Tugas Akhir Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains Jurusan Fisika

PENGGUNAAN LASER CO

  2 SEALED-OFF PADA DETEKTOR FOTOAKUSTIK SISTEM INTRAKAVITAS Tugas Akhir Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains Jurusan Fisika Disusun Oleh: Fransiska Endang Kinasih NIM : 043214007 PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

SEALED-OFF CO

  2 LASER BASED

  

INTRACAVITY PHOTOACOUSTIC DETECTOR

A THESIS

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

To Obtain The Sarjana Science

  

In Physics Department

by : Fransiska Endang Kinasih NIM : 043214007 PHYSICS STUDY PROGRAM PHYSICS DEPARTMENT FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

  

“Janganlah berdoa supaya engkau mendapat tugas yang sesuai

dengan kekuatanmu, tetapi berdoalah supaya engkau mendapat

kekuatan yang sesuai dengan tugasmu”

(Phillip Brooks)

  

“Pengalaman membuat engkau mampu untuk mengenal

sebuah kesalahan bilamana engkau melakukannya lagi”

(Franklin P. Jones)

  

Kupersembahkan karya ini kepada :

Tuhan Yesus Kristus yang selalu menyertai setiap

langkah hidupku dan selalu mendengarkan

permohonanku

  

Bunda Maria penolongku

Kedua orang tuaku tercinta

Keluaga besar alm. FX. Suharyoto

Universitas Sanata Dharma almamaterku

  

INTISARI

PENGGUNAAN LASER CO

2 SEALED-OFF PADA DETEKTOR

FOTOAKUSTIK SISTEM INTRAKAVITAS

  Detektor fotoakustik merupakan alat untuk mengukur konsentrasi berbagai jenis gas. Detektor fotoakustik menggunakan prinsip serapan cahaya. Sumber cahaya yang digunakan pada detektor ini yaitu laser CO

  2 sealed-off . Pada sistem intrakavitas sel fotoakustik ditempatkan di dalam rongga resonator laser.

  Dalam penelitian ini telah dilakukan pengaturan resonator optis pada laser CO

  2 sealed-off, sehingga diperoleh keluaran daya yang maksimum. Setelah dilakukan

  penelitian, diperoleh keluaran daya maksimum untuk laser CO

  2 sealed-off pada arus

  listrik 10,75 mA dengan jumlah garis radiasi laser yang dihasilkan sebanyak 37 buah garis. Garis-garis radiasi tersebut tersebar dalam 4 band. Pada band pertama dihasilkan 4 garis laser, band kedua dihasilkan 7 garis laser, band ketiga dihasilkan 13 garis laser dan band keempat dihasilkan 13 garis laser.

  

ABSTRACT

SEALED-OFF CO

  2 LASER BASED

INTRACAVITY PHOTOACOUSTIC DETECTOR

  Photoacoustic detector is an instrument for measuring various concentration of gases. The photoacoustic detector uses the principle of light absorption. Sealed-off CO2 laser was used as the light source of the detector. The acoustic cell is placed beetwen the laser resonator

  In this research, the researcher set the resonator optic of the laser so the output maximum power of laser was obtained. After doing the research, it was obtained radiation lines were spread out in four bands. First band consist of 4 lines, second band consist of 7 lines of laser, third band consist of 13 lines of laser, and 13 lines of laser for fourth band.

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat, kasih karunia serta penyertaan-Nya yang diberikan kepada penulis selama penyusunan skripsi yang berjudul “PENGGUNAAN LASER CO

  2 SEALED-OFF PADA DETEKTOR FOTOAKUSTIK SISTEM INTRAKAVITAS”

  Penyusunan skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan studi program sarjana di Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik karena bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:

  1. Tuhan Yesus Kristus, yang telah menganugerahkan kasih karunia dan rahmat-Nya serta selalu memberikan keberuntungan.

  2. Bunda Maria yang telah mendengarkan segala doa dan permohonan.

  3. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  4. Bapak Dr.Ign.Edi Santosa, M.S selaku dosen pembimbing serta dosen penguji yang penuh kesabaran telah membimbing, membantu, menyemangati serta meluangkan waktunya kepada penulis selama penelitian dan proses penulisan skripsi ini.

