merupakan proses pancaran terangsang. Atom-atom yang berada pada tingkat tenaga 2 kemudian mengalami deeksitasi ke keadaan dasar secara
spontan. Dengan demikian atom-atom pada keadaan dasar tidak menyerap foton dari transisi pelaseran. Pada sistem ini dapat memenuhi syarat
terjadinya laser [Krane,1992].
Gambar 2.8 Atom empat tingkat 4
3
2
1
2.6. Penguatan Laser
Untuk memperoleh aksi laser, diperlukan kondisi inversi populasi. Penguatan diperlukan untuk mempertahankan kondisi inversi populasi.
Penguatan dapat dilakukan dengan cara meletakkan bahan aktif laser di dalam rongga resonator laser. Resonator laser terdiri dari dua buah cermin. Cermin-
cermin memantulkan cahaya yang dipancarkan kembali ke dalam kumpulan atom, sehingga terjadi pancaran terangsang tambahan.
1
r
2
r
Laser output
Bahan laser
Cermin 1 Cermin 2
Gambar 2.9 skema laser
Tidak semua intensitas cahaya yang jatuh pada cermin dipantulkan. Jika I intensitas cahaya yang jatuh pada cermin dan r adalah koefisien pantulan, maka
intensitas cahaya yang dipantulkan :
rI I
r
=
2.18 r
merupakan koefisien pantulan cermin. Pada salah satu resonator optis digunakan cermin parsial sehingga koefisien pantulannya akan kurang dari 1.
Dalam keadaan normal, berkas cahaya yang melewati suatu bahan sepanjang z intensitasnya menurun setelah keluar dari bahan tersebut,
dituliskan sebagai berikut : z
k I
z I
v v
v
− =
exp 2.19
Jika negatif, akan terjadi penguatan dan intensitasnya naik sebesar
[Laud,1988]:
v
k
z I
z I
v v
α exp
= 2.20
dimana
v
k −
= α
merupakan koefisien penyerapan cahaya PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Misalkan merupakan koefisien pantulan dari kedua cermin. Akan
terjadi pengurangan energi dalam lintasan bolak-balik sebesar faktor , dapat
dituliskan :
2 1
, r r
2 1
r r
γ
2 exp
2 1
− =
r r
2.21
2 1
ln 2
1 r
r −
= γ
2.22 dimana
γ merupakan besarnya energi yang dipancarkan cahaya. Bila γ positif, maka akan terjadi kehilangan cahaya dalam satu lintasan.
Apabila terjadi kehilangan cahaya, maka intensitas dalam tiap lintasan akan berubah sebesar:
I = exp
γ α −
L I
Agar diperoleh aksi laser, penguatan harus cukup untuk mengimbangi kehilangan energi sehingga kondisi inversi populasi dapat tercapai. Untuk itu,
1 exp
−
γ α
L
atau γ
α L
2.23 Keadaan ambang akan tercapai jika
γ α =
L 2.24
Sehingga laser akan bekerja jika :
L γ
α ≥ 2.25
2.7. Laser CO
2
Laser CO
2
merupakan bagian yang sangat penting dalam spektroskopi fotoakustik. Laser CO
2
ini merupakan sumber cahaya koheren yang pertama kali ditemukan oleh Patel pada tahun 1966. Laser CO
2
bekerja dengan panjang PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
gelombang m
µ 6
, 9
dan 10,6 m µ . Medium aktif pada laser CO
2
merupakan gas yang terdiri dari campuran CO
2
, N
2
dan He. Jika elektron dilewatkan tabung berisi CO
2
, elektron membentur molekul ke tingkat-tingkat elektronis dan vibrasi-rotasi yang lebih tinggi. Perpindahan energi resonansi dari molekul lain
seperti N
2
yang ditambahkan ke dalam gas isian, untuk menaikkan pemompaan. Untuk menghindari populasi laser rendah karena adanya rangsangan panas,
diperlukan agar temperatur CO
2
rendah. Helium mempunyai penghantar panas yang tinggi, karena itu Helium membantu menghantarkan panas keluar dan
menjaga agar temperatur CO
2
tetap dingin [Laud,1988]. Pada laser CO
2
terdapat dua sistem, yaitu axial flowing dimana gas selalu dialirkan ke dalam tabung dan sealed-off dimana gas diisi ke dalam tabung
kemudian ditutup. Untuk laser CO
2
axial flowing dapat dilihat pada gambar 2.9. Dan untuk laser CO
2
sealed-off secara umum seperti gambar 2.10.
