PENGUKURAN DAYA LASER CO2 DAN LASER DPSS SERTA
PENGAMATAN
BEAM PROFILER
SINAR LASER DPSS DAN
LASER He-Ne MENGGUNAKAN CCD
SKRIPSI
HELEN MARTINA MANURUNG
090801041
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN
ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PENGUKURAN DAYA LASER CO2 DAN LASER DPSS SERTA
PENGAMATAN
BEAM PROFILER
SINAR LASER DPSS DAN
LASER He-Ne MENGGUNAKAN CCD
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat
mencapai gelar Sarjana Sains
HELEN MARTINA MANURUNG
090801041
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN
ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PERSETUJUAN
Judul : Pengukuran Daya Laser CO2 Dan Laser DPSS Serta Pengamatan Beam Profiler Sinar Laser DPSS dan Laser He-Ne Menggunakan CCD
Kategori : Skripsi
Nama : Helen Martina Manurung
Nomor Induk Mahasiswa : 090801041
Program Studi : Sarjana (S1) Fisika
Departemen : Fisika
Fakultas : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara
Diluluskan di Medan, 20 Agustus 2013
Komisi Pembimbing :
Pembimbing 2, Pembimbing 1,
Dr. Bisman Perangin-angin, M.Eng.Sc Drs. Takdir Tamba, M.Eng.Sc
NIP. 195609181985031002 NIP. 196006031986011002
Diketahui/ disetujui Oleh : Departemen Fisika FMIPA USU Ketua,
Dr. Marhaposan Situmorang
LEMBAR PENGESAHAN
PENGUKURAN DAYA LASER CO2 DAN LASER DPSS
SERTA PENGAMATAN BEAM PROFILER SINAR LASER DPSS DAN LASER He-Ne MENGGUNAKAN CCD
Oleh :
Helen Martina Manurung NIM : 090801041
Disetujui oleh :
DR. Maria Margaretha Sulianti, MT NIP : 195903101986032002
Diketahui oleh :
Kepala Pusat Penelitian Fisika
PPF - LIPI
PERNYATAAN
PENGUKURAN DAYA LASER CO2 DAN LASER DPSS SERTA
PENGAMATAN BEAM PROFILER LASER DPSS DAN LASER He-Ne MENGGUNAKAN CCD
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri, kecuali beberapa kutipan dari ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, 20 Agustus 2013
PENGHARGAAN
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala rahmat dan anugerah kasihNya, kekuatan serta hikmat kebijaksanaan sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Dalam penulisan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapatkan masukan, arahan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terimakasih buat semua pihak yang terlibat di dalam penulisan Tugas Akhir ini. Ucapan terimakasih saya sampaikan kepada :
1. Keluarga besar saya, orangtua saya H. Manurung dan R. Damanik, adik-adik saya tersayang Hilda Manurung, Halason Manurung dan Hansen Manurung, terimakasih buat dukungan, doa, kesabaran dan kasih sayang yang diberikan. I always love you until the end of my life.
2. Para peneliti-peneliti di LIPI Serpong, Banten, yan telah banyak membantu saya diantaranya Ibu DR. Maria M. Suliyanti, M.T selaku pembimbing di P2F LIPI, Bapak Dr. Bambang Widyatmoko selaku kepala P2F LIPI, pak Prabowo, bu Ani, pak Suryadi, ibu Affi, ibu yuli, pak Bambang, Prof. Masno Ginting, Prof. Pardamean Sebayang dan seluruh staf/karyawan P2F LIPI Serpong, Banten, yang tidak dapat saya ucapkan satu persatu, saya mengucapkan terimakasih.
3. Bapak Drs. Takdir Tamba, M.Eng.Sc dan bapak Dr. Bisman Perangin-angin, M.Eng.Sc selaku dosen pembimbing saya yang telah memberikan banyak masukan, semangat, waktu dan pikiran untuk memberikan arahan dan bimbingan kepada saya dalam menyelesaikan Tugas Akhir saya ini, saya mengucapkan terimakasih.
4. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Jurusan Fisika FMIPA USU dan Bapak Drs. Syahrul Humaidi, M.Si selaku Sekertaris Jurusan Fisika FMIPA USU dan dosen PA saya, serta seluruh dosen, staf/karyawan Departemen Fisika, saya mengucapkan terimakasih.
5. Personil fisika USU angkatan 2009 yang dikenal dengan sebutan stambuk
Fitri Yuniati Harahap, Arvilla Mikartini, Sabam P. Simbolon, Sukria Novianti, Monora Panca Bakara, Herdiana Purba, Ade Irma Y. Nasution, Zainaluddin Rambe (Komting 2009), Sony Togatorop, Agus P. Siahaan, Nurzannah, Ferdy Aulia Mirda, Masria Pane, Valentina Ginting, Eldo Jones Surbakti, Yosua Pinem, Esrawati Siregar, Wenny Yoweri Gulo, Septiana Manurung, Yenny T.S. Lubis, Resdina Silalahi, Emy Tarigan, Stevani Sigiro, Enra S. Tambunan, Silviana Simbolon, Kalam T.T. Siregar, Istas P. Manalu, Rieni K. Sitanggang, Suhartina Malau, Natanael Saragih, Timbul Mulia David Panjaitan, Poltak Simarmata, teman seperjuangan suka dan duka, bersama-sama mengarungi pahit manisnya masa perkuliahan, bersama-sama mengarungi pahit manisnya masa-masa kepanitiaan untuk kegiatan-kegiatan Ikatan Mahasiswa Fisika (IMF) dan kepengurusan IMF USU tahun 2012-2013. I love you all and someday I will miss everything that we have done to do , guys.
6. Seluruh anggota Ikatan Mahasiswa Fisika (IMF) USU mulai dari anggota angkatan diatas stambuk saya maupun dibawah stambuk saya, saya mengucapkan terimakasih atas kerjasamanya selama perkuliahan.
7. Teman-teman almuni SMA RK Budi Mulia Pematangsiantar yang berada di JaBoDeTaBek yang telah banyak memberikan masukan selama saya penelitian di Serpong, Tangerang Selatan, Banten.
ABSTRAK
Dalam penelitian ini, dilakukan pengukuran daya dengan memvariasikan arus terhadap laser CO2 dan laser DPSS, pengamatan beam profiler sinar laser DPSS dan laser He-Ne serta pengamatan spektrum panjang gelombang laser DPSS dan laser He-Ne.
Pada pengukuran daya dengan memvariasikan arus terhadap laser CO2 dan laser DPSS, pengukuran dilaksanakan lebih dari satu kali agar dapat disimpulkan bagaimana kestabilan daya yang dihasilkan dari masing-masing laser. Dari hasil pengukuran yang dilakukan, laser DPSS menghasilkan daya yang lebih stabil dibandingkan dengan laser CO2. Namun, laser CO2 menghasilkan daya yang jauh lebih besar dibandingkan dengan laser DPSS.
Dalam penelitian ini juga mengamati beam profiler sinar laser DPSS dan laser He-Ne. Pengamatan ini menggunakan CCD sebagai sensor untuk merekam gambar cahaya yang dipancarkan oleh laser yang kemudian ditransmisikan ke komputer dan diolah menggunakan software Laser Beam Analyzers untuk menampilkan bentuk 2 dimensi dan 3 dimensi dari laser. Setelah dilakukan pengamatan, pada laser DPSS, jarak CCD ke sumber laser yang tepat untuk menampilkan gambar yang bagus berada pada jarak 32 cm dengan diameter berkas laser sebesar 3,673 mm sedangkan untuk laser He-Ne berada pada jarak 10 cm dengan diameter berkas laser sebesar 4,451 mm. Pada penelitian ini juga dilakukan pengamatan spektrum panjang gelombang laser DPSS dan laser He-Ne menggunakan spektrometer HR4000.
