PENGUKURAN KONSENTRASI GAS ETILEN PADA PERKECAMBAHAN KEDELAI MENGGUNAKAN TEKNIK SPEKTROSKOPI FOTOAKUSTIK

  

PENGUKURAN KONSENTRASI GAS ETILEN

PADA PERKECAMBAHAN KEDELAI

MENGGUNAKAN TEKNIK SPEKTROSKOPI FOTOAKUSTIK

SKRIPSI

  Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Pendidikan

  Program Studi Pendidikan Fisika

  

RUDYANTO

NIM. 061424016

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  THE MEASURING OF ETHYLENE CONCENTRATION OF SOYBEAN SEEDLINGS USING PHOTOACOUSTIC SPECTROSCOPY TECHNIQUE A Thesis

  Presented as Partial Fulfilment of the Requirements To Obtain Sarjana Pendidikan (S. Pd) degree

  Physics Education Study Program

RUDYANTO NIM. 061424016 PHYSICS EDUCATION STUDY PROGRAM DEPARTMENT OF MATHEMATICS AND SCIENCE EDUCATION FACULTY OF TEACHER TRAINING AND EDUCATION SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

  

PENGUKURAN KONSENTRASI GAS ETILEN

PADA PERKECAMBAHAN KEDELAI

MENGGUNAKAN TEKNIK SPEKTROSKOPI FOTOAKUSTIK

SKRIPSI

  Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Pendidikan

  Program Studi Pendidikan Fisika

  

RUDYANTO

NIM. 061424016

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma: Nama : Rudyanto Nomor Mahasiswa : 061424016

  Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul:

PENGUKURAN KONSENTRASI GAS ETILEN PADA PERKECAMBAHAN KEDELAI MENGGUNAKAN TEKNIK SPEKTROSKOPI FOTOAKUSTIK.

  Beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas dan mempublikasikannya di Internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta izin 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 Juni 2010

  

ABSTRAK

PENGUKURAN KONSENTRASI GAS ETILEN PADA

PERKECAMBAHAN KEDELAI MENGGUNAKAN TEKNIK

SPEKTROSKOPI FOTOAKUSTIK

Oleh:

RUDYANTO

  

NIM. 061424016

  Penelitian ini bertujuan untuk mengukur konsentrasi gas etilen pada benih kedelai dengan menggunakan teknik spektroskopi fotoakustik. Sumber radiasi spektroskopi fotoakustik yang digunakan pada penelitian ini adalah laser CO 2 . Benih kedelai yang digunakan dalam penelitian ini adalah kedelai varietas Baluran kelas benih pokok, benih sebar, dan benih konsumsi selama perkecambahan. Selain dilakukan pengukuran konsentrasi, juga d ilakukan pengamatan kondisi fisik benih kedelai yang diteliti.

  Telah diperoleh pola konsentrasi gas etilen yang dihasilkan oleh masing- masing kelas selama berkecambah dan ternyata terdapat perbedaan konsentrasi gas etilen yang dihasilkan oleh kelas-kelas yang berbeda. Terdapat hubungan yang signifikan antara kondisi fisik benih dengan konsentrasi gas etilen.

  

ABSTRACT

THE MEASURING OF ETHYLENE CONCENTRATION OF SOYBEAN

SEEDLINGS USING PHOTOACOUSTIC SPECTROSCOPY TECHNIQUE

By:

RUDYANTO

  

NIM. 061424016

  The aim of this research is to measure ethylene concentration of soybean seedlings using photoacoustic spectroscopy technique. The spectroscopy radiatian source is CO

  2 laser. The soybean seeds used in this research are registered seed,

  extension seed, and consumption seed class of Baluran variety during germination. Besides measuring the ethylene concentration, the physical condition of the seeds is also observed.

  The ethylene concentration patterns have been obtained for each class during germination and they show that the ethylene concentrations are different for each class. There is a significant relation between physical condition and ethylene concentration.

KATA PENGANTAR

  Puji dan Syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala anugerah yang telah dilimpahkan selama ini sehingga penelitian dan penulisan skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik. Penelitian dan penulisan skripsi ini dilaksanakan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana pendidikan Universitas Sanata Dharma.

  Saya menyadari bahwa keberhasilan penelitian dan penulisan skripsi ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih kepada:

  1. Tarsisius Sarkim, M.Ed., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sanata Dharma, sekaligus Dosen Pembimbing Akademik yang telah banyak memberikan motivasi dan bantuan.

  2. Severinus Domi, M.Si., selaku Kaprodi Pendidikan Fisika Universitas Sanata Dharma, sekaligus dosen pembimbing yang telah banyak memberikan banyak motivasi dan masukan selama penelitian dan penulisan skripsi ini.

  3. Ir. Sri Agustini S. M.Si yang telah memberikan banyak bantuan selama penelitian.

  4. Dwi Nugraheni R. S.Si, M.Si yang telah memberikan masukan dalam penulisan skripsi ini.

  5. Dr. Ign. Edi Santosa MS yang telah membagikan pengalaman-pengalaman yang luar biasa mengenai spektroskopi fotoakustik.

