluaran output mirror pada bagian depan dan cermin satunya pada bagian belakang brewster window. Setiap kali panjang gelombang yang berbeda dipilih, modus operasi tunggal single mode operation hanya akan dicapai ketika panjang gelombang merupakan kelipatan dari bilangan bulat integer. Ketika laser utama sedang beroperasi, besar tegangan pada koneksi bagian tengah tabung sebesar 5000 volt sampai 10000 volt. Laser utama Laser Head terdiri dari dua lapisan yakni lapisan pertama tempat mengalirnya air dimana air disini digunakan sebagai pendingin cooling tabung plasma tabung lucutan saat terjadi proses pembentukan laser CO 2 dan lapisan kedua yakni tempat katoda dan anoda serta tempat bertemunya gas CO 2 , Ne dan He sebagai gas campuran untuk membentuk laser CO 2 . Pada lapisan kedua inilah tempat berlangsungnya proses pembentukan laser CO 2 . Gambar 3.1 Laser head CO 2

2. Kotak Pengontrol

Kotak pengontrol Gambar 3.2 terdiri dari sumber tegangan, vacuum pump dan fluid control. Cermin Belakang Tabung Plasma Cermin Depan Universitas Sumatera Utara Gambar 3.2 Kotak pengontrol  Sumber Tegangan Power Supply Sumber tegangan merupakan tegangan tinggi yang terdiri dari sebuah transformator beserta kapasitor penyaring filter capasitor. Transformator trafo yang digunakan disini berfungsi sebagai catu daya untuk mensuplai arus listrik ke tabung plasma tabung utama. Catu daya berfungsi mengubah arus listrik bolak- balik menjadi arus listrik searah yang dibutuhkan tabung plasma untuk mengeksitasi elektron-elektron gas campuran. Gambar 3.3 Rangkaian sumber tegangan Trafo Kapasitor Penyaring Pengontrol Sumber Tegangan Control Fluid Tombol onoff Universitas Sumatera Utara  Vacuum Pump Vacuum Pump adalah alat pemompa air yang terdapat pada water cooling yang dialirkan ke tabung plasma. Gambar 3.4 Rangkaian vacuum pump pada kotak pengontrol  Fluid Control Fluid Control merupakan alat pengontrol besarnya tekanan gas campuran yang akan dialirkan ke tabung plasma.

3. Pendingin Air

Water Cooling Pendingin air diperlukan laser CO 2 bukan hanya untuk menghilangkan debit panas tetapi juga untuk mengurangi populasi termal dari tingkat energi yang lebih rendah. Daya keluaran dari laser CO 2 cukup sensitif terhadap temperatur plasma. Untuk itu, banyak laser memiliki sensor termal pada tabung pendingin air yang dirancang untuk mematikan laser pada suhu 40 - 50 C.

4. Tabung Gas Campuran

Mix Gas Tabung gas campuran terdiri dari gas CO 2 dengan kadar 4,5 , gas N 2 dengan kadar 13,5 , serta gas Helium dengan kadar 82 atau dengan perbandingan 1 : 2 : 8. Gas – gas ini merupakan bahan utama pembentukan laser CO 2 dan memiliki fungsi masing-masing sesuai kadarnya. Vacuum Pump Universitas Sumatera Utara

5. Sensor Cahaya

Cahaya sebagai hasil keluaran dari proses pembentukan laser CO 2 tidak dapat dilihat oleh mata karena panjang gelombang pada laser CO 2 telah melebihi panjang gelombang batas maksimum cahaya yang dapat dilihat oleh mata yakni 700 nm. Hasil keluaran yang dapat dirasakan berupa panas. Oleh karena itu, sensor cahaya yang digunakan untuk menangkap cahaya laser CO 2 disesuaikan dengan panjang gelombang laser CO 2 agar dapat terdeteksi, yaitu salah satunya dengan menggunakan karbon blok. Gambar 3.5 Sensor cahaya dan tabung gas campuran

