Optimalisasi laser CO2 tipe semi sealed-off dengan mengatur arus listrik masukannya pada komposisi campuran gas yang optimum - USD Repository

OPTIMALISASI LASER CO TIPE SEMI SEALED-OFF

  

2

DENGAN MENGATUR ARUS LISTRIK MASUKANNYA PADA

KOMPOSISI CAMPURAN GAS YANG OPTIMUM

Skripsi

Diajukan untuk memenuhi persyaratan

  

Memperoleh gelar sarjana sains program studi fisika

Oleh :

Fransiscus Asisi Oktora Dwi Haryanto

  

053214004

PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2009

OPTIMALIZATION OF THE SEMI SEALED-OFF TYPE CO

  2 LASER BY SETTING ITS ELECTRIC CURRENT INPUT INTO THE OPTIMUM COMPOSITION OF MIXING GAS Skripsi Percented as Partial Fullfillment of the Requirement to Obtain the Sarjana Sains Degree in Physics By : Fransiscus Asisi Oktora Dwi Haryanto 053214004 PHYSICS STUDY PROGRAM PHYSICS DEPARTEMENT FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2009

HALAMAN PERSEMBAHAN

  Skripsi ini saya persembahkan kepada Tuhan Yesus Kristus yang telah memberikan hidup dan kebahagiaan bagiku

  Bapak saya Ignatius Sukardiyo dan ibu saya Yustina Tri Suharni yang telah membesarkan dan memberikan kasih sayang yang tiada akhirnya kepada saya

  Mba Ika dan Fendy yang saya kasihi dan sayangi Anastasia Murgiati yang telah memberikan cinta dan kasihnya. Kamu adalah semangat dan inspirasiku untuk menyelesaikan skripsi ini.

  JADILAH ORANG YANG BERARTI BAGI ORANG YANG KAMU SAYANGI

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi yang saya tulis ini tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

  Yogyakarta, 25 November 2009 Penulis

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Fransiscus Asisi Oktora Dwi Haryanto NIM : 053214004

  Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul : “Optimalisasi Laser CO Dengan Mengatur Arus Listrik Masukannya Pada

2 Komposisi Campuran Gas yang Optimum”

  Dengan demikian saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikannya secara terbatas dan mempublikasikannya di internet atau media lain tanpa meminta ijin dari saya demi kepentingan akademis tanpa perlu meminta persetujuan dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

  Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

  Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal, 25 November 2009 Yang menyatakan (Fransiscus Asisi Oktora D.H.)

  

ABSTRAK

OPTIMALISASI LASER CO TIPE SEMI SEALED-OFF

  

2

DENGAN MENGATUR ARUS LISTRIK MASUKANNYA PADA

KOMPOSISI CAMPURAN GAS YANG OPTIMUM

  Pada penelitian ini telah dibangun laser CO tipe semi sealed-off. Laser ini

  2

  digunakan pada spektroskopi fotoakustik yang memerlukan daya laser yang besar dan stabil. Daya laser yang besar dan stabil dapat diperoleh dengan cara optimalisasi laser CO melalui pengaturan komposisi gas He, N , CO dan arus

  2

  2

  2

  listrik masukannya. Proses optimalisasi laser CO dengan cara mengatur

  2

  komposisi gas He, N dan CO telah dilakukan oleh peneliti lain dan didapatkan

  2

  2

  bahwa komposisi tekanan gas He, N dan CO yang menghasilkan daya laser

  2

  2

  optimum adalah 30:10:40. Pada penelitian ini, dilakukan optimalisasi laser CO

  2

  dengan cara mengatur arus listrik masukannya pada keadaan perbandingan tekanan gas He, N dan CO adalah 30:10:40. Hasil penelitian menunjukkan

  2

  2

  bahwa keluaran daya laser CO yang optimum sebesar 4,78 W pada saat arus

  2 listrik masukannya sebesar 13,6 mA.

  

ABSTRACT

OPTIMALIZATION OF THE SEMI SEALED-OFF TYPE CO LASER

  2 BY SETTING ITS ELECTRIC CURRENT INPUT INTO THE

OPTIMUM COMPOSITION OF MIXING GAS

  In this experiments, a CO laser of semi sealed-off type have been

  2

  constructed. This CO laser is used in the photoacustic spectroscopy which needs

  2

  a stable laser with a large power. A stable laser with a large power can be obtained by optimalizing the CO laser via a regulation of the He, N and CO gases

  2

  2

  2

  composition together with its electric current input. The CO laser optimalization

  2

  process by setting the He, N

  2 and CO 2 gas composition have been performed by

  another researcher and it found that the pressure of gas composition for He, N

  2

  and CO gases which produces the optimum power of laser is 30:10:40. In this

  2

  experiment, the CO laser optimalization is performed by setting its electric

  2

  current input into the mixing gas He, N and CO when its pressure ratio is

  2

  2

  30:10:40. The experimental result show that the optimum output of power for a CO laser is 4.78 W when its electric current input is 13.6 mA.