  6. Laboratorium Fotoakustik Universitas Gadjah Mada dan Laboratorium Analisa Pusat Universitas Sanata Dharma atas kesempatan yang telah diberikan untuk melakukan penelitian.

  7. Mas Amin dan Mas Bangun yang telah banyak membantu dalam pengoperasian perangkat fotoakustik.

  8. Perpustakaan Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Badan Tenaga Nuklir Nasional di Yogyakarta atas buku-bukunya yang telah memperdalam pemahaman saya mengenai laser.

  9. Romo Paul, Pak Atmadi, Pak Sinaradi, Pak Kartika dan semua staff dosen yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah membagikan ilmu yang sangat luar biasa.

  10. Semua staff karyawan Universitas Sanata Dharma (Pak Nardjo, Pak Sugeng, Mbak Heni, Mas Widodo, Mas Agus, Mas Ngadiyono, Mas Devi, Mbak Atik, Mbak Wira, Mbak Rud, Mas Heru, Mas Kris) atas semua bantuan selama ini.

  11. Pastor Petrus yang telah memberikan kesempatan kepada saya untuk menempuh pendidikan di Universitas Sanata Dharma.

  12. Keluarga dan kerabat yang telah banyak memberikan bantuan dan motivasi selama saya berada di Jogja.

  13. Miranda, Ratna, Lia, dan Desi atas kebersamaan dan kehangatan selama 4 tahun ini.

  14. Teman-teman seangkatan, kakak kelas, dan adik kelas atas kebersamaanya selama ini.

  16. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu di sini, yang telah banyak membantu selama saya berada di Jogja.

  Saya menyadari bahwa skripsi ini masih memiliki banyak kekurangan. Namun demikian, saya berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan secara umum, dan secara khusus bagi pendidikan fisika.

  Yogyakarta, 25 Juni 2010

  

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL...............................................................................................i

HALAMAN PERSETUJUAN..............................................................................ii

HALAMAN PENGESAHAN...............................................................................iii

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA...............................................................iv

PERNYATAAN PUBLIKASI...............................................................................v

ABSTRAK.............................................................................................................vi

ABSTRACT..........................................................................................................vii

KATA PENGANTAR.........................................................................................viii

DAFTAR ISI..........................................................................................................xi

DAFTAR GAMBAR...........................................................................................xiv

DAFTAR TABEL.................................................................................................xv

  BAB I. Pendahuluan A. Latar Belakang Masalah

  1. Perkembangan Spektroskopi Fotoakustik........................................1

  2. Indonesia Menuju Ketahanan Pangan..............................................3

  3. Kelas Benih Kedelai.........................................................................5

  B. Rumusan Masalah..................................................................................6

  C. Tujuan.....................................................................................................7

  D. Manfaat...................................................................................................7

  BAB II. Dasar Teori

  1. Populasi Atom................................................................................9

  2. Kebolehjadian Laju Emisi Terstimulasi dan Laju Absorbsi........10

  3. Kebolehjadian Laju Emisi Terstimulasi dan Laju Emisi Spontan.........................................................................................14

  B. Laser CO

  2 ..........................................................................................17

  C. Spektrum Rotasi-Vibrasi CO

  2 ...........................................................22

  D. Spektroskopi Fotoakustik..................................................................22

  1. Teori Efek Fotoakustik pada Gas.................................................23

  2. Detektor Fotoakustik....................................................................28

  3. Derau di Dalam Sistem Fotoakustik Gas.....................................30

  a. Derau Akustik..........................................................................30

  b. Derau Elektronik.....................................................................31

  c. Derau Gerak Brown................................................................31

  d. Derau Mikrofon.......................................................................32

  E. Gas Etilen..........................................................................................32

  BAB III. Metodologi Penelitian A. Alat dan Bahan Penelitian..............................................................35 B. Waktu dan Tempat Penelitian........................................................36 C. Deskripsi Alat penelitian................................................................36 D. Cara Kerja Komponen Utama........................................................38 E. Cara Kerja Penelitian.....................................................................42

  1. Persiapan....................................................................................42

  F. Variable yang Terlibat....................................................................46

  G. Metode Pengumpulan Data............................................................46

  BAB IV. Hasil dan Pembahasan A. Deskripsi Penelitian........................................................................47 B. Kalibrasi.........................................................................................49 C. Sinyal Latar....................................................................................50 D. Kedelai Varietas Baluran Kelas BP................................................51

  1. Grafik Sinyal/Daya Vs Waktu...................................................51

  2. Grafik konsentrasi Vs Waktu.....................................................51

  E. Kedelai Varietas Baluran Kelas BR...............................................52

  1. Grafik Sinyal/Daya Vs Waktu...................................................52

  2. Grafik konsentrasi Vs Waktu.....................................................52

  F. Kedelai Varietas Baluran Kelas BK...............................................53

  1. Grafik Sinyal/Daya Vs Waktu...................................................53

  2. Grafik konsentrasi Vs Waktu.....................................................53

  G. Perbandingan Konsentrasi Etilen Awal Kelas BP,BR, dan BK.....54

  H. Perbandingan Konsentrasi Etilen Flat Kelas BP, BR, dan BK......55

  I. Kondisi Fisik Kedelai.....................................................................57

  BAB V. Kesimpulan dan Saran A. Kesimpulan.....................................................................................60 B. Saran...............................................................................................60