6. Power Meter

Power meter digunakan sebagai alat untuk mengukur besar daya yang dihasilkan oleh laser CO 2 . Sensor Cahaya Tabng Gas Campuran Universitas Sumatera Utara Gambar 3.6 Power meter digital Gambar 3.7 Rangkaian laser CO 2

3.2.1.2 Alat Laser DPSS

1. Sumber Tegangan

Power Suply Sumber tegangan merupakan penyuplai arus yang akan dialirkan ke rangkaian laser DPSS. Universitas Sumatera Utara

2. Cermin

Disini cermin berfungsi sebagai pemantul cahaya yang dipancarkan laser DPSS yang diarahkan ke sensor cahaya. Pada pengukuran besar daya yang dihasilkan selain memvaiasikan besar arusnya, variasi penggunaan cermin dan tanpa cermin dilakukan untuk mengetahui pengaruh pemantulan cahaya laser oleh cermin terhadap besar daya laser DPSS yang dihasilkan. Gambar 3.8 Cahaya laser DPSS yang dipantulkan ke cermin

3. Power Supply Unit

Pengontrol laser DPSS terdapat pada power supply unit dimana terdapat tombol onoff untuk menghidupkan atau mematikan laser DPSS. Pengontrol laser DPSS ini juga merupakan alat pengontrol besar arus, dimana arus yang diberikan terdiri dari arus setting I set yang merupakan besar arus yang diinginkan diatur dan arus monitor I mon yang merupakan besar arus yang muncul pada monitor pengontrol laser DPSS. Besar arus setting dengan arus monitor memiliki perbedaan yakni sebesar 0,3 A. Misalnya, apabila besar arus setting 1 A maka besar arus monitor yang tampil pada layar pengontrol sebesar 0,7 A. Cermin Laser DPSS Universitas Sumatera Utara Gambar 3.9 Power supply unit pada laser DPSS

4. Power Meter

Power meter merupakan alat pengukur besar daya ataupun energi yang dihasilkan laser DPSS.

5. Sensor Cahaya

Sensor cahaya merupakan alat untuk menangkap cahaya yang dipancarkan oleh laser DPSS yang dihubungkan ke power meter untuk mengkonversikan besar daya yang dihasilkan laser.

3.2.1.3 Beam Profiler

Seperangkat beam profiler terdiri dari :

1. CCD

Charge Coupled Device CCD merupakan sebuah sensor untuk merekam gambar cahaya yang dipancarkan oleh laser. Hasil gambar tersebut ditransmisikan ke PC Personal Computer. Jenis CCD yang dipakai adalah LBA-FW-FX33 Fire Wire Camera System Camera and Software included. dengan rincian keterangan CCD sebagai berikut : - Spectral response : 350 – 110 nm 193 – 360 nm dengan UV image converter - Max beam size : 4,7 mm x 3,6 mm - Pixal spacing : 7,4 um x 7,4 um - Saturation intensity : 1,0 uWcm 2 - Lowest measurable signal : 0,6 nWcm 2 Universitas Sumatera Utara - PC interface : IEEE 1394 Firewire - Software Supported : LBA-FW BeamStar

2. Personal Computer Komputer

Komputer digunakan sebagai alat untuk menampilkan tampilan berkas cahaya laser yang telah diproses oleh software yang telah diinstalasi pada komputer.

3. Filter

Filter atau ND biasanya disebut Neutral Density Attenuators merupakan penyaring intensitas cahaya laser. Filter dipasangkan pada ujung CCD. Pemasangan filter pada CCD ini bertujuan untuk menurunkanmengurangi intensitas cahaya yang dihasilkan sinar laser agar tidak merusak CCD. Ada tiga jenis filter yakni filter yang berwarna merah, hitam dan hijau. Filter merah biasanya dilambangkan dengan ND1 dengan transmisi cahaya sebesar 10, filter hitam dilambangkan dengan ND2 dengan transmisi sebesar 1 dan filter hijau dilambangkan dengan ND3 dengan transmisi sebesar 0,1. Filter ini dirancang tidak mempengaruhi kualitas dari sinar laser dan tidak menimbulkan efek antar muka. Gambar 3.10 Beam profiler Separangkat CCD dan filter CCD Filter Universitas Sumatera Utara

3.2.1.4 Pengamatan Spektrum Panjang Gelombang Laser

1. Cermin

Cermin digunakan adalah cermin datar yang berfungsi untuk memantulkan cahaya laser.