  5. Ir.Sri Agustini Sulandari, M.Si selaku ketua program studi Fisika

  7. A. Prasetyadi, S.Si, M.Si., yang telah meluangkan waktu untuk menguji penulis serta memberikan masukan yang berharga bagi penulis.

  8. Segenap Dosen prodi Fisika, FST Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah mendidik dan membagikan ilmunya selama penulis menyelesaikan studi.

  9. Segenap karyawan FST Universitas Sanata Dharma yang telah membantu selama masa studi. Para laboran, Bapak Sugito, Mas Ngadiono dan Mas Bimo yang telah banyak membantu selama penelitian berlangsung.

  10. Kedua Orang tuaku tercinta, yang selalu memberikan dukungan, doa serta kasih sayang kepada penulis.

  11. Pamanku Fransiskus K. Kurnianto, yang selalu memberikan dukungan moral maupun material serta seluruh keluarga besar Alm. FX. Suharyoto yang selalu memberikan doa serta motivasi kepada penulis.

  12. B. Ade Dirgantara, Erlyna Ekawati, Katarina Watini serta Sujadmoko, yang senantiasa saling menyemangati dan mewarnai angkatan 2004.

  13. Rekan penelitianku Laurensia Trimeta P. dan Katarina Watini, atas segala bantuan dan kerjasamanya.

  14. Teman-teman Fisika angkatan 2002 dan angkatan 2005, yang senantiasa membantu serta menguatkan penulis.

  15. Teman-teman kontrakan yang selama ini telah memberikan doa, dukungan dan bantuan baik moral maupun spriritual kepada penulis terutama dalam menyelesaikan tugas akhir

  16. Keluarga besar komunitas Sant’Egidio Yogyakarta yang selama ini telah mengajarkan banyak hal serta memberikan dukungan baik moral dan spiritual kepada penulis

  17. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu penulis selama menyelesaikan studi di jogja.

  Penulis juga menyadari bahwa penyusunan skripsi ini tidaklah sempurna, untuk itu penulis mengharapkan seegala kritik dan saran yang membangun. Dan penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi para pembaca dan memberikan sedikit sumbangan buat Ilmu Pengetahuan.

  Yogyakarta, Juli 2009 Penulis

  

DAFTAR ISI

  Halaman HALAMAN JUDUL ................................................................................................. ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ....................................................... iii HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................. iv HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN ...................................................... v HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .............................................. vi LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS …………………………………………. vii

  INTISARI ................................................................................................................. viii ABSTRACT .............................................................................................................. ix KATA PENGANTAR …………………………………………………………….. x DAFTAR ISI ……………………………………………………………………… xiii DAFTAR TABEL ………………………………………………………………... xvii DAFTAR GAMBAR ……………………………………………………………..xviii