MEASURING POWER OF LASER CO2 AND LASER DPSS AND
OBSERVATION THE BEAM PROFILER OF LASER BEAM DPSS AND LASER BEAM He-Ne BY USING CCD
ABSTRACT
This research has done measuring the power by varying the current of laser CO2 and laser DPSS, observation the beam profiler of laser beam DPSS and laser beam He-Ne and observation the spectrum wavelength of laser DPSS and laser He-Ne.
In this case of measuring the power by varying the current of laser CO2 and laser DPSS, the measuring has done more than once in order to concluded how the stability of the power that produced by each of the laser. The result of this measuring is laser DPSS produced the power more stable than the laser CO2 but the laser CO2 produced the power more bigger than the laser DPSS.
In this research, the observation the beam profiler of laser beam DPSS and laser beam He-Ne by using CCD which is the censor to record the figure of light emited by the laser and then transmitted to the computer and processed by using software Laser Beam Analyzers to show the type of 2 dimension and 3 dimension of the laser. After that doing this observation, the conclusion are the distance of the CCD form the laser DPSS is 32 cm and the diameter of the laser beam is 3,673 mm and the distance of the CCD from the laser He-Ne is 10 cm and the diameter of the laser beam is 4,451 mm. In this research also made the observation of the spectrum wavelength of the laser by using spectrometer HR4000.
DAFTAR ISI
2.3.3 Karakterisitik Laser Secara Umum 17
2.3.3.1 Koherensi 17
2.3.3.2 Monokromatik 18
2.3.3.3 Keterarahan (directionality) 19 2.3.3.4 Kecerahan (Brightness) 20
2.3.4 Laser CO2 21
2.3.5 Laser DPSS (Diode-Pumped Solid State) 22
2.3.6 Laser He-Ne 23
BAB III Metode Penelitian
3.1.1 Tempat Penelitian 25
3.1.2 Waktu Penelitian 25
3.2 Alat, Software dan Laser yang Diteliti 25
3.2.1 Alat Penelitian 25
3.2.1.1 Alat Laser CO2 Kontinyu 25
3.2.1.2 Alat Laser DPSS 30
3.2.1.3 Beam Profiler 32
3.2.1.4 Pengamatan Spektrum Panjang 34 Gelombang Laser
3.2.2 Laser yang Diteliti 34
3.2.3 Software 35
3.3 Prosedur Penelitian 35
3.3.1 Pengukuran Daya Laser 35
3.3.2 Pengamatan Beam Profiler Sinar Laser 38 3.3.3 Pengamatan Spektrum Panjang Gelombang Laser 39
3.4 Analisa Data 40
3.5 Diagram Kerja 40
BAB IV Hasil dan Pembahasan
4.1 Pengukuran Besar Daya Laser CO2 Sebagai Fungsi Arus 42 4.2 Pengukuran Besar Daya Laser DPSS Sebagai Fungsi Arus 45 dengan Variasi Cermin
4.3 Pengamatan Bentuk Berkas Sinar Laser 47 4.4 Pengamatan Spektrum Panjang Gelombang Laser 57
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
Tabel
4.1. Pengukuran daya laser CO2 sebagai fungsi arus 42 (Rabu, 1 Mei 2013)
4.2. Pengukuran daya laser CO2 sebagai fungsi arus 43 (Kamis, 2 Mei 2013)
4.3. Bentuk 2 dimensi dan 3 dimensi berkas sinar laser 48 Dengan filter hijau hijau
DAFTAR GAMBAR beberapa putaran diantara cermin, cahaya laser
muncul dengan sudut penyimpangan yang kecil
2.11. Skema laser 20
sebagai fungsi arus dengan penggunaan cermin
3.13. Diagram blok pengukuran daya pada laser DPSS 38 sebagai fungsi arus tanpa penggunaan cermin
Arus (Kamis, 2 Mei 2013)
4.3. Grafik pengukuran daya laser DPSS sebagai fungsi 46 arus tanpa penggunaan cermin dan dengan
penggunaan cermin
4.4. Bentuk 2 dimensi sinar laser DPSS pada jarak 51 32 cm
4.5. Bentuk 3 dimensi sinar laser DPSS pada jarak 51 32 cm
4.6. Bentuk 2 dimensi sinar laser He-Ne pada jarak 56 10 cm
4.7. Bentuk 3 dimensi sinar laser He-Ne pada jarak 57 10 cm
4.8. Spektrum laser DPSS 58
ABSTRAK
Dalam penelitian ini, dilakukan pengukuran daya dengan memvariasikan arus terhadap laser CO2 dan laser DPSS, pengamatan beam profiler sinar laser DPSS dan laser He-Ne serta pengamatan spektrum panjang gelombang laser DPSS dan laser He-Ne.
Pada pengukuran daya dengan memvariasikan arus terhadap laser CO2 dan laser DPSS, pengukuran dilaksanakan lebih dari satu kali agar dapat disimpulkan bagaimana kestabilan daya yang dihasilkan dari masing-masing laser. Dari hasil pengukuran yang dilakukan, laser DPSS menghasilkan daya yang lebih stabil dibandingkan dengan laser CO2. Namun, laser CO2 menghasilkan daya yang jauh lebih besar dibandingkan dengan laser DPSS.
Dalam penelitian ini juga mengamati beam profiler sinar laser DPSS dan laser He-Ne. Pengamatan ini menggunakan CCD sebagai sensor untuk merekam gambar cahaya yang dipancarkan oleh laser yang kemudian ditransmisikan ke komputer dan diolah menggunakan software Laser Beam Analyzers untuk menampilkan bentuk 2 dimensi dan 3 dimensi dari laser. Setelah dilakukan pengamatan, pada laser DPSS, jarak CCD ke sumber laser yang tepat untuk menampilkan gambar yang bagus berada pada jarak 32 cm dengan diameter berkas laser sebesar 3,673 mm sedangkan untuk laser He-Ne berada pada jarak 10 cm dengan diameter berkas laser sebesar 4,451 mm. Pada penelitian ini juga dilakukan pengamatan spektrum panjang gelombang laser DPSS dan laser He-Ne menggunakan spektrometer HR4000.
MEASURING POWER OF LASER CO2 AND LASER DPSS AND
OBSERVATION THE BEAM PROFILER OF LASER BEAM DPSS AND LASER BEAM He-Ne BY USING CCD
ABSTRACT
This research has done measuring the power by varying the current of laser CO2 and laser DPSS, observation the beam profiler of laser beam DPSS and laser beam He-Ne and observation the spectrum wavelength of laser DPSS and laser He-Ne.
In this case of measuring the power by varying the current of laser CO2 and laser DPSS, the measuring has done more than once in order to concluded how the stability of the power that produced by each of the laser. The result of this measuring is laser DPSS produced the power more stable than the laser CO2 but the laser CO2 produced the power more bigger than the laser DPSS.
In this research, the observation the beam profiler of laser beam DPSS and laser beam He-Ne by using CCD which is the censor to record the figure of light emited by the laser and then transmitted to the computer and processed by using software Laser Beam Analyzers to show the type of 2 dimension and 3 dimension of the laser. After that doing this observation, the conclusion are the distance of the CCD form the laser DPSS is 32 cm and the diameter of the laser beam is 3,673 mm and the distance of the CCD from the laser He-Ne is 10 cm and the diameter of the laser beam is 4,451 mm. In this research also made the observation of the spectrum wavelength of the laser by using spectrometer HR4000.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Ketergantungan masyarakat terhadap teknologi sudah tidak bisa dipungkiri lagi. Semakin berkembangnya zaman, semakin banyak alat-alat canggih yang ditemukan. Masyarakat semakin lama semakin bergantung hidupnya terhadap aplikasi dari teknologi canggih ini. Masyarakat semakin haus untuk menemukan sesuatu yang baru demi mempermudah kehidupannya. Sebagai contoh, salah satu penemuan yang semakin pesat perkembangannya adalah teknologi laser.