DAFTAR PUSTAKA..........................................................................................61

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Tiga jenis transisi antara dua tingkat energi dalam atom....................9Gambar 2.2. Prinsip kerja laser..............................................................................16Gambar 2.3. Tiga ragam normal getaran molekul CO

  2 simetri linear...................17

Gambar 2.4. Diagram aras-aras tenaga vibrasi yang terjadi pada laser CO

  2 .........19

Gambar 3.1. Botol yang pipih pada kedua sisinya.................................................35Gambar 3.2. Tutup botol........................................................................................35Gambar 3.3. Karet..................................................................................................35Gambar 3.4. Skema Rangkaian Percobaan............................................................45Gambar 4.1. Sinyal ternormalisasi pada kalibrasi dengan gas etilen murni 10 ppm....................................................................................................49Gambar 4.2. Sinyal latar ternormalisasi.................................................................50Gambar 4.3. Grafik Sinyal/Daya Vs Waktu untuk Kelas BP................................51Gambar 4.4. Grafik Konsentrasi Vs Waktu untuk Kelas BP.................................51Gambar 4.5. Grafik Sinyal/Daya Vs Waktu untuk Kelas BR................................52Gambar 4.6. Grafik Konsentrasi Vs Waktu untuk Kelas BR.................................52Gambar 4.7. Grafik Sinyal/Daya Vs Waktu untuk Kelas BK................................53Gambar 4.8. Grafik Konsentrasi Vs Waktu untuk Kelas BK................................53Gambar 4.9. Grafik Konsentrasi awal Vs Kelas....................................................55Gambar 4.10. Konsentrasi flat Vs Kelas................................................................56

  DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Jenis molekul gas anorganik yang menyerap radiasi laser CO

  2 beserta

  koefisien absorbsi..................................................................................27

Tabel 3.1. Tabel data kondisi fisik.........................................................................46Tabel 4.1. Perbandingan konsentrasi etilen awal...................................................54Tabel 4.2. Perbandingan konsentrasi etilen flat.....................................................55Tabel 4.3. Kondisi fisik kedelai.............................................................................57

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah

1. Perkembangan Spektroskopi Fotoakustik

  Spektroskopi adalah bidang yang terkait dengan karakter atom atau molekul. Secara sederhana hal ini dapat ditunjukkan pada warna lampu lucutan yang tergantung gas isiannya. Karena itu, bidang ini banyak digunakan untuk mempelajari atom dan molekul. Selain itu, bidang ini juga menghasilkan metode- metode pengukuran yang banyak diterapkan di berbagai bidang seperti kimia, biologi, dan lingkungan (Santosa, 2008:1)

  Spektroskopi fotoakustik adalah suatu teknik spektroskopi yang berdasarkan pada efek fotoakustik (wikipedia.org). Efek fotoakustik ditemukan pada tahun 1880 ketika Alexander Graham Bell, John Tyndall dan Wilhelm Röntgen pertama kali mempelajari “opto-acoustic

  effect

  ”. Efek ini terjadi ketika gas yang berada di dalam sel tertutup disinari dengan cahaya yang termodulasi. Opto-acoustic effect, di sini disebut sebagai photoacoustic effect untuk menghilangkan kebingungan dengan opto-acoustic effect di mana laser berinteraksi dengan gelombang akustik dalam kristal (Rosencwaig dalam Physics Today, September 19:23).

  Perkembangan bidang spektroskopi terkait dengan ketersediaan peralatan. Pada awalnya eksperimen dilakukan dengan menggunakan spektrometer yang komponen utamanya sebuah prisma. Selanjutnya dikenal spektrometer yang menggunakan kisi. Sejalan dengan ditemukannya laser, bidang spektroskopi semakin berkembang denga n memanfaatkan kelebihan laser (Demtroder dalam Santosa, 2008:1).

  Berbagai macam teknik spektroskopi dengan laser telah banyak dikembangkan, demikian pula terapannya. Spektroskopi fotoakustik merupakan salah satu bidang spektroskopi yang sangat cepat berkembang sesuai dengan perkembangan laser. Perkembangan bidang spektroskopi fotoakustik meliputi bagian penelitian fenomenanya, instrumentasinya, maupun terapannya. Banyak bidang yang memanfaatkan spektroskopi fotoakustik seperti pada bidang imaging, material, biologi, kedokteran, pertanian, dan lingkungan (Scudieri dan Bertolotti dalam Santosa, 2008: 1).