  BAB I PENDAHULUAN

  1.1. Latar Belakang …………………………………………………………. 1

  1.2. Perumusan Masalah…………………………………………………….. 4

  1.3. Batasan Masalah………………………………………………………… 4

  1.4. Tujuan Penelitian……………………………………………………….. 4

  1.5. Manfaat Penelitian……………………………………………………… 4

  1.6. Sistematika Penulisan…………………………………………………… 5

  BAB II DASAR TEORI

  2.1. Teori Atom……………………………………………………………… 6

  2.2. Interaksi Elektromagnetik………………………………………………. 7

  A. Penyerapan………………………………………………………...... 8

  B. Pancaran Spontan…………………………………………………… 9

  C. Pancaran Terangsang………………………………………………. 10

  2.3. Koefisien-koefisien Einstein…………………………………………… 11

  2.4. Prinsip Dasar Laser…………………………………………………….. 13

  2.5. Pemompaan Laser……………………………………………………… 14

  A. Skema Tiga Tingkat Tenaga……………………………………….. 15

  B. Skema Empat Tingkat Tenaga…………………………………….. 16

  2.6. Penguatan Laser……………………………………………………….. 17

  2.7. Laser CO

  2 ……………………………………………………………... 19

  2.8. Fotoakustik…………………………………………………………….. 21

  BAB III METODELOGI PENELITIAN

  3.1. Tempat Penelitian……………………………………………………… 24

  3.2. Rangkaian Percobaan…………………………………………………. 24

  3.3. Detektor Fotoakustik…………………………………………………. 25

  3.3.1 Laser…………………………………………………………….. 26

  A. Power Supply……………………………………………………. 27

  B. Resonator Optis………………………………………………… 27

  C. Tabung Laser…………………………………………………… . 28

  D. Piezo…………………………………………………………….. 29

  E. Chopper………………………………………………………….. 30

  F. Powermeter………………………………………………………. 30

  3.3.2 Sel fotoakustik……………………………………………………. 30

  3.4. Persiapan Alat……………………………………………………………31

  3.4.1. Lining Laser……………………………………………………… 31

  A. Pengaturan Posisi Kisi…………………………………………… 31

  B. Pemasangan Tabung Laser dan Chopper………………………… 32

  C. Pemasangan dan Pengaturan Cermin…………………………….. 33

  D. Perolehan Garis Laser……………………………………………. 33

  E. Pencarian Daya Laser…………………………………………… 34

  3.4.2. Optimalisasi Daya Laser………………………………………… 34

  A. Arus Listrik……………………………………………………… 34

  B. Pengaturan Tegangan pada Piezo………………………………. 35

  3.4.3. Pemasangan Sel Fotoakustik……………………………………. 35

  3.5. Perolehan Garis Laser CO

  2 untuk Gas Etilen………………………… 35

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

  4.1. Hasil…………………………………………………………………… 37

  4.1.1. Perolehan Garis Laser…………………………………………… 37

  4.1.2. Optimasi Laser CO

  2 sealed-off ………………………………… 39

  A. Arus Listrik……………………………………………………… 39

  B. Tegangan Piezo…………………………………………………. 40

  4.1.3. Pemasangan Sel Fotoakustik…………………………………… 43

  4.1.4. Penentuan Garis Etilen… ……………………………………… 45

  4.1.5. Pengukuran Konsentrasi Gas Etilen ............................................. 46

  4.2. Pembahasan…………………………………………………………… 47

  BAB V PENUTUP

  5.1. Kesimpulan….……......………………………………………………... 55

  5.2. Saran……......………………………………………………………….. 55 DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………………….. 56 LAMPIRAN ……………………………………………………………………… 58

  

DAFTAR TABEL

  Halaman Tabel A hubungan daya terhadap piezo pada posisi steppermotor tertentu...........58

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.11 Tabung COGambar 3.6 Desain sel fotoakustik …………………………………………………. 31

  2 sealed-off …………………………………… 29

Gambar 3.5 Bentuk tabung laser CO

  2 sealed-off ………………………………………… 28

Gambar 3.4 Kisi pada laser CO

  2 sealed-off ……………………………………… 26

Gambar 3.3 Rangkaian Laser COGambar 3.2 Detektor Fotoakustik yang digunakan dalam percobaan ……………... 26Gambar 3.1 Rangkain Percobaan Detektor Fotoakustik …………………………… 24

  2 sealed-off ......................................................................... 21

  2 flowing out ...................................................................... 20

  halaman

Gambar 2.10 Tabung COGambar 2.9 Skema Laser .......................................................................................... 18Gambar 2.8 Atom Empat Tingkat ............................................................................. 17Gambar 2.7 Atom Tiga Tingkat ................................................................................ 16Gambar 2.6 Komponen Laser ................................................................................... 14Gambar 2.5 Proses Kerja Laser ................................................................................ 13Gambar 2.4 Pncaran Terangsang .............................................................................. 10Gambar 2.3 Pancaran Spontan ................................................................................... 9Gambar 2.2 Penyerapan ...………………………………………………………….. 8

  (B) Proses eksitasi, elektron pindah dari tingkat 1 ke tingkat 2 ………. 7

Gambar 2.1 (A) Proses deeksitasi, elektron pindah dari tingkat 3 ke tingkat 1Gambar 4.1 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk panjang tabung 67,5 cm dan kisi berbentuk bulat ………………. 37Gambar 4.2 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk panjang tabung 52 cm dan kisi berbentuk kotak ………………… 38Gambar 4.3 Keluaran Laser CO