2. Vacuum Chamber

Vacuum chamber biasanya digunakan untuk tempat interaksi material dengan sinar laser. Namun dalam penelitian ini, vacuum chamber digunakan sebagai tempat untuk mengumpulkan cahaya laser dimana cahaya ini merupakan hasil pantulan dari cermin datar.

3. Spektrometer HR4000

Spektrometer HR4000 merupakan alat optik yang digunakan untuk mengolah spektrum cahaya laser yang ditangkap oleh fiber optik dan mengukur spektrum cahaya laser secara spesifik yakni panjang gelombang dan intensitas cahaya laser.

3.2.2 Laser yang Diteliti

1. Laser CO

2 Salah satu contoh laser yang bahan mediumnya berasal dari gas yakni laser CO 2 . Laser CO 2 memiliki panjang gelombang sekitar 10,6 m dan berkas sinar laser CO 2 ini dapat mengabsorbsi beberapa bahan material dan mudah dijadikan panas. Keluaran daya yang dihasilkan laser CO 2 memiliki range mulai dari daya besar sampai daya yang besar sekali jika dibandingkan dengan laser pada umumnya, seperti laser He-Ne, dengan daya keluarannya lebih dari 50kW. Laser CO 2 yang digunakan merupakan laser buatan Laser Electronics PTY Ltd dengan ketetapan tegangan laser CO 2 ini sebesar 7 kilo volt.

2. Laser DPSS

Laser DPSS merupakan salah satu contoh dari laser yang bahan mediumnya berasal dari padatan solid state. Laser DPSS yang Universitas Sumatera Utara merupakan buatan Elforlight Ltd ini adalah laser DPSS yang menghasilkan sinar laser berwarna hijau dengan panjang gelombang 532 nm dengan arus dioda yang dihasilkan selama beroperasi maksimal sebesar 3,4 ampere dengan ketetapan tegangannya sebesar 100-240 VAC.

3. Laser He-Ne

Laser He-Ne merupakan salah satu contoh lainnya dari laser yang bahan mediumnya berasal dari gas yakni gas helium dan gas neon dengan ratio gasnya 10:1. Laser He-ne yang digunakan adalah laser He-Ne model 124B dengan power supplay model 255 dengan ketetapan tegangannya sebesar 5 – 12 kilo volt. Laser He-Ne ini buatan Laser Products Divison, dengan panjang gelombang yang dihasilkan sebesar 632,8 nm.