  Sebelumnya, untuk mengukur konsentrasi gas digunakan Gas

  Chromatography (GC) . Namun GC memiliki kelemahan, yaitu kurang

  sensitif untuk pengukuran gas yang konsentrasinya sangat kecil (ppt) dan waktu tanggapnya lambat sehingga tidak dapat digunakan secara

  online . Oleh karena itu, teknik untuk mengukur konsentrasi gas beralih

  ke teknik spektroskopi fotoakustik. Keunggulan spektroskopi fotoakustik adalah spektroskopi fotoakustik dapat mengukur cepat sehingga dapat digunakan secara online (Santosa dalam Watini, 2008: 1). Spektroskopi fotoakustik dapat mengukur produksi gas etilen dengan interval waktu yang singkat dengan batas terendah 0,006 mikroliter per liter sedangkan Gas Chromatography memerlukan waktu minimal 20-30 menit dengan batas minimal 0.1 mikroliter per liter dari satu gram jaringan tumbuhan (reeis.usda.gov).

2. Indonesia Menuju Ketahanan Pangan

  Ketahanan pangan merupakan hal yang sangat strategis dan penting. Pangan adalah kebutuhan pokok sekaligus menjadi esensi kehidupan manusia, karenanya hak atas pangan menjadi bagian sangat penting dari hak azasi manusia. Di samping itu ketahanan pangan adalah bagian dari ketahanan nasional yang saat ini dinilai paling rapuh. Pembangunan ketahanan pangan di Indonesia telah ditegaskan dalam Undang-undang nomor 7 tahun 1996 tentang Pangan yang dirumuskannya sebagai usaha mewujudkan ketersediaan pangan bagi seluruh rurnah tangga, dalam jumlah yang cukup, mutu dan gizi yang layak, aman dikonsumsi, merata serta terjangkau oleh setiap individu (Krisnamurthi dalam Jurnal Ekonomi Rakyat, 2003) .

  Di Indonesia kedelai merupakan komoditas pangan yang strategis sehingga upaya untuk berswasembada tidak hanya bertujuan untuk memenuhi kebutuhan pangan, tetapi juga mendukung agroindustri dan Langkah swasembada harus ditempuh karena ketergantungan yang makin besar pada impor bisa menjadi musibah terutama jika harga dunia sangat mahal akibat stok menurun (Baharsjah dalam Supadi, pse.litbang.deptan.go.id). Menurut Rasahan (dalam Supadi, pse.litbang.deptan.go.id) ketergantungan kepada bahan pangan dari luar negeri dalam jumlah besar akan melumpuhkan ketahanan nasional dan mengganggu stabilitas sosial, ekonomi, dan politik. Ketahanan pangan dan kedaulatan pangan berpengaruh lansung terhadap kesejahteraan rakyat.

  Tingkat swasembada kedelai sampai saat ini belum tercapai karena jumlah kebutuhan masih relatif lebih besar dibandingkan dengan jumlah produksi. Hal ini menyebabkan impor kedelai terus meningkat dari tahun ke tahun. Peningkatan ketahanan pangan merupakan program utama Departemen Pertanian yang berdampingan dengan upaya peningkatan kesejahteraan petani dan peningkatan nilai tambah dan daya saing produk pertanian (Sinulingga dalam Supadi, pse.litbang.deptan.go.id).

  Kedelai merupakan komoditas pangan yang strategis karena memiliki berbagai keunggulan sebagai berikut: a) Kedelai merupakan komoditas pangan bergizi tinggi dengan harga yang terjangkau oleh semua lapisan masyarakat. Kedelai merupakan sumber protein dan lemak yang sangat tinggi bagi gizi manusia dan oleh manusia. Biji-bijinya mengandung 30 persen protein kasar dan lemak 16-24 persen (Sastrahidajat dan Sumarno dalam Supadi, pse.litbang.deptan.go.id). Kedelai juga kaya akan vitamin dan mineral.

  b) Kedelai merupakan komoditas tanaman pangan terpenting setelah padi dan jagung. Kedelai segar sangat dibutuhkan dalam industri pangan (Sudaryanto dan Swastika dalam Supadi, pse.litbang.deptan.go.id). Beberapa produk pangan yang dihasilkan dari kedelai antara lain tahu, tempe, kecap, es krim, susu kedelai, minyak makan dan tepung kedelai. Produksi sampingan dari minyak kedelai adalah bungkil kedelai yang sangat dibutuhkan untuk pakan ternak (Arsyad dan Syam dalam Supadi, pse.litbang.deptan.go.id).

3. Kelas Benih Kedelai

  a) Benih Penjenis (Breeder Seed). Merupakan benih varietas unggul yang dihasilkan oleh para pemulia tanaman yang masih sangat murni. Jumlahnya masih sangat sedikit dan masih secara langsung mendapatkan perawatan serta pengawasan dari pemulianya.

  b) Benih Dasar (Foundation Seed). Benih dasar ini merupakan keturunan dari hasil pertanaman benih penjenis dan masih mendapatkan perlakuan sedemikian rupa sehingga kemurnian sifat

• – sifat genetiknya tetap tinggi. Seperti halnya benih penjenis,

pengawasan penanaman dan pertanaman masih d ilakukan langsung oleh para pemulia dan ahli perbenihan.