  2 sealed-off yang ditangkap Powermeter …............ 38

Gambar 4.4 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor pada 11,15 mA ………………………………………………………… 39Gambar 4.5 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor pada arus 10,75 mA …………………………………………………… 40Gambar 4.6 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 1574 ………………………………………… 40Gambar 4.7 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 2374 ………………………………………… 41Gambar 4.8 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 5088 …………………………………........... 41Gambar 4.9 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 6994 ............................................................... 41Gambar 4.10 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk nilai pengatur tegangan piezo 4,6 ………………………………. 42Gambar 4.11 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk nilai pengatur tegangan piezo 5,5 ……………………………….. 42Gambar 4.12 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk nilai pengatur tegangan piezo 6,2 ……………………………….. 43Gambar 4.13 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor …………………………………………………….. 44Gambar 4.14 Grafik hubungan antara sinyal akustik (AU) terhadap posisi steppermotor ……………………………………………………. 44

  Gambar

  4.15 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi steppermotor …………………………………………………………… 45 Gambar

  4.16 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi steppermotor untuk medium udara tanpa sampel ……………………… 45 Gambar

  4.17 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi steppermotor untuk medium udara dengan sampel ……………………. 46

Gambar 4.18 Grafik hubungan antara konsentrasi etilen (AU) terhadap waktu (jam)............................................................................................... 47Gambar 4.19 Grafik kestabilan daya laser (AU) antara garis 10P14 dan 10P16 terhadap waktu (jam) .............................................................................................. 47

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

  Bidang spektroskopi menduduki tempat utama dalam perkembangan fisika mulai abad ke-19 dan permulaan abad ke-20. Perkembangan laser yang cukup pesat juga mendorong timbulnya teknik-teknik baru dalam bidang spektroskopi. Spektroskopi fotoakustik merupakan salah satu bidang spektroskopi yang sangat cepat berkembang seiring dengan perkembangan laser [Laud,1988]. Dengan memanfaatkan keunggulan laser, telah dikembangkan teknik spektroskopi laser yang lebih baik dibandingkan dengan teknik konvensional.

  Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation atau penguatan cahaya dengan rangsangan pancaran radiasi) merupakan pemanfaatan proses radiasi. Penemuan laser memberikan dampak yang luar biasa pada dunia ilmiah, sekaligus menunjukkan bahwa optika sangat hidup.

  Dua laser pertama yang berhasil dikembangkan selama tahun 1960 adalah laser rubi ( λ = 6943 Ǻ) dan laser gas helium-neon (λ = 11.500 Ǻ). Sejak saat itulah banyak usaha dilakukan untuk mempelajari laser. Laser telah diperoleh dengan atom-atom, ion-ion, dan molekul-molekul dalam gas, cairan, benda padat, gelas, nyala api, plastic dan semi konduktor pada panjang gelombang yang merentang dari daerah ultraviolet sampai pada frekuensi radio [Laud, 1988].

  Detektor fotoakustik merupakan alat untuk mengukur konsentrasi berbagai jenis gas. Sistem kerja dari detektor fotoakustik yaitu dengan prinsip serapan cahaya. Sistem fotoakustik mengukur langsung cahaya yang diserap oleh sampel [Santosa, 2008]. Waktu tanggap detektor fotoakustik relatif cepat, sehingga dapat digunakan secara on-line serta dapat mengukur gas secara simultan. Detektor fotoakustik memiliki tiga komponen penting, yaitu: laser, sel fotoakustik, dan mikrofon. Sel fotoakustik merupakan komponen yang berfungsi sebagai tempat konversi cahaya laser menjadi sinyal akustik yang akan ditangkap oleh mikrofon. Mikrofon kemudian mengirim sinyal untuk diolah oleh komputer. Laser digunakan sebagai sumber cahaya karena intensitas spektral yang tinggi serta dapat ditala [Santosa,2008].

  Detektor fotoakustik dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang antara lain: biologi, pertanian, medis dan lingkungan. Dalam bidang lingkungan, detektor fotoakustik dapat digunakan untuk mengukur gas-gas polutan di udara. Dalam bidang pertanian, detektor fotoakustik dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi gas etilen dalam proses pematangan buah. Untuk pengukuran gas etilen, digunakan laser CO 2 sebagai sumber cahaya pada detektor fotoakustik.