3.2.3 Software

Software yang dipakai dalam penelitian karakteristik laser ini adalah Laser Beam Analyzers versi 4.80 buatan Spiricon Inc. yang digunakan untuk menampilkan bentuk 2 dimensi dan 3 dimensi dari sinar laser dan SpectralLine Database Searching buatan Ocean Optics Inc. yang digunakan untuk mengukur spektrum cahaya laser yakni panjang gelombang laser. 3.3 Prosedur Penelitian 3.3.1 Pengkuruan Daya Laser Dalam prosedur pengukuran besar daya, laser yang digunakan adalah laser CO 2 dan laser DPSS. Pada pengukuran besar daya dilakukan dengan memvariasikan besar arus yang diberikan pada laser. Secara garis besar skematik dari proses pengukuran daya pada laser CO 2 dapat dilihat pada Gambar 3.11 berikut. Universitas Sumatera Utara Water Cooling Power Supply Control Fluid Flow Vacuum Pump Gas Mix Laser Tabung plasma Sensor Cahaya Power Meter Gambar 3.11 Diagram blok pengukuran daya pada laser CO 2 Air, yang digunakan sebagai pendingin, diatur dengan menggunakan control fluid flow, dipompa dan dialirkan ke tabung utama tabung lucutantabung plasma. Gas campuran dialirkan ke laser utama tabung lucutan. Katoda dan anoda yang terdapat pada tabung plasma dihubungkan ke power supply sehingga terjadi proses penyuplaian tegangan tinggi ke tabung plasma. Atom-atom pada gas campuran yang telah masuk kedalam tabung plasma mengalami eksitasi dikarenakan adanya tegangan tinggi yang dihasilkan anoda dan katoda. Akibat adanya eksitasi oleh atom-atom ini, maka atom ini memancarkan foton. Foton bergerak ke kiri dan dipantulkan kembali oleh cermin depan tabung plasma begitu seterusnya sehingga foton-foton mengalami osilasi. Akibat osilasi yang secara terus menerus ini, foton-foton yang sangat kuat keluar melalui cermin depan tabung plasma sebagai cahaya laser CO 2 . Cahaya laser CO 2 ini tidak dapat dilihat oleh mata. Cahaya laser CO 2 ini ditangkap oleh sensor cahaya, yang telah disesuaikan dengan besar panjang gelombang laser CO 2, ke power meter sehingga dapat terdeteksi besar energi yang dihasilkan oleh laser CO 2. Pengukuran daya dilakukan 5 kali dalam sehari dimana pengukuran dilakukan 2 hari berturut-turut. Selanjutnya proses pengolahan data Universitas Sumatera Utara berupa numerik dan grafik akan dianalisa secara kuantitatif hingga diperoleh suatu kesimpulan. Pada laser DPSS, dalam pengukuran besar daya yang dihasilkan selain memvariasikan besar arus yang diberikan, digunakan juga variasi cermin. Cermin disini hanya bersifat untuk memantulkan berkas sinar laser. Secara skematik proses pengukuran daya laser DPSS dengan menggunakan cermin dapat dilihat melalui diagram blok pada Gambar 3.12. Power Suplay Control Laser DPSS Cermin Sensor Cahaya Power Meter Power Supply Control Laser DPSS Cermin Sensor Cahaya Power Meter Laser DPSS Gambar 3.12 Diagram blok pengukuran daya pada laser DPSS sebagai fungsi arus dengan penggunaan cermin Sumber tegangan diberikan sebagai suplai arus ke laser DPSS. Setelah laser DPSS aktif, besar arus yang masuk ke laser DPSS dapat diatur oleh control Laser DPSS sesuai dengan kebutuhan yang diperlukan. Besarnya kuantitas cahaya laser yang dikeluarkan tergantung besar arus yang diatur pada control laser DPSS. Cahaya laser DPSS yang keluar akan di pantulkan oleh cermin. Cermin yang dipakai adalah cermin datar. Pantulan cahaya dari cermin akan mengenai sensor cahaya yang terhubung ke power meter. Besar daya yang dihasilkan laser DPSS ditampilkan pada power meter. Untuk pengukuran daya laser DPSS tanpa menggunakan cermin memiliki prosedur yang sama dengan pengukuran laser DPSS menggunakan cermin.Yang membedakannya adalah setelah laser DPSS keluar, cahaya laser langsung ditangkap oleh sensor cahaya yang telah terhubung ke power meter. Universitas Sumatera Utara Power Supply Control Laser DPSS Sensor Cahaya Power Meter Laser DPSS Gambar 3.13 Diagram blok pengukuran daya pada laser DPSS sebagai fungsi arus tanpa penggunaan cermin Pengukuran daya dilakukan 3 dan dari hasil pengukuran besar daya laser DPSS ini diperoleh data berupa numerik dan grafik akan dianalisa secara kuantitatif hingga diperoleh suatu kesimpulan. Dari data pengukuran daya laser CO 2 dan laser DPSS, data akan diolah dengan mencari besar standar deviasi dari masing-masing daya yang dihasilkan untuk melihat besarnya penyimpangan daya yang dihasilkan oleh masing-masing laser dengan rumus standar deviasi sebagai berikut : 3.1 Dimana : S = besar standar deviasi P = daya watt n = banyaknya pengukuran