Pada abad ke 20 ini, bagi sebagian masyarakat berbagai macam aplikasi laser bukanlah hal yang awam untuk didengar. Hal ini dikarenakan sudah banyaknya aplikasi dari teknologi laser yang ada. Semenjak laser diperkenalkan pada tahun 1960 oleh Theodore Maiman, perkembangan teknologi laser sangatlah pesat dan dipergunakan secara meluas untuk mempermudah kehidupan manusia. Banyak aplikasi dari penggunaan laser yang telah ditemukan oleh para ilmuan baik dalam bidang sains, teknologi informasi, optik, kedokteran, miltiter, optoelektronik bahkan industri.
dihasilkan seperti yang begitu nyata kita lihat pada konser-konser band, tetapi itu hanyalah salah satu dari aplikasi laser.
Dalam bidang kedokteran dan kesehatan, sinar laser digunakan antara lain untuk mendiagnosis penyakit, pengobatan penyakit, dan perbaikan suatu cacat serta pembedahan. Pada bidang industri, sinar laser bermanfaat untuk pengelasan, pemotongan lempeng baja, serta untuk pengeboran. Pada bidang astronomi, sinar laser berdaya tinggi dapat digunakan untuk mengukur jarak bumi ke bulan dengan teliti. Dalam bidang fotografi, laser mampu menghasilkan bayangan tiga dimensi dari suatu benda, disebut holografi. Dalam bidang elektronika, laser solid state berukuran kecil digunakan dalam sistem penyimpanan memori optik dalam komputer. Dalam bidang komunikasi, laser berfungsi untuk memperkuat cahaya sehingga dapat menyalurkan suara dan sinyal gambar melalui serat optik.
Ada berbagai jenis laser menurut mediumnya. Medium laser bisa berupa padat, gas, cair atau semikonduktor. Laser biasanya ditentukan oleh jenis bahan atau medium yang digunakan sebagai contoh solid-state laser menggunakan medium padat seperti laser ruby yang menggunakan medium ruby dan laser Nd-YAG yang menggunakan medium neodymium: yttrium-aluminium garnet.
Contoh laser yang menggunakan medium gas yakni karbon dioksida (CO2) adalah laser CO2, laser nitrogen menggunakan medium gas nitrogen (N2), laser helium neon (He-Ne) menggunakan medium gas campuran helium dan neon dan lain sebagainya.
Dalam penelitian ini, karena keterbatasan laser yang ada, laser yang digunakan adalah laser CO2, laser diode-pumped solid state (laser DPSS) dan laser He-Ne kontinyu untuk mempelajari karakteristiknya.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang diatas, maka penulis merumuskan masalah karakteristik laser yang dikhususkan pada laser CO2, laser diode-pumped solid state (laser DPSS) dan laser He-Ne kontinyu karena belum adanya pengetahuan yang lebih spesifik atau mendalam tentang karakteristik laser CO2, laser DPSS dan laser He-Ne.
Berdasarkan rumusan masalah ini, maka penulis meneliti lebih lanjut karakterisasi laser CO2, laser DPSS dan laser He-Ne dengan penggunaan spektrometer HR4000 dan laser beam profiler untuk menampilkan spektrum panjang gelombang dan bentuk profil berkas dari laser DPSS dan laser He-Ne. Selain itu digunakan juga power meter untuk pengukuran besar daya sebagai variasi arus dari laser CO2 dan laser DPSS. Parameter-parameter berkas laser yang akan diteliti mencakup diameter/radius berkas dan distribusi intensitas spasial (profil berkas).
1.3 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah yang dibahas dalam penelitian ini adalah:
1. Laser yang digunakan adalah laser CO2, laser DPSS dan laser He-Ne kontinyu
2. Pengukuran besar daya laser CO2 dan laser DPSS dengan memvariasikan arus
3. Menggunakan spektrometer HR4000 untuk menampilkan grafik tampilan spektrum panjang gelombang dari laser DPSS dan laser He-Ne
1.4 Tujuan Penelitian
Adapun maksud dan tujuan penulis melakukan penelitian ini adalah :
1. Mengukur daya dari laser CO2 dan laser diode-pumped solid state (laser DPSS) serta mengamati beam profiler dari laser DPSS dan He-Ne yang mencakup parameter-parameter berkas antara lain diameter/radius berkas dan distribusi intensitas spasial (profil berkas)
2. Mengetahui kelebihan dan kekurangan yang dimiliki laser CO2, laser DPSS dan laser He-Ne
1.5 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah : 1. Meningkatkan pengetahuan terhadap teknologi laser
2. Memberikan kontribusi yang baik dalam perkembangan ilmu pengetahuan khusunya dalam bidang laser optoelektronika
3. Mempermudah dalam pemahaman karakteristik dari laser CO2, laser DPSS dan laser He-Ne
4. Diharapkan bisa dipakai sebagai bahan acuan apabila ada kegiatan untuk pengembangan aplikasi dari laser CO2, laser DPSS dan laser He-Ne
1.6 Metodologi Penelitian
1.7 Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pembahasan dan pemahaman maka penulis membuat sistematika pembahasan sebagai berikut :
BAB I : PENDAHULUAN
Dalam bab ini dibahas tentang latar belakang, rumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian, metodologi penelitian serta sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Dalam bab ini dijelaskan tentang laser CO2, laser DPSS dan laser He-Ne dan teori pendukung yakni karakterisasi dasar sinar, spektrum elektromagnetik, defenisi laser, karakteristik laser secara umum.
BAB III : METODE PENELITIAN
Pada bagian ini akan dibahas rincian metode penelitian karakterisasi laser, diagram blok dan flow chart
BAB IV : ANALISA DAN PEMBAHASAN
Pada bab ini akan dibahas hasil analisa karakteristik dari laser CO2, laser DPSS dan laser He-Ne serta rangkaian dan sistem kerja alat.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Karakteristik Sinar
Sinar merupakan berkas sempit sempit cahaya yang diidealkan. Sinar dapat digunakan untuk menjelaskan dua aspek penting mengenai perambatan cahaya yakni pemantulan dan pembiasan. Ada beberapa efek yang ditimbulkan akibat interaksi sinar dengan permukaan suatu benda yakni :
Sinar datang, dimana berkas cahaya yang menyentuh permukaan. Sudut antara sinar ini dan garis tegak lurus dengan permukaan (garis normal) yang disebut sudur datang.
Sinar pantul, dimana yang berhubungan dengan sinar datang, merupakan sinar yang mewakili cahaya yang dipantulkan oleh permukaan. Sudut pantul adalah sudut yang terbentuk antara garis normal dengan sinar pantul.
Sinar bias, dimana berhubungan dengan sinar datang, cahaya yang diteruskan atau ditransmisikan melalui permukaan. Sudut antara sinar ini dengan garis normal dikenal dengan sudut pembiasan.