  Pada penelitian sebelumnya, telah dibuat sistem spektroskopi fotoakustik sistem ekstrakavitas dengan menggunakan sumber radiasi laser CO

  2 jenis axial

  flowing [Mitrayana.dkk, 2002]. Pada laser CO

  2 dengan jenis axial flowing

  memerlukan banyak gas untuk proses pengoperasiannya. Selama pengoperasian, gas isian yang digunakan (CO

  2 , He, N 2 ) terus-menerus dialirkan Untuk mengurangi biaya operasional, diperlukan sistem fotoakustik dengan sumber radiasi laser yang memerlukan biaya operasional yang murah.

  Untuk menghemat biaya operasional tersebut dapat digunakan laser CO jenis

  2

sealed off , dimana dengan jenis laser ini gas isian yang digunakan lebih sedikit

  dibanding dengan jenis axial flowing. Penggunaan sumber radiasi laser CO

  2

  sealed-off membuat detektor ini lebih unggul dibandingkan dengan detektor fotoakustik yang sebelumnya, karena detektor ini dapat digunakan secara . Untuk itu, pengukuran tidak hanya dilakukan di dalam laboratorium

  mobile saja, melainkan dapat dilakukan di tempat lain.

  Detektor fotoakustik yang tersedia di Lab Analisa Fisika dan Kimia Pusat Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma menggunakan sistem intrakavitas dengan sumber radiasi laser CO

  2 sealed-off. Digunakannya laser

  CO sealed-off membuat detektor ini lebih unggul dibandingkan dengan

  2

  detektor sebelumnya. Selain itu, batas deteksi detektor fotoakustik mencapai

• 9

  orde ppb (part per billion atau 10 ) Sebelum detektor fotoakustik digunakan, diperlukan pengaturan laser

  CO

  2 sealed-off. Dalam proses tersebut, dibutuhkan ketepatan pengaturan

  resonator optis agar diperoleh aksi laser. Dalam penelitian ini dilakukan pengesetan resonator optis sumber radiasi laser CO

  2 sealed-off yang digunakan

  pada detektor fotoakustik sistem intrakavitas, sehingga detektor fotoakustik tersebut dapat digunakan untuk berbagai keperluan.

  1.2. Perumusan Masalah

  Berdasarkan uraian yang telah dikemukakan dalam latar belakang di atas, maka dirumuskan suatu masalah untuk penulisan skripsi ini. Perumusan masalah yaitu bagaimana penggunaan laser CO

  2 sealed-off pada detektor fotoakustik sistem intrakavitas.

  1.3. Batasan Masalah

  Pada penelitian ini akan dilakukan penelitian bagaimana mengatur resonator optis sumber radiasi laser CO

  2 sealed-off pada detektor fotoakustik sistem intrakavitas yang ada di Universitas Sanata Dharma.

  1.4. Tujuan Penelitian

  ™ Dapat mengetahui serta memahami laser CO sealed-off pada detektor

  2

  fotoakustik sistem intrakavitas ™ Dapat menentukan keluaran daya yang optimum dengan cara mengatur posisi resonator Laser CO

  2 sealed-off pada detektor fotoakustik sistem

  intrakavitas

  1.5. Manfaat Penelitian

  ™ Dapat memberi informasi bagaimana cara mengatur resonator optis pada sumber radiasi laser CO

  2 sealed-off pada detektor fotoakustik

  ™ Dapat memberi informasi tambahan dalam bidang ilmu pengetahuan dan

1.6. Sistematika Penulisan

  BAB I. Pendahuluan Pada bab. I diuraikan tentang latar belakang masalah yang diangkat,

  perumusan masalah, pembatasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.

  BAB II Dasar Teori Pada bab. II diuraikan tetang dasar-dasar teori pendukung dalam penelitian Laser CO sealed-off pada detektor fotoakustik.

2 BAB III Metode Eksperimen

  Dalam bab III diuraikan tentang alat-alat yang akan digunakan saat penelitian serta langkah-langkah yang dilakukan saat penelitian.

  BAB IV Hasil dan Pembahasan Pada bab IV diuraikan tentang hasil penelitian dan pembasan hasil penelitian. BAB V Penutup Pada bab.V berisi kesimpulan dari hasil penelitian dan saran.