  c) Benih Pokok (Registered Seed atau Stock Seed). Benih ini merupakan benih hasil keturunan pertanaman benih dasar dan diperlakukan sebaik-baiknya selama di pertanaman untuk menjaga kemurnian genetiknya.

  d) Benih Berlabel (Certified Seed). Benih ini merupakan benih hasil perbanyakan benih pokok ataupun perbanyakan langsung dari

• – benih dasar. Selama di pertanaman juga mendapatkan perlakuan perlakuan untuk menjaga tingkat kemurniannya. Benih berlabel ini secara langsung dipasarkan kepada para konsumen/petani sehingga sering disebut sebagai benih sebar (extension seed)

  Perbedaan antara kelas benih satu dan yang lain adalah tingkat kemurnian genetik dan kemurnian fisik, serta ketentuan khusus sesuai dengan jenis tanamannya. (fp.unud.ac.id). Benih berkualitas tinggi adalah benih yang bermutu baik, baik dalam mutu genetis, fisiologis, maupun mutu fisik. (Sutopo, 1985:227) B.

   Rumusan Masalah

  1. Bagaimana pola konsentrasi gas etilen yang dihasilkan oleh benih kedelai saat berkecambah untuk benih pokok, benih sebar, dan benih konsumsi?

  2. Apakah ada perbedaan konsentrasi gas etilen yang dihasilkan oleh benih kedelai saat berkecambah untuk benih pokok, benih sebar, dan benih konsumsi?

  C. Tujuan

  1. Untuk mengetahui pola konsentrasi gas etilen yang dihasilkan oleh benih kedelai saat berkecambah untuk benih pokok, benih sebar, dan benih konsumsi.

  2. Untuk mengetahui apakah ada perbedaan konsentrasi gas etilen yang dihasilkan oleh benih kedelai saat berkecambah untuk benih pokok, benih sebar, dan benih konsumsi.

  D. Manfaat

  1. Diperoleh sebuah teknik pengujian kualitas benih kedelai yang cepat dan akurat dengan memanfaatkan gas etilen sebagai indikator.

  2. Sebagai salah satu sumbangan dalam aplikasi laser di bidang fisika dan biologi.

  3. Pemahaman yang lebih mendalam tentang laser CO 2 dan aplikasinya.

  4. Pengembangan diri dalam menanamkan sikap ilmiah dalam penelitian.

BAB II DASAR TEORI A. Laser LASER yang merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Bellis, Jeanette, 1980:1), yang artinya

  adalah penguatan cahaya karena emisi terstimulasi dari radiasi. Cahaya yang dihasilkan laser memiliki sifat yang sangat istimewa, yaitu koheren, hampir ekawarna, tidak menyebar, dan mempunyai intensitas yang sangat besar (Konihiro dalam Andrianto, 2008:7). Laser dapat bersumber dari atom-atom, ion- ion, molekul- molekul gas, cairan, benda padat, gelas, nyala api, plastik, dan semikonduktor (Pikatan dalam Andrianto 2008:1).

  Laser bekerja di berbagai panjang gelombang, dari panjang gelombang ultraviolet sampai daerah frekuensi radio (Laud dalam Andrianto, 2008:1).

  Laser ditemukan pertama kali pada tahun 1960, akan tetapi prinsip terjadinya laser telah ditemukan jauh sebelumnya oleh Einstein. Pada tahun 1917, Albert Einstein mempostulatkan pancaran imbas pada peristiwa radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yang sedang menyerap dan memancarkan radiasi. (Pikatan dalam Andrianto, 2008:7). Menurut Einstein, ada 3 proses yang terlibat dalam kesetimbangan tersebut, yaitu absorbsi, emisi spontan, dan emisi terstimulasi (ditunjukkan dengan gambar 2.1). Peristiwa emisi terstimulasi

  E

1 E

  1 E

  1 E E E

  Absorbsi Emisi Emisi Terstimulasi

Gambar 2.1. Tiga jenis transisi antara dua tingkat energi dalam atom

  (Beiser, 1987:158)

1. Populasi Atom

  Tinjau dua tingkat energi dalam sebuah atom E

  1 dan E 2 dengan

  E

  1 < E

2. Cacah jumlah atom yang berada di masing- masing tingkat

  energi adalah N

  1 dan N 2 . Untuk menggambarkan distribusi energi pada

  atom-atom itu dalam kesetimbangan termal berlaku fungsi distribusi Maxwell- Boltzmann, yaitu:

  … … …… … … …… … ……(2.1) = − (Beiser, 1987:314). adalah banyak partikel rata-rata pada setiap keadaan yang berenergi E, dan T adalah temperatur mutlak, sedangkan adalah konstanta Boltzmann (Beiser, 1987:314). Harga A bergantung dari jumlah partikel dalam sistem dan di sini memegang peranan yang serupa dengan konstanta normalisasi suatu fungsi gelombang.