Pada Hukum Snellius ditunjukkan hubungan antara sudut datang dan sudut bias pada cahaya atau gelombang lainnya, yakni dapat dirumuskan secara matematik :
2.2 Spektrum Elektromagnetik
Cahaya merupakan sebuah gelombang dan partikel. Pada hal cahaya tampak, dimana radiasi elektromagnetik dapat dengan mudah dilihat oleh mata manusia, panjang gelombang cahaya tampak bergantung pada warna cahaya tampak. Cahaya merah memiliki panjang gelombang sekitar 650 nm dan biru cerah memiliki panjang gelombang sekitar 500 nm. Radiasi elektromagnetik mencakup semua spektrum elektromagnetik yakni gelombang radio, gelombang mikro, radiasi infra merah, cahaya tampak, radiasi ultraviolet, sinar X dan sinar gamma seperti terlihat pada gambar 2.1 dibawah ini. (Mark Csele, 2004)
Gambar 2.1 Spektrum elektromagnetik (Mark Csele, 2004)
2.3 Laser
Semenjak ditemukannya MASER (Microwave Amplification by Stimulated
Emission of Radiation) oleh Charles H. Townes, MASER merupakan cikal bakal
ditemukannya LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
1,000 m) sampai pada bagian spektrum soft-X-ray ( = 3nm). (William T. Silfvast, 2004)
Gambar 2.2 Panjang gelombang beberapa laser (William T. Silfvast, 2004)
2.3.1 Definisi Laser
Laser merupakan akronim dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Laser yang sudah dikembangkan saat ini terdiri dari beberapa jenis. Berdasarkan sifat keluarannya, jenis laser dapat dibagi menjadi dua kategori yakni laser kontinyu dan laser pulsa. Laser kontinyu memancarkan cahaya yang tetap selama medium lasernya tereksitasi sementara itu laser pulsa memancarkan cahaya dalam bentuk pulsa pada interval waktu tertentu. (William T, Silfvast, 2004)
yakni keterarahan, intensitas yang tinggi, tingkat kecerahan yang tinggi dan monokromatik. (Anthony E. Siegmen, 1986)
2.3.1.1 Light
Dari sudut pandang fisikawan, terdapat dua model untuk menggambarkan sifat dari cahaya. Yang pertama, cahaya merupakan partikel dan yang kedua cahaya merupakan sebuah gelombang elektromagnetik, yang mungkin sebagai contoh cahaya dapat merambat dalam sumbu x.
(2.2) E0 adalah amplitudo dari medan elektrik
Ω merupakan rotasi frekuensi dengan ω = 2 = 2 /T, dimana adalah osilasi frekuensi dan T adalah osilasi waktu.
ƙ merupakan vektor gelombang dengan nilai ƙ = 2 / dimana adalah umum dibulatkan menjadi 3 × 108 ms-1. Sejak cahaya tampak berada pada range
(2.4) Dimana adalah frekuensi dan h adalah konstanta Planck (h = 6.675 × 10-31 Js).
2.3.1.2 Amplification
Amplifier sudah kita kenal sejak diaplikasikan pada TV set, radio dan telepon genggam yang kita gunakan sehari-hari. Pada umumnya, ketika sebuah signal dengan amplitudo yang kecil yang diteruskan ke amplifier sebagai masukan, signal tersebut muncul dengan amplitudo beberapa kali lebih tinggi pada keluarannya. Selama bertahun-tahun, komponen elektronika dirancang dari semikonduktor yang dapat lebih cepat membawa beberapa frekuensi gigahertz sehingga diperkuat tanpa penyimpangan yang signifikan. Namun amplifier elektronik tetap tidak memadai untuk amplifikasi gelombang elektromagnetik dengan fekuensi dalam kisaran 1014 Hz. Amplifikasi osilasi frekuensi dari cahaya tampak memerlukan proses fisik yang sama sekali berbeda, yakni amplifikasi dengan menstimulasi emisi cahaya yang dijelaskan pertama kali pada tahun 1922 oleh Albert Einstein. (Hans – Jochen Forth, 2008)
Pada laser, yang proses yang terpenting adalah proses dasar yang memungkinkan penguatan (amplification) pada frekuensi optik sampai pada frekuensi yang diperoleh. Proses ini menggunakan energi yang terlibat ketika partikel yang berlainan membentuk materi, terkhususnya atom-atom, io-ion dan molekul-molekul yang berpindah dari tingkat energi yang satu ke tingkat energi yang lainnya. (Colin E. Webb, 2004)
2.3.1.3 Stimulated Emission dan Spontaneous Emission
(2.5) Foton ini dipancarkan pada sebuah arah yang acak dengan polarisasi yang berubah-ubah (kecuali pada medan magnet). Foton membawa pergi momentum
h/ = h /c dan partikel yang dipancarkan (atom, molekul atau ion) mundur dalam arah yang berlawanan.
(a) Absorpsi (b) Emisi spontan (c) Emisi terstimulasi
Gambar 2.3 Interaksi cahaya dengan 2 level sistem (Hans – Jochen Foth, 2008)
Pada umumnya, ketika sebuah elektron berada dalam keadaan energi tereksitasi, elektron tersebut akan kekurangan energi karena melepaskan sebuah foton radiasi mengalami transisi menuju keadaan dasarnya dan memancarkan foton. Kejadian ini disebut emisi spontan (spontaneous emission) dan foton yang dipancarkan dalam arah dan fase yang acak.
Radiasi pada atom-atom atau molekul-molekul dapat menyebabkan penyerapan sinar. Dalam mekanika kuantum, energi dari foton harus sebanding dengan jarak antara tingkat energi. Sebagai contoh :
(2.6) dimana u ( ) mewakili kepadatan kekuatan dari medan radiasi pada frekuensi , dt adalah interval waktu dan B12 adalah koefisien Einstein untuk peralihan dari
Energi yang tersimpan pada level 2 dengan populasi N2 tidak akan tinggal untuk selamanya. Energi tersebut bertahan pada range 10-8s dimana energi disini dipancarkan ulang secara spontan melalui emisi foton (lihat pada Gambar 2.1 (b)). Laju transisi untuk emisi spontan ini adalah :
(2.7)
A21 merupakan koefisien Einstein untuk transisi secara spontan dari level 2 ke
level 1. (Hans-Jochen Foth, 2008)
Gambar 2.4 Emisi spontan dan emisi terstimulasi
(www.bgu.ac.il/~glevi/website/Guides/Lasers)
Laser merupakan alat yang menghasilkan dan memperkuat radiasi koheren pada frekuensi – frekuensi di daerah inframerah, cahaya tampak (visible), atau daerah ultraviolet dari spektrum elektromagnetik. Laser menghasilkan cahaya yang merupakan radiasi elektromagnetik. Ketika radiasi elektrogamnetik berinteraksi dengan material, beberapa radiasi direfleksikan, beberapa diserap dan beberapa ditransmisikan. Koefisien absopsi tergantung pada medium panjang gelombang dari radiasi dan intesitas. Makin tinggi intensitas maka akan menghasikan banyak foton yang berinteraksi.
Gambar 2.5 Skema sederhana dari tipe laser (William T. Silfvast, 2004)
2.3.2 Komponen Laser
Berdasarkan sifat keluarannya, ada dua jenis laser yakni laser kontinyu dan laser pulsa. Laser kontinyu adalah laser yang memancarkan cahaya yang tetap selama medium lasernya dieksitasi, sedangkan laser pulsa adalah laser yang memancarkan cahaya dalam bentuk pulsa pada interval tertentu. Komponen penting sebuah laser adalah laser resonator atau laser cavity. Laser cavity ini terdiri dari 3 komponen penting yaitu:
1. An lasing medium or gain medium Laser (Medium Laser)
Biasanya terbuat dari bahan padatan (seperti kristal, gelas), cairan (seperti pelarut organic), gas (seperti Helium, CO2) atau semikonduktor (dioda).
2. An energy source or pump (Sumber energi atau pemompa energi)
Tempat terjadinya proses pelepasan energi tinggi, reaksi kimia, dioda, lampu kilat.