BAB II DASAR TEORI

2.1. Teori Atom

  Pada tahun 1898 J.J. Thomson mengusulkan bahwa atom merupakan bola bermuatan positif serbasama yang mengandung elektron. Model ini gugur pada tahun 1911 saat Rutherford mengemukakan bahwa atom terdiri dari inti dan elektron, dimana inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif yang mengelilingi inti [Halliday-Resnick, 1985]. Setelah Rutherford mengemukakan bahwa massa dan muatan positif atom terhimpun pada suatu daerah kecil di pusatnya, Niels Bohr pada tahun 1913 mengemukakan bahwa atom ternyata mirip seperti planet mini dengan elektron-elektron mengedari matahari [Krane,1992].

  Elektron-elektron yang berputar mengelilingi inti, berada pada kedudukan tertentu dengan tingkat energi yang tertentu pula. Elektron dapat berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain, seperti terlihat pada gambar 2.1. Perpindahan elektron dari tingkat energi yang rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi disebut sebagai eksitasi. Untuk melakukan eksitasi, elektron membutuhkan energi dari luar yang sesuai dengan energi transisi dari kedua tingkat energi. Sedangkan perpindahan elektron dari tingkat energi yang tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah disebut sebagai deeksitasi. Saat melakukan deeksitasi, elektron memancarkan energi yang elektron dan elektron akan berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lebih rendah.

Gambar 2.1. (A) Proses deeksitasi, elektron pindah dari tingkat 3 ke tingkat 1 (B). Proses eksitasi, elektron pindah dari tingkat 1 ke tingkat 2

  Dalam proses deeksitasi, energi yang dipancarkan oleh elektron berupa energi foton yang mempunyai frekuensi ν

  21 dengan besar energi adalah :

  ∆ E = h ν (2.1) ₂₁ dimana h ν adalah energi foton yang dipancarkan elektron selama proses ₂₁ deeksitasi berlangsung. ν adalah frekuensi foton dari tingkat energi 2 ke ₂₁

  ∆ E

  tingkat energi 1. merupakan energi foton dimana ∆ E = E − E _{2 1} (2.2)

  E = energi pada tingkat energi atas ₂ E ₁ = energi pada tingkat energi rendah Interaksi Elektromagnetik 2.2.

  Gelombang elektromagnetik cahaya merupakan wujud medan suatu atom dikenai cahaya akan terjadi interaksi elektromagnetik antara keduanya. Terdapat tiga cara interaksi radiasi elektromagnetik dengan atom yaitu: (a) penyerapan, (b) pancaran spontan, dan (c) pancaran terangsang [Krane,1992].

A. Penyerapan

  Atom-atom dapat dinaikkan tingkat energinya dengan penyerapan radiasi (foton) dari keadaan 1 ke keadaan 2. Keadaan 1 merupakan tingkat energi dasar atau rendah dan keadaan 2 merupakan tingkat energi atas. Untuk proses penyerapan tersebut diperlukan radiasi dengan frekuensi yang tepat [Laud,1988]. Proses penyerapan tampak seperti pada gambar

  2.2. Mula-mula atom berada pada keadaan 1. Jika terdapat radiasi elektromagnetik berupa foton dengan energi h ν mengenai atom-atom ₁₂ tersebut, maka akan terjadi tumbukan antara atom dengan foton. Atom akan menyerap energi foton dan tereksitasi ke keadaan 2. Proses ini dikenal sebagai serapan dan dapat dituliskan sebagai :

  ∗

• atom foton → atom , dengan asterisk menunjukkan suatu keadaan eksitasi [Krane,1992].

  2

  foton

  1 Gambar 2.2 Penyerapan Laju transisi atom dari keadaan 1 ke keadaan 2 adalah B , ₁₂ ρ dimana B merupakan koefisien Einstein yang menyatakan kebolehjadian ₁₂ penyerapan atom tiap satuan waktu dan kerapatan energi radiasi yang ρ berinteraksi dengan atom. Jumlah atom yang menyerap radiasi tiap satuan waktu adalah :

  R = B N (2.3) _{12 12 ρ 1}

  dimana N merupakan populasi atau jumlah atom tiap satuan volume ₁ dalam keadaan 1.