  2

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas rahmat dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “OPTIMALISASI LASER CO2 DENGAN MENGATUR ARUS LISTRIK MASUKANNYA PADA KOMPOSISI CAMPURAN GAS YANG OPTIMUM” sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana sains pada Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Penulis menyadari bahwa tanpa adanya bantuan dan dukungan dari berbagai pihak, skripsi ini tidak dapat terselesaikan dengan baik. Oleh karena itu, secara khusus penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

  1. Ibu Ir. Sri Agustini Sulandari, M.Si. selaku dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah membimbing dan meluangkan waktunya untuk membimbing penulis dari awal hingga akhir penulisan skripsi ini.

  2. Dr. Ign. Edi Santosa M.S, selaku dosen pembimbing akademik.

  3. Pengurus Laboratorium Fotoakustik Universitas Gadjah Mada Yogyakarta.

  4. Dwi Nugraheni Rositawati, M.Si. dan Drs. Domi Severinus, M.Si. yang telah berkenan meluangkan waktu untuk menguji penulis serta memberikan masukan yang sangat berharga bagi penulis.

  5. Seluruh dosen program studi fisika, yang telah membagikan ilmunya dan

  6. Bapak saya Ignatius Sukardiyo dan ibu saya Yustina Tri Suharni yang telah mencurahkan segala kasih sayangnya yang tidak habis-habisnya.

  7. Christina Natalia Ika dan Damianus Fendy yang telah memberikan dukungan dan semangat.

  8. Anastasya Murgiati yang telah memberikan semangat dan inspirasi untuk menyelesaikan skripsi ini.

  9. Fransiska Yeni Anggarini, Laurensia Trimeta Platini dan Lulu Qiuntriani Jisura yang telah berjuang bersama kurang lebih empat tahun ini.

  10. Salvinus Budin, Andreas Amun Andropo dan Petrus Bangun Cahyanto atas pinjaman computer dan printernya.

  11. Basilius Herdiyanto dan Martinus Radityo Adi atas bantuan penulisan akhir.

  12. Semua pihak yang tidak dapat dikatakan satu persatu atas doa dan dukungannya selama ini.

  Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih banyak kekurangan. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan memberikan sedikit sumbangan bagi ilmu pengetahuan.

  Penulis

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL i

  HALAMAN JUDUL BAHASA INGGRIS ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING iii HALAMAN PENGESAHAN iv

  HALAMAN PERSEMBAHAN v

  PERNYATAAN KEASLIAN KARYA vi PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI vii ABSTRAK viii ABSTRACT ix KATA PENGANTAR x

  DAFTAR ISI xii

  BAB I. PENDAHULUAN

  1 A. Latar Belakang

  1 B. Rumusan Masalah

  3 C. Pembatasan Masalah

  3 D. Tujuan Penelitian

  4 E. Manfaat Penelitian

  4 BAB II. DASAR TEORI

  5 A. Teori Laser

  2

  2

  44 B.2. Pencarian daya laser CO

  2

  B. Pembahasan 44 B.1. Pembangunan laser CO

  41 A. Hasil 41

  40 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

  2

  39 D.4. Optimalisasi Daya Laser CO

  35 D.2. Pelurusan Optik (alignment) 38 D.3. Pengisian Campuran Gas

  35 D.1. Pembangunan laser CO

  5 A.1. Pengertian laser

  31 D. Cara Kerja Penelitian

  31 C. Deskripsi Alat Penelitian

  31 B. Tempat Penelitian

  31 A. Bahan Penelitian

  23 BAB III. METODOLOGI PENELITIAN

  2

  B. Laser CO

  10 A.4. Resonator 17

  6 A.3. Proses pemompaan

  5 A.2. Serapan, pancaran spontan dan pancaran terstimulasi

  46 BAB V. PENUTUP

  48 A. Kesimpulan 48

  B. Saran 49 DAFTAR PUSTAKA

  50 LAMPIRAN

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation , yang artinya penguatan cahaya oleh pancaran radiasi

  terangsang. Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dengan intensitas yang besar dan memancar pada satu arah. Laser bekerja pada spektrum infra merah sampai ultra ungu.

  Pada tahun 1917, Albert Einstein mengemukakan teori tentang transisi antar dua tingkat energi suatu elektron pada atom yang melibatkan radiasi elektromagnetik. Teori tentang transisi antar dua tingkat energi suatu elektron pada atom tersebutlah yang menjadi dasar bagi para ilmuan dalam menemukan laser. Pada tahun 1960 telah dikembangkan laser untuk pertama kali, yaitu laser Rubi terpulsa (

  λ = 6943 Å) dan laser gas Helium-Neon ( λ = 6328 Å). Sejak saat itu sampai sekarang laser terus berkembang.

  Ada banyak jenis laser diantaranya laser zat padat, laser zat cair dan laser gas. Tiap jenis laser ini memiliki karakteristiknya masing – masing.

  Laser yang akhir-akhir ini masih banyak dikembangkan adalah laser gas karbon dioksida (CO ), karena laser ini bekerja pada panjang gelombang

  2

  9 nm – 11 nm yang merupakan panjang gelombang dari gas-gas yang banyak diteliti. Laser CO2 termasuk dalam jenis laser gas. Laser ini menggunakan

  Ada 2 jenis laser CO , yaitu sistem mengalir (flowing system) dan

  2

  sistem tertutup (sealed-off). Perbedaan antara kedua jenis laser tersebut berada pada sistem pengisian gasnya. Pada sistem mengalir, gas dialirkan terus- menerus secara kontinyu ke tabung lucutan. Sedangkan pada sistem tertutup, gas hanya diisikan satu kali ke dalam tabung lucutan.