Gambar 2.6 Tiga komponen laser (Dr. Emily Simpson, 2012)
Medium laser mengandung atom-atom yang mempunyai tingkat energi metastabil yang dapat dieksitasi dengan menyerap energi dari luar. Medium ini dapat berupa zat cair, gas maupun zat padat sehingga jenis-jenis laser juga dapat dikategorikan berdasarkan medium yang digunakan seperti laser CO2 (laser yang menggunakan medium gas, yakni gas CO2), laser DPSS (laser yang menggunakan medium zat padat, yakni dioda) dan laser cat (dye laser). Laser membutuhkan energi untuk mengeksitasi atom-atom dalam medium laser. Energi ini diperoleh dari beberapa cara. Sebagai contoh pada laser CO2, energy eksitasi diperoleh dari sebuah lampu pelucut muatan (discharge lamp).
Gambar 2.7 Skema rongga laser (Laser Cavity) (Dr. Minarni, 2010)
Dalam laser cavity, cahaya yang diemisikan atom-atom akan bolak-balik karena dipantulkan oleh kedua cermin, cahaya ini akan membentuk sebuah gelombang berdiri (standing wave) yang menentukan karakteristik frekuensi dan panjang gelombang laser yang dihasilkan. Gelombang berdiri didalam laser cavity
harus memenuhi kondisi dimana simpul gelombang harus berada pada kedua ujung cavity tersebut, gelombang berdiri akan ada jika jumlah ½ gelombang dapat memenuhi jarank antara kedua cermin seperti yang ditunjuk pada Gambar 2.7, dimana :
atau
(2.8)
Disini N adalah jumlah total dari ½ gelombang, L adalah jarak antara kedua cermin. Panjang gelombang dan frekuensi gelombang ke mode N diberikan oleh :
, dan
(2.9)
Disini c adalah kecepatan cahaya dalam laser cavity, n adalah indeks bias medium laser, ∆ adalah perbedaan antara dua mode yang berdekatan atau disebut juga
free spectral range (FSR). Keluaran laser tidak sepenuhnya monokromatik tetapi
2.3.3 Karakteristik Laser Secara Umum
2.3.3.1Koherensi
Laser memiliki aturan dan prinsip yang sama dengan sumber cahaya lainnya. Laser memiliki tiga karakter spesial yang menuntun pada kegunaannya di beberapa aplikasi yakni koheren, monokromatik dan keterarahan ditunjukkan pada Gambar 2.8.
Koherensi merupakan karakter yang sangat menarik dari sinar laser. Karakter ini menyatakan bahwa semua foton teremisi dari sebuah laser memiliki fase yang sama ; sebagai gelombang dimana memiliki puncak dan lembah diwaktu yang sama. Sifat koherensi laser ini merupakan salah satu sifat yang sangat menarik dalam aplikasi komunikasi, tetapi sifat ini hanya menjadi kepentingan sekunder dalam menghasilkan efek laser.
Koherensi tergantung pada celah sudut divergensi sinar. Sebuah sinar yang tidak koheren hanya dapat difokuskan pada daerah yang sempit. Sinar laser berbeda dengan cahaya putih dalam hal koherensinya. Hal ini disebabkan karena laser memiliki panjang gelombang yang sama dan semua gelombang berjalan dalam satu fase. Karena masing-masing gelombang tidak saling bertubrukan dan divergen, intensitas cahaya yang tinggi dapat dihasilkan dengan memfokuskannya dengan bantuan sebuah lensa.
Untuk tinggal pada fase ini diperlukan foton-foton yang teremisi memiliki panjang gelombang yang sama. Jika beberapa foton memiliki panjang gelombang yang berbeda, fase-fase dari foton-foton tersebut akan relatif berbeda dari yang lainnya dan sinarnya tidak akan koheren. Foton-foton tersebut harus menjadi sangat terarah ketika berpindah pada arah yang sama.(Mark Csele, 2004)
2.3.3.2 Monokromatik
Karena kaca prisma bersifat dispersi, kaca prisma dapat memisahkan cahaya putih menjadi beberapa komponen warna (Gambar 2.9(a)). Lebar pita pada cahaya putih adalah selebar seluruh spectrum tampak, yakni 300 nm. Jika cahaya misalnya cahaya merah normal jatuh pada prisma, cahaya merah tersebut dipisahkan pada komponen panjang gelombangnya juga. Pada kasus ini, bagaimanapun juga, lebar pita jauh lebih kecil, hanya sekitar 10 atau 20 nm. Prisma akan menghasilkan berkas warna yang sempit dengan range dari warna merah gelap sampai merah terang (Gambar 2.9(b)), tetapi prisma akan memiliki pengaruh yang terlihat pada laser cahaya merah pada Gambar 2.9(c) karena lebar pitanya makin kecil dibandingkan dengan cahaya merah dari filter pada Gambar 2.9(b).
Gambar 2.9 Sebuah prisma dapat digunakan untuk pengertian konsep monokromatik (Breck Hitz, 2001)
menghasilkan sinar yang memiliki panjang gelombang yang sama. Ketika cahaya putih tersebar melalui prisma, cahaya itu terdiri dari jumlah tak terbatas panjang gelombang cahaya yang meliputi seluruh spektrum cahaya tampak serta ke daerah UV dan IR. Dengan mempertimbangkan garis emisi dari pelepasan gas, garis-garis ini jauh lebih sempit bila dilihat pada sebuah spektroskop. Rentang (range) panjang gelombang tergantung pada banyak faktor seperti tekanan gas, dengan
range perubahan menjadi 0,1 nm dari lebar panjang gelombang sebelumnya.
2.3.3.3Keterarahan (directionality)
Divergensi laser diukur dalam satuan mili radian. Ukuran ini sangat kecil dan merupakan hasil dari persyaratan bahwa cahaya harus membuat banyak pantulan pada laser resonator sebelum cahaya tersebut melalui cermin yang sebagian ditransmisikan. Hanya sinar yang berada pada garis tengah resonator yang dapat membuat sejumlah putaran yang diperlukan untuk menghasilkan sinar yang searah dengan sudut penyimpangan yang kecil (Gambar 2.10).
Gambar 2.10 Karena cahaya pada medium laser membuat beberapa putaran diantara cermin, cahaya laser muncul dengan
sudut penyimpangan yang kecil (Breck Hitz, 2001)
Karakteristik laser yang satu ini disebabkan oleh adanya medium atau material aktif yang dtempatkan pada rongga resonator. Sebagai contoh pada kasus bidang parallel yang ditunjukkan pada Gambar 2.11, hanya sebuah gelombang yang menyebar dalam arah yang orthogonal ke cermin (atau pada arah yang sangat dekat dengan cermin) yang dapat terus menerus berada dalam rongga. (Orazio Svelto, 2010)
Gambar 2.11 Skema laser (Orazio Svelto, 2010)
2.3.3.4Kecerahan (Brightness)
Kecerahan suatu sumber cahaya didefenisikan sebagai daya yang dipancarkan persatuan luas permukaan persatuan sudut ruang :
(2.10)
Kecerahan yang dihasilkan sinar laser jauh lebih cerah dibandingkan dengan cahaya biasa. Hal ini dikarenakan diameter sinar sangat kecil karena sudut penyebarannya kecil dan sinar laser memiliki koherensi yang tinggi.
prinsip dimana tingkat kecerahan dari bayangan selalu kurang dari atau sama dengan sumber dan kesetaraan terjadi etika sistem optik menghasilkan pencitraan cahaya kurang dari yang dipancarkan oleh sumber. (Orazio Svelto, 2010)
2.3.4 Laser CO2
Laser CO2 adalah salah satu laser yang menghasilkan energi yang tinggi (energi yang dihasilkan lebih dari 100kW) dan salah satu laser yang efisien (slope
efesiensinya sekitar 15-20%). Pada laser ini, molekul CO2 berosilasi pada panjang gelombang 10,6 m di daerah infra merah. Transisi yang penting terjadi diantara tingkat energi vibrasi dari molekul CO2. Laser CO2 merupakan laser yang beroperasi secara kontinyu, pulsa atau Q-switching. Bahkan dengan daya beberapa watt, laser CO2 mampu memancarkan sepersekian watt dapat memotong beberapa material untuk pijaran dengan cepat. Laser CO2 saat ini banyak digunakan dalam proses pemotongan logam, bahan tenunan dan pengelasan logam. Struktur (design) laser CO2 dapat dilihat pada Gambar 2.12.