B. Pancaran Spontan

  Seperti yang telah disampaikan pada interaksi sebelumnya, atom- atom yang menyerap radiasi akan mengalami transisi dari keadaan 1 ke keadaan 2. Atom-atom yang tereksitasi pada keadaan 2 dapat kembali ke keadaan semula (keadaan 1) dengan memancarkan kelebihan energinya secara spontan (gambar 2.3). Proses pancaran spontan dapat dituliskan sebagai :

  ∗

  →

• atom atom foton

  2

  foton

  1 Gambar 2.3 pancaran spontan Dalam proses tersebut, kemungkinan atom secara spontan turun ke keadaan dasar tiap satuan waktu sebesar A sambil memancarkan foton. ₂₁ Jumlah atom turun dari keadaan 2 ke keadaan 1 secara spontan dengan memancarkan radiasi tiap satuan waktu sama dengan

  R = A N (2.5) _{21 sp 21 2} ( )

  dimana N merupakan populasi atau jumlah atom tiap satuan volume ₂ dalam keadaan 2 dan koefisien Einstein untuk pancaran spontan.

  A ₂₁ C. Pancaran Terangsang

  Atom-atom yang tereksitasi pada keadaan 2 bila diberikan foton dengan energi , maka atom-atom tersebut akan dirangsang untuk

  h ν ₁₂

  melakukan deeksitasi dari keadaan 2 ke keadaan 1 dengan memancarkan radiasi (foton) dengan energi yang sama. Proses dapat dituliskan sebagai :

  ∗

• atom foton → atom 2 foton

  2

  foton foton foton

  1 Gambar 2.4 Pancaran Terangsang

  Jumlah atom yang turun secara terangsang dengan memancarkan radiasi tiap satuan waktu dituliskan sebagai :

  R = B N (2.6) _{21 ( ) st} ρ _{21 2} dimana B merupakan koefisien Einstein yang menyatakan ₂₁ kebolehjadian tiap satuan waktu atom mengalami transisi dari keadaan 2 ke keadaan 1 oleh pancaran terangsang.

2.3. Koefisien-koefisien Einstein

  Dari ketiga interaksi radiasi elektromagnetik yang telah disampaikan di atas, terlihat bahwa transisi atom dari keadaan rendah ke keadaan energi yang lebih tinggi terjadi hanya dengan satu cara yaitu penyerapan foton. Sedangkan apabila atom dalam keadaan tereksitasi, dapat melakukan transisi radiasi ke tingkat yang lebih rendah melalui dua cara yaitu pancaran terangsang dan pancaran spontan [Laud,1988].

  Apabila telah dicapai keadaan setimbang, jumlah populasi pada keadaan atas dan jumlah populasi pada keadaan bawah tetap. Jumlah atom yang menyerap radiasi tiap satuan waktu sama dengan jumlah atom yang memancarkan radiasi tiap satuan waktu. Sehingga jumlah atom pada setiap tingkat tidak berubah. Untuk laju perubahan populasi tingkat atas adalah

  N ₂ dN ² = − N A N B − N B (2.8) _{2 21 1}

• ₁₂

  ρ ρ _{2 21}

  dt dN ₂ = N B ρ − ( N B ρ N A ) + (2.9) _{1 12 2 21 2 21} dt dN ₂

  untuk keadaan seimbang = , maka :

  dt

  ρ (2.10)

  N A = ( N B − N B ) _{2 21 1 12 2 21}

  21 ^{2 12 1 21 2} B N B N A N − =

  ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛

  ν π =

  c h B A

  8

  (2.15) dan _{3 3 21}

  1 ₂₁ ¹² = B B

  ρ (2.14) Dengan membandingkan persamaan 2.13 dan persamaan 2.14, diperoleh nilai :

  ν ν π

  kT h c h

  8 ₃ ³

  1

  − = 1 exp

  Penyelesaian ρ menurut hukum Planck : ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞

  ρ

  ν ρ (2.13)

  B B B A

  1 exp ₂₁ ^{12 21 21} − = kT h

  dimana k adalah tetapan Boltzmann . Dengan menggunakan persamaan (2.12) maka persamaan (2.11) menjadi

  exp exp ^{1 2} ₁ ² = − = (2.12)

  ν

  N N

  ( ) kT h kT E E

  Menurut Boltzmann kerapatan partikel dalam dua keadaan energi diberikan oleh:

  ρ (2.11)

  1 ₂₁ ¹² ₂ ^{1 21 21} − = B B N N B A

  (2.16)

2.4. Prinsip Dasar Laser

  Andaikan kita mempunyai sekumpulan atom yang semuanya berada pada keadaan tereksitasi. Sebuah foton yang melewati atom pertama, menyebabkan terjadinya pancaran terangsang yang menghasilkan dua buah foton. Masing- masing foton ini kemudian menyebabkan pancaran terangsang yang menghasilkan total empat buah foton. Proses ini berlangsung terus dengan menghasilkan penggandaan foton disetiap tahap, hingga tercipta seberkas foton yang kuat, koheren dan bergerak dalam arah yang sama [Krane,1992]. Proses kerja laser dapat dilihat pada gambar 2.5.