  Keunggulan menggunakan laser CO jenis sistem tertutup

  2

  dibandingkan menggunakan jenis sistem mengalir :

  1. Kebutuhan gas kecil

  2. Biaya operasi kecil

  3. Peralatan yang digunakan lebih ringkas sehingga lebih mudah dipindahkan Beberapa contoh penggunaan laser CO sistem tertutup antara lain

  2

  untuk operasi bedah, menghilangkan bekas luka di wajah, memotong logam, pembangkit gelombang kejut plasma dan spektroskopi fotoakustik. Laser CO

  2

  yang akan dibangun pada penelitian ini, nantinya akan digunakan pada spektroskopi fotoakustik. Pada spektroskopi fotoakustik diperlukan daya laser yang besar dan stabil. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dibangun laser dengan daya yang besar dan stabil. Beberapa cara dapat digunakan untuk membuat daya keluaran pada laser CO menjadi besar dan stabil, yaitu dengan

  

2

  cara mengatur komposisi dari campuran gas yang digunakan pada laser atau dengan mengatur arus listrik masukannya.

  Sebelumnya telah dilakukan optimalisasi daya laser CO dengan

  2 mengatur komposisi dari campuran gas yang dilakukan oleh orang lain.

  Dengan mengambil keuntungan dari penelitian tersebut, peneliti ingin melakukan penelitian yang lebih dalam untuk optimalisasi daya laser CO

  2

  dengan mengatur arus listrik masukannya pada komposisi campuran gas yang optimum.

  B. Rumusan Masalah

  Permasalahan yang akan dibahas dalam penelitian adalah 1. Bagaimana membangun laser CO tipe semi sealed-off.

  2

  2. Bagaimana mengoptimalkan daya laser CO tipe semi sealed-

  2 off dengan mengatur arus listrik masukannya.

  C. Pembatasan Masalah

  Masalah optimalisasi laser CO tipe semi sealed-off dalam penelitian

  

2

  ini hanya dibatasi pada rancang bangun laser CO tipe semi sealed-off yang

  2 digunakan pada spektroskopi fotoakustik serta optimalisasi daya lasernya.

  D. Tujuan Penelitian

  Penelitian ini bertujuan untuk 1. membangun laser CO tipe semi sealed-off.

  2

  2. Menentukan besar arus listrik masukan yang dapat menghasilkan daya keluaran laser CO tipe semi sealed-off

  2 yang besar dan stabil.

  E. Manfaat Penelitian

  Manfaat dari penelitian ini adalah

  1. Dapat diperoleh nilai arus listrik masukan yang dapat menghasilkan daya keluaran laser CO tipe semi sealed-off

  2 yang besar dan stabil.

  2. Sumbangan untuk ilmu pengetahuan dan teknologi terutama pada spektroskopi fotoakustik.

BAB II DASAR TEORI A. Teori Laser A.1. Pengertian laser Laser terdiri dari bahan aktif yang terdapat di dalam sebuah

  resonator yang diberi tegangan. Saat elektron dari bahan aktif yang berada di aras energi atas (eksitasi) ditumbuk foton yang memiliki energi sama dengan perbedaan aras energi, akan terjadi proses pancaran terstimulasi sehingga dihasilkan foton. Agar elektron dari bahan aktif dapat naik ke aras energi atas, diperlukan proses pemompaan. Foton yang dihasilkan tersebut akan menumbuk elektron lain sehingga akan terjadi proses pancaran terstimulasi lain dan dihasilkan foton kembali. Foton-foton tersebut dipantulkan bolak balik oleh resonator. Resonator yang digunakan terdiri dari sebuah cermin yang memantulkan cahaya dan sebuah cermin yang dapat meneruskan dan memantulkan sebagian cahaya, sehingga akan didapatkan berkas cahaya laser yang keluar dari resonator.

  Berkas cahaya inilah yang digunakan pada spektroskopi fotoakustik. A.2. Serapan, pancaran spontan dan pancaran terstimulasi Sebelum tahun 1917, hanya dikenal dua kemungkinan dalam transisi antar dua aras energi suatu elektron pada atom yang melibatkan radiasi elektromagnetik yaitu serapan (absorbsi) dan pancaran spontan (emisi spontan). Serapan terjadi saat elektron yang berada pada aras energi yang lebih rendah E ditumbuk

  1

  seberkas foton dengan energi sebesar perbedaan aras energi, elektron dapat naik ke aras energi yang lebih tinggi E (Gambar 1).

  2 Sedangkan pancaran spontan (emisi spontan) terjadi saat elektron

  yang berada pada aras energi yang lebih tinggi E , elektron akan

  2

  turun ke aras energi yang lebih rendah dengan memancarkan foton (Gambar 2).

  Pada tahun 1917, Einstein mengemukakan kemungkinan yang ketiga dalam transisi antar dua aras energi suatu elektron pada atom yang melibatkan radiasi elektromagnetik yaitu pancaran terstimulasi (emisi terstimulasi). pancaran terstimulasi terjadi saat elektron yang berada pada aras energi yang lebih tinggi E

  2

  ditumbuk seberkas foton dengan energi sebesar perbedaan aras energi, elektron akan turun ke aras energi yang lebih rendah. Saat terjadinya peristiwa ini, atom tersebut akan memancarkan energi foton yang benar-benar sama dengan yang diterima. a. Serapan Diasumsikan bahwa atom berada pada aras energi E .

