Laser CO DASAR TEORI
Skema berikut ini menunjukan tingkat energi vibrasi molekul CO
2
dan N
2
Gambar 21. Skema tingkat energi vibrasi molekul CO
2
dan N
2
Molekul CO
2
tereksitasi dari aras dasar 00 0 ke aras eksitasi
00 1. Untuk mencapai aras eksitasi ini, molekul CO
2
dibantu oleh molekul-molekul nitrogen. Perbedaan energi antara aras energi atas
CO
2
00 1 dengan aras energi atas Nitrogen sangat kecil, yaitu
ΔE = 18 cm
-1
. Dikarenakan perbedaan energi yang sangat kecil tersebut, pada saat nitrogen menumbuk CO
2
energi dari nitrogen akan dipindahkan ke molekul CO
2
, sehingga CO
2
akan naik ke aras eksitasi. Perpindahan nitrogen dari aras dasar ke aras eksitasi disebabkan oleh tumbukan
elektron. Aras eksitasi nitrogen merupakan aras metastabil.
Inversi populasi yang terjadi dari aras 00 1 ke aras 02
0 akan mengarah ke osilasi laser dengan panjang gelombang 9,6 µm dan dari aras
00 1 ke aras 10
0 akan mengarah ke osilasi laser dengan panjang gelombang 10,6 µm.
Satuan energi pada Skema tingkat energi vibrasi molekul CO
2
dan N
2
adalah cm
-1
. Sebenarnya satuan tersebut bukan merupakan satuan dari energi tetapi satuan dari energi per tetapan planck dikalikan
kecepatan cahaya. Dikarenakan tetapan planck dan kecepatan cahaya merupakan tetapan, maka dapat dianggap bahwa satuan tersebut
merupakan satuan dari energi.
λ λ
................................................... 2.16
Untuk menunjukkan peranan dari He dan N
2
, dimisalkan laser CO
2
dengan tekanan parsial CO
2
1,5 Torr, N
2
1,5 Torr dan He 12 Torr masa hidup pada aras atas ~ 0,4 ms.
Waktu peluruhan dari aras atas diperoleh dari ∑
....................................................... 2.17
dimana p
i
adalah tekanan parsial dan a
i
adalah tetapan karakteristik gas di dalam lucutan.
Transisi di aras atas terjadi sangat cepat. Aras 10 0, 02
0 dan 01
1
dapat mencapai keseimbangan thermal dapat dicapai dalam waktu yang singkat. Peluruhan dari aras 01
1
0 ke aras dasar 00 0 terjadi secara lambat,
sehingga akan terjadi pengumpulan molekul pada aras 01
1
0 selama aksi laser terjadi. Selanjutnya akan terjadi pengumpulan molekul pada aras
10 0 dan 02
0 dikarenakan terjadi keseimbangan thermal dengan aras 01
1
0. Hal tersebut tidak diinginkan karena akan menghambat aksi laser. Pada transisi dari aras 01
1
0 ke aras 00 0 terjadi paling sedikit
transisi yang aktif dari setiap molekul pada lucutan, sehingga relaksasi dari aras 01
1
0 hanya dapat terjadi melalui proses transfer energi pada tumbukan. Pada penelitian ini energi ditransfer ke Helium. Tetapan a
i
pada He lebih besar dari pada atom lain, sehingga masa hidupnya lebih kecil.
Pada contoh diatas masa hidupnya sebesar 20 µs, yang merupakan masa hidup pada aras bawah laser. Dikarenakan nilai masa hidup pada aras atas
laser 0,4 ms lebih besar dari masa hidup pada aras bawah laser 20 µs, populasi akan berkumpul di aras atas laser, sehingga kondisi untuk
terjadinya aksi laser terpenuhi. He memiliki konduktifitas panas yang tinggi. He membantu agar CO
2
tetap dingin dengan menghantarkan panas
keluar. Hal tersebut berfungsi untuk menghindari populasi pada aras bawah laser dari proses eksitasi yang dikarenakan panas.