  Ditinjau dari dua keadaan E

  1 dan E 2, substitusi ke persamaan

  1

   Untuk N

  1

  1 …… … …. … … …… … …. . (2.2)

  = ) exp (−

   Untuk N

  2

  2

  = ) exp (− … … …… … …… . . … …… . . (2.3)

2 Menggabungkan persamaan 2.2 dan 2.3

  1

  1

  ) exp (−

  = … … … …. … … …… … …(2.4)

  2

  2

  ) exp (− Menjadi

  ( ) −

  1

  2

  1

  = … … …… . … …… … …… (2.5)

  2 ( )

  2 −

  1 Dari persamaan (2.5) diketahui bahwa selalu bernilai

  postif. Sehingga dapat disimpulkan bahwa N

  1 selalu lebih besar dari N 2 .

  Ini berarti bahwa populasi atom di tingkat dasar pasti selalu lebih banyak daripada populasi di tingkat energi di atasnya.

2. Kebolehjadian Laju Emisi Terstimulasi dan Laju Absorbsi

  Atom-atom di E

  2 dapat saja melompat ke E 1 secara spontan (emisi

  spontan) dengan kebolehjadian transisinya A

  21 per satuan waktu. Jika

  terdapat radiasi dengan frekuensi ( ) dan rapat energi ( ), terjadilah transisi akibat serapan (absorbsi) dari E

  1 ke E 2 , dengan kebolehjadian

  B

  12

  ( ) karena terlihat jelas kebolehjadian ini sebanding dengan rapat dari E

  2 ke E 1 akibat kebolehjadian B

  12

  ( ). Sudah tentu semua transisi yang terjadi di sini berbanding lurus dengan populasi atom di tingkat energi asalnya masing- masing. Perubahan N

  2 secara matematis dapat

  dituliskan sebagai berikut:

  2

  = +

  12 1 −

  21

  12 2 … … …… . . (2.6)

  (Pikatan dalam Andrianto, 2008:10) Perubahan populasi ini disebabkan oleh pertambahan akibat serapan dan pengurangan akibat pancaran. Setelah tercapai kesetimbangan antara atom-atom itu dengan radiasinya, pengaruh ₂ serapan dan pancaran akan saling meniadakan. Oleh karena itu = 0, sehingga persamaan di atas menjadi

• =

  12

  1

  21

  12 2 …… … … …… … . . 2.7

  (Pikatan dalam Andrianto, 2008:10) Jika persamaan (2.6) digabungkan dengan (2.5) dan substitusi

  =

  2 − 1 ( )(energi foton yang dilepaskan pada saat deeksitasi)

  maka diperoleh persamaan:

  

21

  

12

  = … … …… … …… … …. . 2.8

  21

  −

  12

  (Pikatan dalam Andrianto, 2008:10) Jumlah foton rata-rata

  ( ) untuk setiap keadaan berenergi = akan mengikuti fungsi distribusi Bose-Einstein (Beiser,

  1 = …… … …… … …… … … …… . (2.9) exp

  1 exp −

  Harga dalam persamaan Bose-Einstein bergantung dari banyaknya partikel dalam sistem yang sedang ditinjau. Dalam hal ini yang ditinjau adalah foton, di mana foton tercipta dan termusnahkan dalam setiap waktu. Oleh karena ketidakkekalalan foton, maka = 0. Jadi fungsi distribusi Bose- Einstein untuk foton adalah

  1 = … … …… … …… … . . …… … … .(2.10) exp

  1 −

  (Beiser, 1987:336) Dengan penjabaran matematis, diperoleh Rumus Radiasi Planck

  3

  8 = …… … … …… … …… … …… … . …(2.11)

  3

  exp

  1 −

  (Beiser, 1987:336) Jika dibandingkan persamaan (2.11) dengan persamaan (2.8) kedua persamaan tersebut merupakan persamaan yang sama untuk penjabaran

  ( ). Dapat dilihat dari persamaan di bawah ini:

  21

  3

  8

  12

  = = …… … … …… . . (2.12)

  21

  3

  exp

  1 − −

  12 Dari persamaan (2.12) di atas, dapat ditarik kesimpulan bahwa:

  3

  8

  21

  = … … …… … …… … …… … … (2.13)

  3

  12

  dan

  

21

  = 1 … … … …… … …… … …… … (2.14)

  

12

Persamaan (2.14) menunjukkan bahwa kebolehjadian atom-atom untuk melakukan transisi serapan dan pancaran terangsang adalah sama.

  Sedangkan, nisbah laju pancaran terangsang terhadap serapan dapat dihitung sebagai berikut:

  21

  2

  = = 1 … … …… … …… 2.15

  12

  1

  (Pikatan dalam Andrianto, 2008:12) Dari persamaan di atas terlihat bahwa tidaklah mungkin pancaran teransang dapat mengungguli transisi serapan. Hal ini dikarenakan, dalam kesetimbangan termal N

  1 selalu lebih besar dari N 2 . Laser hanya

  bisa terjadi jika N

  2 lebih besar dari N 1 , yang tentu saja tidak alamiah

  terjadi. Oleh karena itu, diperlukan inversi populasi, suatu keadaan di mana kelompok atom-atom sebagian besar berada dalam keadaan tereksitasi (Beiser dalam Andrianto: 2008:12). Cara-cara untuk mencapai keadaan inversi populasi ini antara lain adalah pemompaan optis dan pemompaan elektris. Pemompaan optis adalah penembakan foton sedangkan pemompaan elektris adalah penembakan elektron melalui lucutan listrik (Pikatan dalam Andrianto, 2008:12).