  1 Seberkas foton datang ke atom dengan frekuensi v. Atom

  memerlukan energi sebesar E – E untuk naik ke aras energi E

  2

  1

  2

  yang diperoleh dari energi foton yang datang. Jadi, energi dari foton harus sama dengan perbedaan aras energi.

  .................................................... (2.1) Didefinisikan tingkat serapan W dengan persamaan

  12

  .................................................. (2.2) dimana adalah kecepatan perpindahan atom, N adalah jumlah

  1

  atomnya (per satuan volume), pada saat tertentu dan berada di aras energi E . Lebih lanjut dapat ditulis

  1

  ...................................................... (2.3) dimana adalah tampang lintang serapan, F adalah fluks foton. σ

  12 b. Pancaran spontan Atom dari suatu bahan mula-mula berada di aras energi E .

  2 Karena E >E , atom cenderung untuk berpindah ke aras energi E ,

  2

  1 1 dengan memancarkan foton yang memiliki energi sebesar E -E .

  2

  1 Frekuensi v dari gelombang yang diradiasikan diberikan oleh

  persamaan .......................................................... (2.4) dimana h adalah konstanta planck.

  Saat waktu t, terdapat N atom (per satuan volume) pada

  2

  aras energi E . Kecepatan perpindahan atom sebagai hasil Pancaran

  2

  spontan , sebanding dengan N . Dapat ditulis

  2

  ............................................... (2.5) tetapan A disebut probabilitas pancaran spontan atau tetapan Einstein. Jumlah disebut waktu hidup pancaran spontan. Nilai A dan bergantung pada transisi partikel yang terlibat.

  c. Pancaran terstimulasi Atom dari suatu bahan mula-mula berada di aras energi E .

  2 Seberkas foton datang ke atom dengan frekuensi v (diberikan oleh

  persamaan (2.4)). Karena foton ini memiliki energi yang sama dengan perbedaan aras energi, atom dapat berpindah dari aras energi E ke aras energi E . Saat berpindah, atom akan

  2

  1

  memancarkan foton dengan energi sebesar E -E . Foton yang

  2

  1

  memancar dari atom menambah jumlah foton yang sefase dari foton yang datang. kecepatan perpindahan atom sebagai hasil pancaran terstimulasi dituliskan :

  ........................................... (2.6) dimana W disebut probabilitas transmisi terstimulasi. Koefisien

  21

• 1

  W memiliki dimensi (T) . W bergantung pada perpindahan

  21

  21

  partikel dan intensitas foton yang datang. Untuk sebuah bidang foton : ...................................................... (2.7) dimana F adalah fluks foton dari gelombang yang datang dan adalah tampang lintang pancaran terstimulasi.

  Nilai . Terlihat bahwa probabilitas pancaran terstimulasi sama dengan probabilitas serapan. dapat ditulis , dan σ disebut sebagai tampang lintang transisi. A.3. Proses pemompaan Saat pada aras dasar lebih banyak populasinya dari pada aras atas, akan lebih dominan terjadi absorbsi dari pada emisi terstimulasi. Jika ada gelombang datang, akan menghasilkan lebih banyak transisi dari 1 ke 2 dari pada dari 2 ke 1 dan diharapkan akan terjadi inversi populasi. Tetapi pada kenyataannya hal tersebut tidak terjadi.

  Agar terjadi inversi populasi dibutuhkan tiga atau empat tingkat laser. Pada sistem tiga tingkat (Gambar 4), atom-atom akan naik dari aras dasar ke level 3. Lalu atom-atom akan meluruh dengan cepat ke level 2, dengan cara ini inversi populasi dapat diperoleh antara level 2 dan 1.

  Gambar 4. Laser sistem tiga tingkat Pada sistem empat tingkat (Gambar 5), atom-atom akan naik dari aras dasar ke level 3. Jika atom-atom meluruh dengan cepat ke level 2, maka inversi populasi dapat diperoleh antara level 2 dan 1. Bila osilasi dimulai pada laser empat tingkat, atom akan dikirim ke level 1 (karena emisi terstimulasi). Untuk gelombang kontinyu diperlukan sistem laser empat tingkat. Perpindahan dari level 1 ke aras dasar akan terjadi sangat cepat.

  Gambar 5. Laser sistem empat tingkat Inversi populasi lebih mudah dihasilkan pada sistem empat tingkat dari pada sistem tiga tingkat. Perbedaan tenaga antar tingkat lebih besar dari kT.

  Proses dimana atom naik dari level 1 ke level 3 pada sistem tiga tingkat atau dari level 0 ke level 3 pada sistem empat tingkat disebut proses pemompaan. Terdapat beberapa cara dimana proses ini dapat dicapai, contohnya dengan beberapa jenis lampu dengan intensitas yang cukup atau dengan lucutan listrik pada medium aktif. Jika level pemompaan yang lebih tinggi kosong, laju perubahan populasi di tingkat atas karena pemompaan , dapat ditulis sebagai

  ................................................. (2.8) dimana N adalah populasi di aras dasar, W adalah sebuah

  g p

  koefisien yang disebut tingkat pemompaan. Untuk mencapai kondisi ambang, tingkat pemompaan harus mencapai ambang batas.