Jadi, N
2
berfungsi untuk membantu proses pemompaan, sedangkan He berfungsi untuk mengurangi populasi pada aras bawah laser.
Jenis – jenis laser CO
2
1. Laser jenis mengalir
a. Laser dengan aliran gas yang lambat
Laser dengan aliran gas yang lambat merupakan laser CO
2
pertama. Campuran gas dengan lambat mengalir sepanjang tabung laser untuk menghilangkan hasil penguraian, khususnya CO,
karena akan mencemari laser. Tabung laser terbuat dari kaca dengan pendingin eksternal berupa air. Keterbatasan dari laser ini
adalah daya keluaran maksimum laser tiap satuan panjang 50 – 60 Wm. Laser CO
2
jenis ini digunakan untuk laser bedah, untuk memotong pelat keramik pada industri elektronik dan untuk
pengelasan pelat logam tipis 1mm.
b. Laser dengan aliran gas yang cepat
Untuk mengatasi keterbatasan pada laser dengan aliran gas yang lambat, pada jenis laser ini, campuran gas mengalir dengan
kecepatan yang tinggi sekitar 50 ms. Daya keluaran pada laser dengan aliran gas yang cepat tiap satuan panjang sekitar 1 kWm.
Laser CO
2
jenis ini digunakan untuk memotong logam dengan ketebalan beberapa milimeter.
2. Laser jenis tertutup
Pada laser jenis tertutup, gas tidak dimasukan terus menerus selama terjadi aksi laser, tetapi gas hanya dimasukan sekali ke dalam
tabung laser hingga penuh lalu tabung laser ditutup. Jadi, gas tidak dialirkan terus-menerus. Karena gas di dalam tabung laser tidak
mengalir, hasil dari reaksi kimia yang berupa CO tidak dapat dikeluarkan. Jika di dalam tabung laser terdapat CO, aksi laser akan
terhenti. Untuk mengatasi hal tersebut, diperlukan sebuah katalis yang berfungsi untuk menghasilkan CO
2
dari CO. Katalis yang digunakan misalnya berupa H
2
O. Reaksi kimia yang terjadi : CO
OH CO
H ..................................... 2.18 H
2
O yang dibutuhkan dapat dimasukan dalam bentuk gas hidrogen dan oksigen. Karena oksigen diproduksi selama pemisahan CO
2
, jadi hanya hidrogen yang perlu ditambahkan. Cara lain yang dapat
digunakan adalah dengan menggunakan katoda panas yang terbuat dari Ni 300
C sebagai katalis. Dengan menggunakan cara ini, waktu hidup dari tabung dapat mencapai 10000 jam. Laser jenis tertutup
menghasilkan daya keluaran tiap satuan panjang sekitar 60 Wm. Laser jenis tertutup digunakan untuk laser bedah, menghilangkan
bekas luka di wajah, memotong logam.
Terdapat dua jenis laser tertutup, yaitu laser sealed-off dan laser semi sealed-off. Pada laser sealed-off, gas pada tabung laser
sudah diisi dari pabrik dan tabung laser ditutup sehingga gas tersebut tidak dapat dikeluarkan ataupun dimasukan. Jika waktu hidup dari
medium laser yang berupa gas tersebut sudah habis, maka medium laser tersebut tidak dapat diganti. Sedangkan pada laser semi sealed-
off terdapat sebuah katup yang dapat dibuka dan ditutup pada tabung laser, sehingga gas isian pada tabung laser dapat dikeluarkan ataupun
dimasukan sewaktu-waktu dan komposisi gas isian pada tabung laser dapat ditentukan sesuai keinginan peneliti.
Pada penelitian ini dipakai laser CO
2
jenis tertutup yang nantinya akan digunakan sebagai sumber cahaya pada spektroskopi fotoakustik.
Keuntungan menggunakan laser CO
2
jenis tertutup adalah : 1.
Gas yang digunakan lebih efisien, karena gas tidak dialirkan terus- menerus tetapi hanya dimasukan sekali.
2. Biaya operasi lebih kecil, karena gas yang digunakan lebih sedikit.
31