Gambar 2.12 Design laser CO2 (D.J Knapp, 1996)
Semua laser tersebut beroperasi dengan tekanan gas dibawah tekanan atmosfer. (Matt Young, 2000)
2.3.5 Laser DPSS (Diode-Pumped Solid State)
Sebuah laser dalam bentuknya paling dasar terdiri dari sebuah penguat elemen yang terkandung dalam dalam sebuah resonator optik. Untuk memproduksi pancaran laser, penguat elemen harus distimulasi. Stimulasi ini dapat diberikan dengan pelepasan elektrik melalui sebuah plasma yang digunakan pada laser ion argon atau dengan radiasi optik seperti yang diberikan pada cahaya lampu.
Gambar 2.13 merupakan skema dari laser pemompa. Pada beberapa zat padat (tetapi tidak untuk semikonduktor) media penguatan laser adalah insulator elektrik, eksitasi optik merupakan cara yang paling tepat untuk memproduksi penguatan. Dioda pemompa merupakan sebuah tipe pemompa optik dan memiliki fitur tertentu yang sama dengan jenis pemompa optik yang lain.
Gambar 2.13 Skema dari laser pemompa
(www.bgu.ac.il/~glevi/website/Guides/Lasers)
konduksi ke pita valensi dan disertai dengan radiasi gelombang eleektromagnetik (laser). Transisi elektron akan terjadi bila dipicu oleh sinyal listrik (elektron) dan diikuti oleh transisi elektron-elektron lain yang ada di pita konduksi sehingga terjadi mekanisme penguatan. Dengan kata lain, transisi antar pita ini menimbulkan radiasi gelombang elektromagnetik yang diperkuat. (www.bgu.ac.il/~glevi/website/Guides/Lasers)
2.3.6 Laser He-Ne
Laser Helium Neon (He-Ne) adalah salah satu laser gas yang paling ekonomis dan umum digunakan dipasaran. Laser yang biasa digunakan biasanya dirancang untuk beroperasi pada panjang gelombang 632,8 nm dengan cahaya berwarna merah meskipun masih banyak jenis laser He-Ne dengan variasi panjang gelombang seperti, laser He-Ne dengan panjang gelombang 543,5 nm (hijau), 594,1 nm (kuning), 611,9 nm (jingga) dan lain sebagainya. Biasanya penggunaan laser He-Ne banyak ditemukan pada holografi, spektroskopi, metrologi, perwawatan medis, bar code scanning dan sebagainya.
Laser He-Ne pada dasarnya merupakan rongga optik yang terdiri dari sebuah tabung kaca dengan cermin pada kedua ujungnya dimana cermin pada bagian belakang bersifat 100% reflektor dan cermin bagian depan bersifat 99% reflektor. Cermin bagian depan biasanya disebut dengan cermin coupler. (www.powertechnology.com)
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
3.1.1 Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Laser Pusat Penelitian Fisika (PPF) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI), Serpong, Tangerang Selatan, Banten.
3.1.2. Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada tahun ajaran 2012/2013.
3.2 Alat, Software dan Laser yang Diteliti
Pada penelitian ini, obyek yang diteliti adalah laser CO2, laser DPSS dan laser He-Ne. Seperti yang kita ketahui, laser CO2, laser DPSS dan laser He-Ne memiliki spesifikasi masing-masing misalnya daya, profil berkas dan panjang gelombangnya.
3.2.1 Alat Penelitian
3.2.1.1 Alat Laser CO2 Kontinyu
1. Laser Head (Bagian Utama Laser)
pada bagian belakang. Tabung ini ditutup oleh cermin keluaran (output mirror) pada bagian depan dan cermin satunya pada bagian belakang (brewster window). Setiap kali panjang gelombang yang berbeda dipilih, modus operasi tunggal
(single mode operation) hanya akan dicapai ketika panjang gelombang merupakan
kelipatan dari bilangan bulat (integer). Ketika laser utama sedang beroperasi, besar tegangan pada koneksi bagian tengah tabung sebesar 5000 volt sampai 10000 volt.
Laser utama (Laser Head) terdiri dari dua lapisan yakni lapisan pertama tempat mengalirnya air dimana air disini digunakan sebagai pendingin (cooling) tabung plasma (tabung lucutan) saat terjadi proses pembentukan laser CO2 dan lapisan kedua yakni tempat katoda dan anoda serta tempat bertemunya gas CO2, Ne dan He sebagai gas campuran untuk membentuk laser CO2. Pada lapisan kedua inilah tempat berlangsungnya proses pembentukan laser CO2.
Gambar 3.2 Kotak pengontrol
Sumber Tegangan (Power Supply)
Sumber tegangan merupakan tegangan tinggi yang terdiri dari sebuah transformator beserta kapasitor penyaring (filter capasitor). Transformator (trafo) yang digunakan disini berfungsi sebagai catu daya untuk mensuplai arus listrik ke tabung plasma (tabung utama). Catu daya berfungsi mengubah arus listrik bolak-balik menjadi arus listrik searah yang dibutuhkan tabung plasma untuk mengeksitasi elektron-elektron gas campuran.
Gambar 3.3 Rangkaian sumber tegangan
Trafo Kapasitor
Penyaring
Pengontrol Sumber Tegangan
Control Fluid
Tombol
Vacuum Pump
Vacuum Pump adalah alat pemompa air yang terdapat pada water cooling yang dialirkan ke tabung plasma.
Gambar 3.4 Rangkaian vacuum pump pada kotak pengontrol
Fluid Control
Fluid Control merupakan alat pengontrol besarnya tekanan gas campuran yang akan dialirkan ke tabung plasma.
3. Pendingin Air (Water Cooling)
Pendingin air diperlukan laser CO2 bukan hanya untuk menghilangkan debit panas tetapi juga untuk mengurangi populasi termal dari tingkat energi yang lebih rendah. Daya keluaran dari laser CO2 cukup sensitif terhadap temperatur plasma. Untuk itu, banyak laser memiliki sensor termal pada tabung pendingin air yang dirancang untuk mematikan laser pada suhu 400 - 500C.
4. Tabung Gas Campuran (Mix Gas)
Tabung gas campuran terdiri dari gas CO2 dengan kadar 4,5% , gas N2 dengan kadar 13,5% , serta gas Helium dengan kadar 82% atau dengan perbandingan 1 : 2 : 8. Gas – gas ini merupakan bahan utama pembentukan laser CO2 dan memiliki fungsi masing-masing sesuai kadarnya.
5. Sensor Cahaya
Cahaya sebagai hasil keluaran dari proses pembentukan laser CO2 tidak dapat dilihat oleh mata karena panjang gelombang pada laser CO2 telah melebihi panjang gelombang batas maksimum cahaya yang dapat dilihat oleh mata yakni > 700 nm. Hasil keluaran yang dapat dirasakan berupa panas. Oleh karena itu, sensor cahaya yang digunakan untuk menangkap cahaya laser CO2 disesuaikan dengan panjang gelombang laser CO2 agar dapat terdeteksi, yaitu salah satunya dengan menggunakan karbon blok.
Gambar 3.5 Sensor cahaya dan tabung gas campuran
6. Power Meter
Power meter digunakan sebagai alat untuk mengukur besar daya yang dihasilkan
oleh laser CO2.