  Terdapat dua jenis proses pemompaan, yaitu pemompaan optis dan pemompaan elektrik. Pada penelitian ini digunakan proses pemompaan elektrik.

  a. Pemompaan optis Pada pemompaan optis cahaya dari sumber cahaya diserap oleh bahan aktif dan atom-atom dari bahan aktif akan naik ke tingkat yang lebih tinggi. Metode ini biasa digunakan pada laser zat padat dan laser cair.

  b. Pemompaan elektrik Pada pemompaan elektrik digunakan alat yang memiliki lucutan listrik dengan intensitas yang cukup. Metode ini biasa digunakan pada laser gas dan semikonduktor.

  Pemompaan optis Cahaya dari lampu tidak koheren yang kuat dipancarkan dengan sistem optik yang sesuai menuju bahan aktif. Terdapat tiga susunan yang biasa digunakan pada sistem pemompaan optis.

  Gambar 6. Susunan koil Gambar 7. Susunan silinder elips

  Gambar 8. Susunan pasangan tertutup Bahan aktif berada dalam tangki silinder. Laser dapat dioperasikan dalam bentuk pulsa atau gelombang kontinyu tergantung pada pancaran lampu. Cahaya dari lampu langsung mengenai bahan aktif atau setelah pemantulan dari cermin yang mengelilingi tangki bahan aktif, sehingga cahaya dari lampu pasti akan mengenai tangki bahan aktif. Pada susunan silinder elips (Gambar 7), lampu diletakan pada salah satu titik fokus F dan

  1

  tangki bahan aktif diletakan pada titik fokus kedua F . Cahaya dari

  2

  lampu yang berada di titik fokus F menuju cermin pemantul dan

  1

  dipantulkan menuju tangki bahan aktif yang berada di titik fokus kedua F . Artinya sebagian besar cahaya yang dipancarkan lampu

  2

  dikirimkan ke bahan aktif melalui pemantulan dari cermin pemantul. Pada susunan pasangan tertutup (Gambar 8), lampu dan tangki yang berisi bahan aktif diletakkan sedekat mungkin dan diselubungi oleh cermin pemantul. Efisiensi susunan pasangan tertutup tidak lebih kecil dari susunan silinder elips. Cermin pemantul dibuat dari bahan yang dapat memantulkan menyebar seperti MgO yang dimampatkan, serbuk BaSO atau keramik putih.

  4 Pemompaan elektrik

  Pemompaan elektrik dari laser gas dapat dicapai dengan melewatkan arus pada campuran gas. Arus dapat melewati gas dengan dua cara, yaitu melalui lucutan transversal atau lucutan longitudinal. Pada lucutan longitudinal (Gambar 9), elektrodanya memiliki struktur melingkar dengan permukaan katoda lebih besar dari anoda yang berfungsi untuk mengurangi penurunan karena tumbukan ion. Lucutan longitudinal hanya digunakan pada laser gelombang kontinyu.

  Gambar 9. Susunan elektroda pada lucutan longitudinal Pada lucutan transversal (Gambar 10), elektroda diperpanjang sampai melebihi panjang bahan laser. Lucutan transversal dapat digunakan pada laser gelombang kontinyu, laser pulsa atau laser frekuensi radio. Elektroda pada lucutan transversal ukurannya lebih kecil dari pada lucutan longitudinal.

  Gambar 10. Susunan elektroda pada lucutan transversal

  Pada campuran gas yang sama, tegangan yang dibutuhkan pada susunan tranversal lebih kecil dari pada susunan longitudinal.

  Susunan longitudinal diletakkan di dalam tabung dielektrik (kaca) akan menghasilkan pemompaan yang lebih stabil.

  Lucutan listrik yang menumbuk atom akan mengionisasi ion tersebut sehingga dihasilkan ion dan elektron bebas. Elektron bebas tersebut akan bergerak dan menumbuk atom bebas, sehingga atom bebas tersebut akan tereksitasi. Pemompaan elektrik dari gas biasanya terjadi mengikuti satu atau keduanya dari dua proses berikut:

  1. Pada gas yang terdiri dari satu jenis, eksitasi hanya dihasilkan melalui tumbukan elektron.

  ................................................. (2.9) dimana X dan X* adalah atom pada aras dasar dan pada aras eksitasi. Proses ini disebut tumbukan jenis pertama.

  2. Pada gas yang terdiri dari dua jenis (misalkan A dan B), eksitasi dapat terjadi karena hasil dari tumbukan antara atom dari jenis yang berbeda melalui proses transfer energi. Dimisalkan B berada di aras dasar dan A berada di aras eksitasi yang disebabkan oleh tumbukan elektron. Perbedaan energi antara dua aras energi kurang dari kT. Jika A tereksitasi ke aras metastabil, A akan menumbuk B. Pada proses tumbukan tersebut, A akan memberikan energi kepada B (transfer energi), sehingga B akan naik ke aras eksitasi. Proses ini disebut tumbukan jenis kedua.