3.3.2 Pengamatan Beam Profiler Sinar Laser

Dalam pengamatan bentuk sinar laser beam profiler, laser yang digunakan adalah laser DPSS dan laser He-Ne. Diagram blok pengamatan berkas sinar laser untuk setiap laser adalah sama. Rangkaian beam profiler terdiri dari CCD dan software LBA-FW- Spiricon untuk menampilkan berkas sinar laser pada PC komputer. Universitas Sumatera Utara Power Supply Laser CCD Personal Computer PC Gambar 3.14 Diagram blok pengamatan beam profiler sinar laser Langkah pertama yang dilakukan adalah mengkarakteriasi jenis filter yang cocok untuk masing-masing laser untuk menampilkan berkas laser yang bagus yang ditampilkan pada PC. Hal ini dikarenakan setiap laser memiliki panjang gelombang yang berbeda sehingga perlu penyesuaian jenis filternya. Berkas sinar yang dipancarkan oleh laser di foto oleh CCD yang sebelumnya berkas sinar laser disaring di-filter oleh filter yang terdapat pada ujung CCD. CCD ini dihubungkan ke PC komputer. Hasil pencitraan dari kamera ini dibaca menggunakan software SpectralLine Database Searching yang telah di-instal pada PC. Hasil pencitraan berkas sinar laser ini dapat berupa gambar 2 dimensi atau 3 dimensi. Setelah gambar berkas laser diperoleh, divariasikan jarak filter ke sumber laser kemudian diperoleh data gambar seperti diameter radius berkas dan divergensinya dan diolah secara kuantitatif dan diperoleh kesimpulan.

3.3.3 Pengamatan Spektrum Panjang Gelombang Laser

Laser yang digunakan dalam karakterisasi ini adalah laser DPSS dan laser He-Ne. Skema rangkaian pengamatan bentuk panjang gelombang laser dapat dilihat pada gambar berikut : Power Supply Laser Fiber Optik Spektrometer HR 4000 Personal Computer PC Gambar 3.15 Diagram blok pengamatan spektrum panjang gelombang laser Universitas Sumatera Utara Spektrometer HR 4000 merupakan alat untuk mengukur panjang gelombang beserta intensitasnya. Berkas sinar yang dipancarkan oleh laser ditangkap oleh fiber optik yang nantinya akan ditransmisikan ke spektrometer HR 4000. Berkas sinar yang ditangkap spektrometer HR 4000 diolah oleh software SpectralLine Database Searching yang telah diinstalasi pada komputer. Berkas cahaya yang ditangkap oleh fiber optik ditransmisikan ke spektrometer HR 4000 kemudian dikonversikan ke dalam bentuk digital dan berupa grafik besar intensitas yang dihasilkan laser dengan panjang panjang gelombang laser kemudian diperoleh spektrum panjang gelombang dari laser tersebut.

3.4 Analisa Data

Jenis penelitian yang dilaksanakan adalah eksperimen yaitu penelitian untuk mencari suatu hubungan atau pengaruh variasi arus terhadap besar daya yang dihasilkan oleh laser CO 2 dan variasi arus dengan variasi cermin terhadap besar daya yang dihasilkan oleh laser DPSS. Data yang dihasilkan akan diolah dengan program Microsoft Excel dan dibuat dalam bentuk grafik perbandingan variasi arus yang dihasilkan dengan perubahan daya. Penelitian ini juga mengamati bagaimana bentuk sinar laser DPSS dan He-Ne dalam bentuk 2D dan 3D serta menampilkan dan mengukur spektrum gelombang cahaya dari laser DPSS dan He-Ne. Dari keseluruhan data tersebut akan ditarik kesimpulan akhir.

3.5 Diagram Kerja

Skema penelitian secara keseluruhan akan digambarkan pada flow chart pada Gambar 3.16 : Universitas Sumatera Utara Mulai Pengukuran Daya Laser CO2 Sebagai Fungsi Arus Pengukuran Daya Laser DPSS Sebagai Fungsi Arus dengan Variasi Cermin Pengamatan Bentuk Berkas Sinar Laser Pengamatan Spektrum Panjang Gelombang Laser Pengolahan Data Analisis Kuantitatif Kesimpulan Selesai Gambar 3.16 Flow chart proses penelitian Universitas Sumatera Utara BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengukuran Besar Daya Laser CO