  Untuk mencapai keadaan inversi populasi pemompaan ini harus melakukan pemindahan atom ke tingkat eksitasi denga n laju yang lebih cepat dibandingkan dengan laju pancaran spontannya. Hal ini dapat dilakukan jika dipergunakan medium laser yang atom-atomnya memiliki tingkat energi metastabil. Atom yang memiliki tingkat energi metastabil adalah atom yang memiliki satu atau lebih tingkat eksitasi

• 3

  dengan umur 10 sekon atau lebih dari rata-rata umur yang biasa, yaitu

• 8

  10 sekon. Dengan demikian pada saat pemompaan terus berlangsung, terjadi penambahan populasi di tingkat metastabil ini. Jika populasi di tingkat metastabil ini bertambah, maka kebolehjadian terjadinya pancaran terimbas akan lebih besar dari transisi serapan.

  Populasi tingkat dasar kini sudah terlampaui populasi tingkat metastabil. Jika suatu saat secara spontan dipancarkan satu foton saja yang berenergi sama dengan selisih tingkat metastabil dengan tingkat dasar maka akan memicu atom-atom lain di tingkat metastabil untuk kembali ke tingkat dasar. Akibatnya atom-atom itu melepaskan foton- foton yang energi dan fasenya persis sama dengan foto yang memicu tadi Peristiwa terbentuknya foton- foton yang berenergi sama dan fasenya sama dengan cara di atas disebut laser.

3. Kebolehjadian Laju Emisi Terstimulasi dan Laju Emisi Spontan

  Syarat penting lainnya untuk menghasilkan laser adalah spontan (Pikatan dalam Andrianto 2008:14). Secara matematis dapat ditulis, sebagai berikut:

  12 ( )

  2

  = …… … …… … … …. . (2.16)

  21

  2 Jika persamaan (2.16) disubstitusikan dengan persamaan (2.13)

  dan (2.14) diperoleh perbandingan laju pancaran terangsang dengan laju pancaran spontan, adalah sebagai berikut:

  3

  = ( ) …… … … …… … …. . (2.17)

  3

  8 (Pikatan dalam Andrianto, 2008:14)

  Persamaan (2.17) di atas, terlihat bahwa rapat energi ( ) harus cukup besar agar laser dapat dihasilkan. Rapat energi foton ini dapat ditingkatkan dengan memberikan suatu rongga resonansi optis (Pikatan, dalam Andrianto, 2008:14). Di dalam rongga tersebut jumlah foton terus bertambah melalui pantulan yang berula ng- ulang pada kedua ujung rongga. Dengan cara di atas terjadi perbesaran intensitas, yang menjadi salah satu karakter laser. Secara teknis, pembuatan rongga resonansi ini merupakan masalah yang memerlukan penanganan teliti pada saat membangun sistem laser. Secara sederhana, prinsip kerja laser secara umum ditunjukkan pada gambar 2.2. KEADAAN EKSITASI KEADAAN EKSITASI KEADAAN EKSITASI KEADAAN EKSITASI

  ′′

  E

  2 E

  2 E

  2 E

  2 ′′ ′′

  E

  1 E

  1 E

  1 Keadaan E

  1 ′

  Keadaan Keadaan Keadaan Metastabil Metastabil Metastabil Metastabil

  ′ ′

  E E E E KEADAAN DASAR KEADAAN DASAR KEADAAN DASAR KEADAAN DASAR Atom pada tingkat dasar dipompa Transisi cepat ke keadaan Metastabil Keadaan metastabil terisi banyak Emisi terimbas terjadi bila foton

  ′′

  ke keadaan E

  2 oleh foton dengan E 1 dengan emisi foto = atom berenergi tiba.

  = −

  2 −

  1 1 ′

  = energi (atau oleh Kemudian foton sekunder juga

  −

  2

  tumbukan) mengimbas transisi lain sehingga menimbulkan

Gambar 2.2. Prinsip kerja laser (Beiser, 1987:159) runtutan foton koheren

  16

B. Laser CO

2 Lasert CO

  2 dikembangkan pertama kali oleh C. K. N. Patel di

  Laboratorium Bell (Bellis, 1980:1). Laser CO

  2 termasuk jenis laser gas

  molekul. Bentuk ikatan molekul CO

  2 adalah dua ikatan kovelen yang

  diakibatkan oleh pasangan elektron dari atom karbon dengan masing- masing atom oksigen (Laud dalam Andrianto, 2008:16). Molekul CO

  2

  merupakan molekul yang konfigurasinya simetri dan linear, serta memiliki tiga derajat kebebasan getaran seperti yang dilukiskan pada gambar 1.1.