  ∆ .................................. (2.10) Gambar 11. Tumbukan jenis kedua

  A.4. Resonator Sebuah amplifier dapat menjadi osilator jika terjadi pembalikan. Hal tersebut dapat dicapai dengan menempatkan tabung laser pada suatu resonator yang terdiri dari dua cermin. Pada tabung laser akan terjadi emisi terstimulasi dan akan dihasilkan lebih banyak foton. Intensitas sinar membesar dikarenakan proses pemantulan bolak-balik melalui medium laser. Untuk mendukung aksi laser, proses pemompaan harus terjadi terus-menerus agar selalu terjadi inversi populasi.

  Agar didapatkan suatu berkas cahaya keluaran, salah satu cermin dibuat agar dapat memantulkan sebagian berkas cahaya dan dapat meneruskan sebagian yang lain. Dari sini akan didapatkan berkas laser keluaran. Berkas laser yang keluar tidak semuanya berada pada jalurnya. Dengan menggunakan lapisan dielektrik ganda, dapat dijaga agar berkas laser yang berada di luar jalur dibawah 1%.

  Gambar 12. Skema resonator Karena sifat koheren dari laser, cahaya laser dapat dipancarkan sebagai berkas yang paralel. Penyebaran cahaya merupakan pengaruh yang terjadi pada difraksi. Radiasi di dalam fase dengan amplitudo yang sama pada suatu celah lingkaran dengan diameter d, sudut

  θ antara pusat pola difraksi dan lingkaran interferensi gelap pertama diberikan oleh 1,22 ...................................................... (2.11)

  Berkas cahaya dengan nilai d yang lebih besar mungkin memfokuskan suatu berkas cahaya paralel, diameter yang sangat kecil dapat diperoleh.

  Tingkat polarisasi linear yang sangat tinggi dapat diperoleh pada laser dengan kerugian yang rendah pada arah osilasi dan kerugian yang besar pada arah yang tegak lurus. Pada laser dengan gas sebagai medium aktifnya, hal tersebut dapat dicapai dengan menempatkan sebuah jendela pada tabung gas dengan konfigurasi sudut Brewster. Sudut Brewster adalah sudut dimana sinar datang dipantulkan secara spekuler menjadi terpolarisasi linear. Sudut Brewster dapat ditentukan dengan persamaan berikut

  ........................................................ (2.12) tan Dimana

  θ = sudut Brewster n = indeks bias medium 1

  1 n = indeks bias medium 2

2 Suatu mode osilasi yang stabil dapat dicapai di dalam

  resonator, jika terdapat interferensi konstruktif tetap. Hal tersebut terjadi jika suatu tetapan dikalikan separuh panjang gelombang sama dengan panjang lintasan optis rongga. Maka diperoleh mode separasi

  Δv

  1

  ∆

  ............................................................ (2.13) Rongga laser adalah resonator dengan jangkauan spektrum yang diberikan oleh persamaan (2.13). Jika panjang rongga 1 m, maka mode separasi ( ∆ ) 150 MHz.

  Jenis – jenis resonator :

  a. Plane Parallel Resonator Gambar 13. Plane parallel resonator

  Terdiri dari dua buah cermin datar yang dipasang sejajar satu sama lain.

  b. Concentric or spherical resonator Gambar 14. Concertic resonator

  Terdiri dari dua buah cermin cekung yang berjari-jari sama dan berjarak L dengan titik pusat kelengkungan kedua cermin terletak pada titik yang sama. Sehingga:

  2 c. Confocal resonator Gambar 15. Confocal resonator

  Terdiri dari dua buah cermin cekung yang berjari-jari sama dan berjarak L dengan titik fokus kedua cermin terletak pada titik yang sama. Sehingga:

  d. Resonator yang menggunakan kombinasi cermin datar dan lengkung Contoh :

  Gambar 16. Hemiconfocal resonator Gambar 17. Hemispherical resonator Pada penelitian ini digunakan resonator planeparallel.

  Mode dari resonator ini dapat dianggap sebagai superposisi dari perambatan dua gelombang elektromagnetik datar dalam arah yang berlawanan sepanjang sumbu rongga. Frekuensi resonansi dihasilkan jika panjang rongga L sebesar bilangan bulat dari setengah panjang gelombang ( ), dimana n adalah bilangan bulat positif. Kondisi tersebut dibutuhkan agar medan elektrik dari gelombang berdiri elektromagnetik menjadi nol pada kedua cermin. Frekuensi resonansi diberikan oleh

  ........................................................... (2.14)

  B.

2 Laser CO

  Laser CO ditemukan oleh Patel. Laser ini menggunakan

  2

  campuran gas CO , N dan He. Laser CO merupakan laser dengan daya

  2

  2

  2

  dan efisiensi yang besar (daya laser mencapai 80 kW dan efisiensi laser mencapai 15%-20%).

  Terdapat tiga mode dasar dari vibrasi molekul CO , yaitu :

  2

  a. Mode tarikan simetris Gambar 18. Mode tarikan simetris

• 1

  Frekuensi dasar dari mode tarikan simetris v = 1337 cm

  1

  b. Mode bengkok Gambar 19. Mode bengkok

• 1

  Frekuensi dasar dari mode bengkok v = 667 cm

  2 c. Mode tarikan asimetris Gambar 20. Mode tarikan asimetris

• 1

  Frekuensi dasar dari mode tarikan asimetris v = 2349 cm

  3 Getaran dari ketiga mode di atas, digambarkan dengan tiga

  bilangan kuantum n , n dan n yang menunjukkan banyaknya kuanta

  1

  2

  

3

  pada setiap mode vibrasi. Tingkat laser ditunjukkan oleh tiga bilangan kuantum ini, yang ditulis dengan urutan n , n , n .