Gambar 3.6 Power meterdigital
Gambar 3.7 Rangkaian laser CO2
3.2.1.2 Alat Laser DPSS
1. Sumber Tegangan (Power Suply)
2. Cermin
Disini cermin berfungsi sebagai pemantul cahaya yang dipancarkan laser DPSS yang diarahkan ke sensor cahaya. Pada pengukuran besar daya yang dihasilkan selain memvaiasikan besar arusnya, variasi penggunaan cermin dan tanpa cermin dilakukan untuk mengetahui pengaruh pemantulan cahaya laser oleh cermin terhadap besar daya laser DPSS yang dihasilkan.
Gambar 3.8 Cahaya laser DPSS yang dipantulkan ke cermin
3. Power Supply Unit
Pengontrol laser DPSS terdapat pada power supply unit dimana terdapat tombol
on/off untuk menghidupkan atau mematikan laser DPSS. Pengontrol laser DPSS ini juga merupakan alat pengontrol besar arus, dimana arus yang diberikan terdiri dari arus setting (Iset) yang merupakan besar arus yang diinginkan (diatur) dan arus monitor (Imon) yang merupakan besar arus yang muncul pada monitor pengontrol laser DPSS. Besar arus setting dengan arus monitor memiliki perbedaan yakni sebesar 0,3 A. Misalnya, apabila besar arus setting 1 A maka besar arus monitor yang tampil pada layar pengontrol sebesar 0,7 A.
Gambar 3.9 Power supply unit pada laser DPSS
4. Power Meter
Power meter merupakan alat pengukur besar daya ataupun energi yang dihasilkan
laser DPSS.
5. Sensor Cahaya
Sensor cahaya merupakan alat untuk menangkap cahaya yang dipancarkan oleh laser DPSS yang dihubungkan ke power meter untuk mengkonversikan besar daya yang dihasilkan laser.
3.2.1.3Beam Profiler
Seperangkat beam profiler terdiri dari :
1. CCD
Charge Coupled Device (CCD) merupakan sebuah sensor untuk merekam gambar
cahaya yang dipancarkan oleh laser. Hasil gambar tersebut ditransmisikan ke PC
(Personal Computer). Jenis CCD yang dipakai adalah LBA-FW-FX33 Fire Wire
Camera System (Camera and Software included.) dengan rincian keterangan CCD
sebagai berikut :
- PC interface : IEEE 1394 Firewire
- Software Supported : LBA-FW & BeamStar
2. Personal Computer (Komputer)
Komputer digunakan sebagai alat untuk menampilkan tampilan berkas cahaya laser yang telah diproses oleh software yang telah diinstalasi pada komputer.
3. Filter
Filter atau ND (biasanya disebut Neutral Density Attenuators) merupakan penyaring intensitas cahaya laser. Filter dipasangkan pada ujung CCD. Pemasangan filter pada CCD ini bertujuan untuk menurunkan/mengurangi intensitas cahaya yang dihasilkan sinar laser agar tidak merusak CCD. Ada tiga jenis filter yakni filter yang berwarna merah, hitam dan hijau. Filter merah biasanya dilambangkan dengan ND1 dengan transmisi cahaya sebesar 10%, filter hitam dilambangkan dengan ND2 dengan transmisi sebesar 1% dan filter hijau dilambangkan dengan ND3 dengan transmisi sebesar 0,1%. Filter ini dirancang tidak mempengaruhi kualitas dari sinar laser dan tidak menimbulkan efek antar muka.
Gambar 3.10 Beam profiler (Separangkat CCD dan filter) CCD
3.2.1.4 Pengamatan Spektrum Panjang Gelombang Laser
1. Cermin
Cermin digunakan adalah cermin datar yang berfungsi untuk memantulkan cahaya laser.
2. Vacuum Chamber
Vacuum chamber biasanya digunakan untuk tempat interaksi material dengan sinar laser. Namun dalam penelitian ini, vacuum chamber digunakan sebagai tempat untuk mengumpulkan cahaya laser dimana cahaya ini merupakan hasil pantulan dari cermin datar.
3. Spektrometer HR4000
Spektrometer HR4000 merupakan alat optik yang digunakan untuk mengolah spektrum cahaya laser yang ditangkap oleh fiber optik dan mengukur spektrum cahaya laser secara spesifik yakni panjang gelombang dan intensitas cahaya laser.
3.2.2 Laser yang Diteliti
1. Laser CO2
Salah satu contoh laser yang bahan mediumnya berasal dari gas yakni laser CO2. Laser CO2 memiliki panjang gelombang sekitar 10,6 m dan berkas sinar laser CO2 ini dapat mengabsorbsi beberapa bahan material dan mudah dijadikan panas. Keluaran daya yang dihasilkan laser CO2 memiliki range mulai dari daya besar sampai daya yang besar sekali jika dibandingkan dengan laser pada umumnya, seperti laser He-Ne, dengan daya keluarannya lebih dari 50kW. Laser CO2 yang digunakan merupakan laser buatan Laser Electronics PTY Ltd dengan ketetapan tegangan laser CO2 ini sebesar 7 kilo volt.
2. Laser DPSS
merupakan buatan Elforlight Ltd ini adalah laser DPSS yang menghasilkan sinar laser berwarna hijau dengan panjang gelombang 532 nm dengan arus dioda yang dihasilkan selama beroperasi maksimal sebesar 3,4 ampere dengan ketetapan tegangannya sebesar 100-240 VAC.
3. Laser He-Ne
Laser He-Ne merupakan salah satu contoh lainnya dari laser yang bahan mediumnya berasal dari gas yakni gas helium dan gas neon dengan ratio gasnya 10:1. Laser He-ne yang digunakan adalah laser He-Ne model 124B dengan power supplay model 255 dengan ketetapan tegangannya sebesar 5 – 12 kilo volt. Laser He-Ne ini buatan Laser Products Divison, dengan panjang gelombang yang dihasilkan sebesar 632,8 nm.
3.2.3 Software
Software yang dipakai dalam penelitian karakteristik laser ini adalah Laser Beam Analyzers versi 4.80 buatan Spiricon Inc. yang digunakan untuk menampilkan bentuk 2 dimensi dan 3 dimensi dari sinar laser dan SpectralLine Database Searching buatan Ocean Optics Inc. yang digunakan untuk mengukur spektrum cahaya laser yakni panjang gelombang laser.
3.3 Prosedur Penelitian
3.3.1 Pengkuruan Daya Laser
Dalam prosedur pengukuran besar daya, laser yang digunakan adalah laser CO2 dan laser DPSS.
Water
Gambar 3.11 Diagram blok pengukuran daya pada laser CO2
Air, yang digunakan sebagai pendingin, diatur dengan menggunakan
control fluid flow, dipompa dan dialirkan ke tabung utama (tabung lucutan/tabung plasma). Gas campuran dialirkan ke laser utama (tabung lucutan). Katoda dan anoda yang terdapat pada tabung plasma dihubungkan ke power supply sehingga terjadi proses penyuplaian tegangan tinggi ke tabung plasma. Atom-atom pada gas campuran yang telah masuk kedalam tabung plasma mengalami eksitasi dikarenakan adanya tegangan tinggi yang dihasilkan anoda dan katoda.
Akibat adanya eksitasi oleh atom-atom ini, maka atom ini memancarkan foton. Foton bergerak ke kiri dan dipantulkan kembali oleh cermin depan tabung plasma begitu seterusnya sehingga foton-foton mengalami osilasi. Akibat osilasi yang secara terus menerus ini, foton-foton yang sangat kuat keluar melalui cermin depan tabung plasma sebagai cahaya laser CO2.
berupa numerik dan grafik akan dianalisa secara kuantitatif hingga diperoleh suatu kesimpulan.
Pada laser DPSS, dalam pengukuran besar daya yang dihasilkan selain memvariasikan besar arus yang diberikan, digunakan juga variasi cermin. Cermin disini hanya bersifat untuk memantulkan berkas sinar laser. Secara skematik proses pengukuran daya laser DPSS dengan menggunakan cermin dapat dilihat melalui diagram blok pada Gambar 3.12.