  (a) Oksigen Karbon Oksigen Molekul (CO

  2 )

  tak tereksitasi (b)

  Ragam tarikan simetri ( )

  1 Ragam tarikan

  (c) lengkung ( )

  2

  (d) Ragam tarikan asimetri ( )

  3 Gambar 2.3. Tiga ragam normal getaran molekul CO 2 simetri linear. Gambar 2.3.a menunjukkan molekul dalam keadaan diam. Gambar 2.3.b menunjukkan ragam tarikan simetri ( ), di mana atom-atom

  1

  molekul CO 2 bergetar di sepanjang sumbu antar inti secara simetri. Gambar 2.3.c menunjukkan ragam tarikan lengkung ( ), di mana atom-

  2

  atom molekul CO bergetar secara simetris tetapi dalam bidang yang tegak

  2

  lurus terhadap sumbu antar inti. Gambar 2.3.d menunjukkan ragam tarikan asimetri ( ), di mana atom-atom molekul CO

  2 bergetar secara tak simetris

  3

  sepanjang sumbu antar inti. Transisi dari ketiga ragam vibrasi di atas yang menghasilkan aksi laser dengan panjang gelombang tertentu yang khas untuk laser CO 2.

  Walaupun banyak laser gas menggunakan gas yang homogen, beberapa laser gas mengggunakan campuran beberapa gas untuk memperoleh transfer energi yang lebih efektif dalam aras laser, seperti pada laser CO

  2 (Bellis, 1980:1). Gas-gas yang biasa ditambahkan dalam

  sistem laser CO antara lain adalah Nitrogen (N ), Helium (He), uap air

  2 ,

  2

  (H O), dan Xenon (Xe). Gas- gas tersebut di atas merupakan gas- gas

  2

  pendukung saja. Aksi laser yang menghasilkan foton-foton hanya dihasilkan oleh atom-atom molekul CO

  2 . Gas-gas pendukung tersebut

  membantu proses eksitasi ke aras vibrasi rotasi dari atom-atom molekul CO 2 ).

  Penambahan gas nitrogen (N

  2 ) dapat menghasilkan daya keluaran

  dengan lebih efisien. Kenaikan daya rata-rata dengan penambahan

  Nitrogen pada aras dasar CO

  2 . Transfer energi vibrasi dari atom-atom

  molekul Nitrogen membantu molekul- molekul CO

  2 untuk tereksitasi (Andrianto, 2008:21).

  Diagram aras tenaga yang disederhanakan dari beberapa getaran atom-atom molekul CO

  2 ditunjukkan pada gambar 2.4. Karena Nitrogen

  (N

  2 ) merupakan molekul diatomik, N 2 hanya memiliki satu derajat

  kebebasan getaran, sehingga satu bilangan kuantum getaran ( ) sudah secara lengkap menggambarkan aras getarannya (Mitrayana, 2002:11)

  −1 −1

  Energi,

  18 (00 1)

  = 1 energi vibrasi foton 10,6 ditransfer selama foton 9,6 tumbukan

  (I) (10 0) (II) Eksitasi Eksitasi

  (02 0) Relaksasi

  (01 0) Relaksasi

  Keadaan dasar CO

  2 (00 0) Keadaan dasar N 2 (

  = 0)

Gambar 2.4. Diagram aras-aras tenaga vibrasi yang terjadi pada laser CO

  2

  (Witteman dalam Andrianto, 2008:18) Molekul CO

  2 tereksitasi dari keadaan dasar (00 0) ke keadaan aras

  atas (00 1). Keadaan ini dibantu oleh molekul- molekul N 2 yang tereksitasi.

• 1

  Hal ini dikarenakan selisih tenaga yang kecil, yaitu 18 cm antara aras laser atas (00 1) CO

  2 dengan aras (

  2. Dari selisih tenaga yang

  = 1) N kecil tersebut, N

  2 sangat efisien untuk memindahkan tenaganya ke molekul

  CO melalui tumbukan. N sendiri sangat efisien tereksitasi dari keadaan

  2

  2

  ( = 0) ke aras ( = 1) oleh tumbukan elektron.

  Setelah molekul CO

  2 mengalami eksitasi ke aras (00 1), molekul

  CO

  2 akan mereras ke aras bawah laser [10 0, 02 0] I dan [10 0, 02 0]

  II. Aras

  (10 0) dan (02 0) memiliki tenaga yang hampir sama meskipun ragam getarannya berbeda, dan hal ini disebut degenerasi kebetulan. Karena pertama kali diperkenalkan oleh Fermi, degenerasi kebetulan ini sering disebut resonansi Fermi, dan menyebabkan gangguan aras-aras tenaga.

  Penempatan transisi pita biasa (reguler) ditunjukkan dengan [00 1 0,

• – (10 02 0)

  I ] untuk pita 10,4

  1 0, 02 0)

  II ] untuk pita

• – (10 dan dengan [00

  9,4 .

  Selama operasi laser, molekul CO

  2 yang tereksitasi ke aras atas laser

  (00 1) molekul CO

  2 akan mereras ke aras bawah laser [10 0, 02 0] I dan

  [10 0, 02 0]

  II sambil memancarkan foton dengan panjang gelombang 10,4