  1

  2

  3 Satuan frekuensi mode dasar dari vibrasi molekul CO diatas

  2

• 1

  adalah cm . Sebenarnya satuan tersebut bukan merupakan satuan dari frekuensi tetapi satuan dari frekuensi per kecepatan cahaya.

  Dikarenakan kecepatan cahaya merupakan tetapan, maka dapat dianggap bahwa satuan tersebut merupakan satuan dari frekuensi.

  λ

  ..................................................... (2.15)

  λ Skema berikut ini menunjukan tingkat energi vibrasi molekul CO

  2

  dan N

  2 Gambar 21. Skema tingkat energi vibrasi molekul CO dan N

  2

  2 Molekul CO tereksitasi dari aras dasar (00 0) ke aras eksitasi

  2

  (00 1). Untuk mencapai aras eksitasi ini, molekul CO dibantu oleh

  2

  molekul-molekul nitrogen. Perbedaan energi antara aras energi atas CO (00 1) dengan aras energi atas Nitrogen sangat kecil, yaitu

  2

  ΔE = 18

• 1

  cm . Dikarenakan perbedaan energi yang sangat kecil tersebut, pada saat nitrogen menumbuk CO energi dari nitrogen akan dipindahkan ke

  2

  molekul CO , sehingga CO akan naik ke aras eksitasi. Perpindahan

  2

  2

  nitrogen dari aras dasar ke aras eksitasi disebabkan oleh tumbukan elektron. Aras eksitasi nitrogen merupakan aras metastabil.

• 1

  2

  2

  (1,5 Torr), N

  2

  dengan tekanan parsial CO

  2

  , dimisalkan laser CO

  ................................................... (2.16) Untuk menunjukkan peranan dari He dan N

  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.

  λ λ

  . 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.

  adalah cm

  2

  dan N

  2

  Satuan energi pada Skema tingkat energi vibrasi molekul CO

  (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 adalah tekanan parsial dan a adalah tetapan karakteristik gas di

  i i dalam lucutan.

  1 Transisi di aras atas terjadi sangat cepat. Aras 10 0, 02 0 dan 01

  dapat mencapai keseimbangan thermal dapat dicapai dalam waktu yang

  1

  singkat. Peluruhan dari aras 01 0 ke aras dasar 00 0 terjadi secara lambat,

  1

  sehingga akan terjadi pengumpulan molekul pada aras 01 0 selama aksi laser terjadi. Selanjutnya akan terjadi pengumpulan molekul pada aras 10 0 dan 02 0 dikarenakan terjadi keseimbangan thermal dengan aras

  1

  01 0. Hal tersebut tidak diinginkan karena akan menghambat aksi laser.

  

1

Pada transisi dari aras 01 0 ke aras 00 0 terjadi paling sedikit

  transisi yang aktif dari setiap molekul pada lucutan, sehingga relaksasi dari

  1

  aras 01 0 hanya dapat terjadi melalui proses transfer energi pada tumbukan. Pada penelitian ini energi ditransfer ke Helium. Tetapan a pada

  i 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 keluar. Hal tersebut berfungsi untuk menghindari populasi pada aras bawah laser dari proses eksitasi yang dikarenakan panas.

  Jadi, N berfungsi untuk membantu proses pemompaan, sedangkan

2 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 W/m. Laser CO jenis ini digunakan untuk laser bedah, untuk

  2

  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 m/s). Daya keluaran pada laser

  Laser CO jenis ini digunakan untuk memotong logam (dengan

  2 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 dari CO. Katalis yang digunakan

  2

  misalnya berupa H O. Reaksi kimia yang terjadi :

  2 CO OH CO H ..................................... (2.18)

  H O yang dibutuhkan dapat dimasukan dalam bentuk gas hidrogen

  2

  dan oksigen. Karena oksigen diproduksi selama pemisahan CO , jadi

  2

  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 W/m. Laser jenis tertutup digunakan untuk laser bedah, menghilangkan 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 jenis tertutup yang nantinya

  2 akan digunakan sebagai sumber cahaya pada spektroskopi fotoakustik.

  Keuntungan menggunakan laser CO jenis tertutup adalah :

  2

  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.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN A. Bahan Penelitian Bahan yang digunakan dalam eksperimen adalah gas karbondioksida (CO ), gas nitrogen (N ) dan gas helium (He).

  2

2 B.

   Tempat Penelitian

  Penelitian ini berlangsung di Laboratorium Fotoakustik Universitas Gadjah Mada Yogyakarta.

C. Deskripsi Alat Penelitian

  Alat-alat yang digunakan pada laser CO adalah

  2

  1. Laser He-Ne model Melles Griot dengan λ = 638,8 nm Laser He-Ne yang digunakan mempunyai daya maksimum 1 mW.

  Laser He-Ne ini digunakan untuk melakukan pelurusan optik (alignment). Laser He-Ne mempunyai berkas cahaya tipis dan lurus. Kelebihan dari laser He-Ne adalah bekerja pada panjang gelombang tampak.

  2. Tabung lucutan laser CO tipe semi sealed-off

2 Tabung laser merupakan tempat terjadinya lucutan gas dan

  pemompaan listrik untuk menghasilkan aksi laser. Laser yang digunakan adalah laser CO dengan menggunakan sistem semi sealed-off.