Gambar 2.5 proses kerja laser

  Laser terdiri dari beberapa komponen, yaitu : medium aktif, power supply, dan resonator optis (gambar 2.6). Power supply digunakan untuk memberikan arus listrik pada laser. Medium aktif merupakan bahan aktif laser yang dimasukkan disusun secara berhadapan. Di dalam resonator, cahaya akan berosilasi diantara kedua cermin. Cermin-cermin akan memantulkan cahaya kembali ke dalam kumpulan atom. Ketika cahaya terpantul bolak-balik antara kedua cermin, menyebabkan terjadinya pancaran terangsang tambahan. Untuk menghasilkan keluaran laser, pada salah satu ujung resonator digunakan cermin parsial. Sebagian berkas akan keluar dari resonator melalui cermin tersebut, berkas yang keluar tadi merupakan keluaran laser atau laser output [Krane,1992].

  Power supply

  

Cermin Cermin

(100%) parsial

  Medium aktif Resonator optis

Gambar 2.6 komponen laser

2.5. Pemompaan Laser

  Seperti yang telah dipaparkan sebelumnya bahwa prinsip dasar laser atau syarat terjadinya laser adalah terjadinya proses pancaran terangsang. Untuk itu agar terjadinya aksi laser diperlukan sarana untuk memenuhi syarat tersebut. Sarana untuk memenuhi syarat terjadinya laser yaitu tercapainya kondisi inversi populasi (pembalikan populasi). Pada kondisi normal, populasi atom pada tingkat energi rendah lebih banyak daripada populasi atom pada tingkat energi yang labih tinggi. Agar terjadinya proses pancaran terangsang, kondisi inversi populasi harus terpenuhi dimana jumlah populasi atom tingkat atas lebih banyak dari jumlah populasi tingkat bawah.

  N > N (2.17) _{2 1}

  merupakan jumlah populasi atom tingkat bawah dan merupakan jumlah

  N ₁ N ₂

  populasi atom tingkat atas. Untuk mencapai keadaan seperti persamaan 2.17 di atas, maka atom-atom pada medium aktif dipacu untuk mencapai kondisi inversi populasi dengan memberikan elektron pada atom-atom tersebut. Proses tersebut merupakan proses pemompaan laser dua tingkat tenaga. Namun proses pemompaan pada sistem dua tingkat tenaga tidak dapat menghasilkan inversi populasi, karena atom secara spontan dapat turun kembali ke keadaan semula.

  Selain itu atom-atom yang masih berada pada keadaan dasar akan menyerap foton yang lewat sehingga menghilangkan beberapa foton dari berkas penggandaan foton yang sedang dibangun [Krane,1992]. Masalah ini kemudian dapat diatasi dengan melakukan pemompaan pada sistem tiga atau empat tingkat tenaga.

A. Sistem tiga tingkat tenaga

  Atom-atom pada tingkat tenaga 1(tingkat dasar), dipompa ke tingkat tenaga 3. Kemudian atom-atom tersebut mengalami transisi deeksitasi yang cepat ke tingkat tenaga 2. Atom-atom yang telah mengalami deeksitasi berada pada tingkat tenaga 2 cukup lama, sehingga tercapai tingkat tenaga 2 ke tingkat dasar merupakan proses pancaran terangsang. Pada sistem ini dapat dihasilkan kondisi inversi populasi sehingga syarat terjadinya laser terpenuhi (gambar 2.6). Sistem tiga tingkat tenaga belum dapat memecahkan persoalan yang kedua, dimana atom-atom pada tingkat dasar akan menyerap foton hasil transisi pelaseran [Krane,1992].

  3

  2

  1 Gambar 2.7 Atom tiga tingkat