Gambar 2.10 tabung Laser CO
2
sistem axial flowing
Gambar 2.10 tabung laser CO
2
sistem sealed off
Penggunaan laser CO
2
dipilih berdasarkan panjang gelombangnya, untuk itu digunakan kisi pada salah satu resonator optis laser CO
2
. Penggunaan kisi bertujuan agar kita dapat memilih panjang gelombang sesuai dengan wilayah
kerja yang diinginkan.
2.8. Teori Fotoakuatik
Efek Fotoakustik atau yang disebut juga optoakustik, pertama kali ditemukan oleh Alexander Graham Bell pada tahun 1880 [Spike,2006]. Pada
tahun 1960an telah dicapai terobosan baru yaitu untuk pertama kalinya digunakan laser sebagai sumber pada spektroskopi fotoakustik [Besson,2006].
Pada tahun 1980an lebih dikembangkan lagi spektroskopi fotoakustik dengan sensitivitas yang tinggi. Ini dicapai dengan digunakannya laser CO dan laser
CO
2
. Laser CO dan laser CO
2
memiliki kemonokromatisan dan daya yang tinggi. Hal inilah yang membuat pengukuran menggunakan spektroskopi
fotoakustik sangat sensitif sehingga dapat menjangkau orde pengukuran yang sangat kecil ppb.
Jika laser ditala pada frekuensi transisi dari molekul yang berada di dalam sel fotoakustik, sebagian molekul dengan aras tenaga E
1
akan dieksitasi ke aras PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
tenaga yang lebih tinggi E
2
. Molekul-molekul dengan aras tenaga E
2
kemudian dapat melepaskan tenaga eksitasinya secara radiasi maupun non-radiasi
[Santosa,2008]. Apabila pelepasan tenaga eksitasi berlangsung secara non- radiasi, maka pada waktu bertumbukan molekul tersebut akan memberikan
tenaga eksitasinya kepada molekul yang ditumbuknya. Kenaikan tenaga translasi tersebut akan menyebabkan kenaikan suhu dan tekanan. Apabila laser
dimodulasi, tekanan dalam sel fotoakustik akan berubah secara periodik. Perubahan tekanan tersebut akan menghasilkan sinyal akustik yang diukur
menggunakan mikrofon. Dengan adanya sinyal akustik maka dapat ditentukan konsentrasi gas dalam sel akustik.
Keluaran dari mikrofon atau sinyal akustik dipengaruhi oleh daya laser, koefisien serapan, dan konsentrasi gas. apabila di dalam sel fotoakustik hanya
terdapat satu jenis gas “g”, hubungan antara sinyal akustik dengan besaran- besaran lainnya dinyatakan dalam persamaan [Santosa,2008]:
gl g
l l
C CP
S α
= 2.26
dengan adalah sinyal keluaran mikrofon pada waktu menggunakan laser
jenis “l” dengan daya laser , C
adalah konstanta sel akustik, adalah
konsentrasi gas “g” yang berada dalam sel fotoakustik dan
l
S
l
P
g
C
gl
α adalah koefisien serapan dari gas “g” pada laser jenis “l”. Kemudian diperoleh sinyal
ternormalisasi dengan daya laser sebagai berikut [Santosa,2008]:
gl g
l
CC P
S
α
= ⎟
⎠ ⎞
⎜ ⎝
⎛
2.27 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Apabila di dalam sel fotoakustik terdapat lebih dari satu jenis gas,maka masing-masing gas akan memberikan sumbangan pada sinyal keluaran dari
mirofon. Sehingga keluaran mikrofon total memenuhi persamaan [Santosa,2008]:
∑ ∑
= ⎟
⎠ ⎞
⎜ ⎝
⎛ =
⎟ ⎠
⎞ ⎜
⎝ ⎛
G g
G g
g l
l
C C
P S
P S
α 2.28
dengan G adalah cacah komponen gas yang berada di dalam fotoakustik. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