  2

  32 Gambar 22. Struktur tabung lucutan laser CO

  2

  tipe semi sealed-off Pada tabung lucutan laser CO tipe semi sealed-off ini terdapat

  2

  sebuah katup sealed-off. Katup sealed-off ini berfungsi untuk membuka dan menutup jalan masuk gas-gas bahan aktif laser. Tabung laser CO

  2 yang dipakai mempunyai diameter dalam 3 mm dan diameter luar 7 mm.

  Pada kedua ujung tabung dipasang jendela (window) ZnSe dengan konfigurasi sudut Brewster agas berkas laser terpolarisasi sempurna. Jarak antara anoda dengan katoda adalah 200mm. Pada tabung laser CO yang

  2

  digunakan terdapat dua buah katoda sehingga panjang tabung laser adalah 400mm. Laser beroperasi dengan gas campuran He, N , dan CO dengan

  2

  2 pelucutan DC pada tegangan 7-11kV dan arus 9-15 mA.

  3. Motor undak (stepper motor) model ORIEL 18011 Motor undak (stepper motor) digunakan sebagai alat penggerak kisi pemantul (gratting). Dengan menggerakkan gratting, dapat ditentukan garis laser yang diinginkan. Penentuan garis laser berkaitan dengan gas yang ingin dideteksi dalam spektroskopi fotoakustik. Misalnya untuk mendeteksi gas etilen (C H ), digunakan garis 10P14. Analisis spektrum

  2

  4 garis laser CO ini menggunakan alat CO Laser Spectrum Analyzer .

  2

  2

  4. Power meter model OPHIR AN/2 Power meter adalah alat untuk mengukur keluaran daya. Power meter OPHIR AN/2 memiliki kemampuan pengukuran daya maksimum 10 watt. Radiasi laser CO yang keluar dari cermin outcoupling diarahkan ke

  2 aperture serapan detektor daya, maka suhu dalam detektor akan naik.

  Kondisi ini mengakibatkan pembangkitan tegangan, yang sebanding dengan daya radiasi. Daya radiasi ini kemudian ditampilkan oleh power meter sebagai daya laser yang terukur.

  5. Flow meter model BROOKS 1355 Flow meter berfungsi untuk mengukur tekanan laju aliran gas.

  Dalam pembuatan komposisi gas CO , N , dan He digunakan flow meter

  2

  2

  untuk mengetahui tekanan setiap gas ke dalam tabung pencampur. Dengan hal ini, dapat diketahui komposisi tekanan gas-gas tersebut di dalam tabung pencampur.

  6. Pengukur tekanan Pengukur tekanan yang dipakai memiliki rentang tekanan

  0-150 mBar. Sebelum sistem digunakan, sistem harus dalam keadaan vakum. Pengukur tekanan berfungsi untuk mengukur tekanan pada sistem.

  7. Catu daya tegangan tinggi model HCN 250-17000 Catu daya tegangan tinggi berfungsi untuk memberi tegangan DC pada elektroda-elektroda tabung lucutan. Catu daya tegangan tinggi tipe

  HCN 250-17000 ini, mempunyai rentang tegangan dari 0-15 kV dan dengan rentang arus 0-20 mA.

  8. Gratting (kisi) Gratting berfungsi untuk mengatur panjang gelombang.

  9. Cermin outcoupling Cermin outcoupling berfungsi sebagai tempat keluarnya sinar laser.

  10. Pompa air Pompa air berfungsi mengalirkan air untuk mendinginkan tabung laser.

  11. Pompa vakum Pompa vakum berfungsi untuk membuat tabung laser menjadi vakum.

D. Cara Kerja Penelitian

  D.1. Pembangunan laser CO

2 Tahap awal dalam penelitian ini adalah pembangunan laser CO

  2

  tipe semi sealed-off. Laser CO tipe semi sealed-off terdiri dari 6 bagian,

  2

  yaitu sebagai berikut :

  a. Tabung lucutan Aksi laser terjadi di tabung laser. Aksi laser meliputi inversi populasi dan perbesaran intensitas. Pada bagian ini terdapat tabung lucutan laser CO tipe semi sealed-off, gratting, dan cermin

  2 outcoupling .

  b. Pengaturan gas Pada bagian ini terdapat tabung gas (CO , N dan He),

  2

  2

  tabung pencampur, pengukur tekanan dan flow meter. Gas CO ,

  2 N , dan He dialirkan dengan tekanan tertentu yang diatur dengan

  2

  menggunakan flow meter. Kemudian gas-gas tersebut dicampur pada tabung pencampur. Untuk mengetahui tekanan total gas pada tabung pencampur digunakan pengukur tekanan.

  c. Catu daya tegangan tinggi Pada eksperimen ini digunakan sistem pemompaan elektrik. Untuk proses pemompa atom-atom agar terjadi inversi populasi, digunakan catu daya tegangan tinggi. Catu daya tegangan tinggi yang digunakan adalah tipe HCN 250-17000.

  d. Pompa vakum Berfungsi untuk memvakumkan sistem dan membuang gas pada tabung pencampur. Bagian ini terdiri dari sebuah pompa vakum yang dihubungkan dengan tabung lucutan dan bagian pengaturan gas.