Power
Gambar 3.12 Diagram blok pengukuran daya pada laser DPSS sebagai fungsi arus dengan penggunaan cermin
Sumber tegangan diberikan sebagai suplai arus ke laser DPSS. Setelah laser DPSS aktif, besar arus yang masuk ke laser DPSS dapat diatur oleh control
Laser DPSS sesuai dengan kebutuhan yang diperlukan. Besarnya kuantitas cahaya
laser yang dikeluarkan tergantung besar arus yang diatur pada control laser DPSS. Cahaya laser DPSS yang keluar akan di pantulkan oleh cermin. Cermin yang dipakai adalah cermin datar. Pantulan cahaya dari cermin akan mengenai sensor cahaya yang terhubung ke power meter. Besar daya yang dihasilkan laser DPSS ditampilkan pada power meter.
Power
Gambar 3.13 Diagram blok pengukuran daya pada laser DPSS sebagai fungsi arus tanpa penggunaan cermin
Pengukuran daya dilakukan 3 dan dari hasil pengukuran besar daya laser DPSS ini diperoleh data berupa numerik dan grafik akan dianalisa secara kuantitatif hingga diperoleh suatu kesimpulan.
Dari data pengukuran daya laser CO2 dan laser DPSS, data akan diolah dengan mencari besar standar deviasi dari masing-masing daya yang dihasilkan untuk melihat besarnya penyimpangan daya yang dihasilkan oleh masing-masing laser dengan rumus standar deviasi sebagai berikut :
(3.1)
Dimana :
S = besar standar deviasi P = daya (watt)
n = banyaknya pengukuran
3.3.2 Pengamatan Beam Profiler Sinar Laser
Dalam pengamatan bentuk sinar laser (beam profiler), laser yang digunakan adalah laser DPSS dan laser He-Ne. Diagram blok pengamatan berkas sinar laser untuk setiap laser adalah sama. Rangkaian beam profiler terdiri dari CCD dan
software LBA-FW- Spiricon untuk menampilkan berkas sinar laser pada PC
Power
Supply Laser CCD
Personal Computer
(PC)
Gambar 3.14 Diagram blok pengamatan beam profiler sinar laser
Langkah pertama yang dilakukan adalah mengkarakteriasi jenis filter yang cocok untuk masing-masing laser untuk menampilkan berkas laser yang bagus yang ditampilkan pada PC. Hal ini dikarenakan setiap laser memiliki panjang gelombang yang berbeda sehingga perlu penyesuaian jenis filternya. Berkas sinar yang dipancarkan oleh laser di foto oleh CCD yang sebelumnya berkas sinar laser disaring (di-filter) oleh filter yang terdapat pada ujung CCD. CCD ini dihubungkan ke PC (komputer). Hasil pencitraan dari kamera ini dibaca menggunakan software SpectralLine Database Searching yang telah di-instal
pada PC. Hasil pencitraan berkas sinar laser ini dapat berupa gambar 2 dimensi atau 3 dimensi. Setelah gambar berkas laser diperoleh, divariasikan jarak filter ke sumber laser kemudian diperoleh data gambar seperti diameter (radius) berkas dan divergensinya dan diolah secara kuantitatif dan diperoleh kesimpulan.
3.3.3 Pengamatan Spektrum Panjang Gelombang Laser
Laser yang digunakan dalam karakterisasi ini adalah laser DPSS dan laser He-Ne. Skema rangkaian pengamatan bentuk panjang gelombang laser dapat dilihat pada gambar berikut :
Spektrometer HR 4000 merupakan alat untuk mengukur panjang gelombang beserta intensitasnya. Berkas sinar yang dipancarkan oleh laser ditangkap oleh fiber optik yang nantinya akan ditransmisikan ke spektrometer HR 4000. Berkas sinar yang ditangkap spektrometer HR 4000 diolah oleh software
SpectralLine Database Searching yang telah diinstalasi pada komputer. Berkas cahaya yang ditangkap oleh fiber optik ditransmisikan ke spektrometer HR 4000 kemudian dikonversikan ke dalam bentuk digital dan berupa grafik besar intensitas yang dihasilkan laser dengan panjang panjang gelombang laser kemudian diperoleh spektrum panjang gelombang dari laser tersebut.
3.4 Analisa Data
Jenis penelitian yang dilaksanakan adalah eksperimen yaitu penelitian untuk mencari suatu hubungan atau pengaruh variasi arus terhadap besar daya yang dihasilkan oleh laser CO2 dan variasi arus dengan variasi cermin terhadap besar daya yang dihasilkan oleh laser DPSS. Data yang dihasilkan akan diolah dengan program Microsoft Excel dan dibuat dalam bentuk grafik perbandingan variasi arus yang dihasilkan dengan perubahan daya. Penelitian ini juga mengamati bagaimana bentuk sinar laser DPSS dan He-Ne dalam bentuk 2D dan 3D serta menampilkan dan mengukur spektrum gelombang cahaya dari laser DPSS dan He-Ne. Dari keseluruhan data tersebut akan ditarik kesimpulan akhir.
3.5 Diagram Kerja
Mulai
Pengukuran Daya Laser CO2 Sebagai Fungsi Arus
Pengukuran Daya Laser DPSS Sebagai Fungsi Arus
dengan Variasi Cermin
Pengamatan Bentuk Berkas Sinar Laser
Pengamatan Spektrum Panjang Gelombang
Laser
Pengolahan Data
Analisis Kuantitatif
Kesimpulan
Selesai
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Pengukuran Besar Daya Laser CO2 Sebagai Fungsi Arus
Sebelum dilakukan pengukuran besar daya laser CO2 terlebih dahulu diatur tekanan gas campurannya sebesar 3 tor. Pengukuran daya laser ini dilakukan dengan interval variasi arus mulai dari 4 mA sampai 20 mA. Pengambilan data besar daya ini diambil secara berulang dua hari berturut agar bisa dibandingkan dan ditarik kesimpulan konstan atau tidaknya besar daya yang dihasilkan oleh laser CO2. Hasil pengukuran besar daya ini dapat dilihat pada Tabel 4.1 dibawah ini.
Tabel 4.1 Pengukuran daya laser CO2 sebagai fungsi arus
Tabel 4.2 Pengukuran daya laser CO2 sebagai fungsi arus
Gambar 4.1 Grafik pengukuran daya laser CO2 sebagai fungsi arus
(Rabu, 1 Mei 2013)
Gambar 4.2 Grafik pengukuran daya laser CO2 sebagai fungsi arus
Dari kedua grafik diatas, dapat dilihat dengan jelas bahwa kenaikan besar daya laser CO2 berbanding lurus dengan kenaikan besar arus yang diberikan. Pengambilan data yang dilakukan dua hari berurut – turut bertujuan untuk membuktikan bahwa laser CO2 menghasilkan daya yang konstan atau tidak. Dari grafik diatas, terlihat jelas bahwa besar daya yang dihasilkan pada pengambilan pertama sampai kelima dihari pertama selalu berubah, begitu juga dihari kedua. Jadi, dapat disimpulkan bahwa daya yang dihasilkan laser CO2 tidak konstan. Setelah diteliti, salah satu ketidakkonstanan ini disebabkan pengaruh sensitifitas cermin apabila kondisi cermin resonator tidak sejajar lagi sehingga mempengaruhi proses untuk menghasilkan sinar laser dan gas mix yang digunakan sudah tidak murni lagi yang disebabkan adanya gas lain misalnya oksigen ataupun kotoran atau debu.
Dari hasil pengukuran besar daya, dapat dilihat dari data yang diperoleh bahwa laser CO2 menghasilkan daya yang besar. Hal ini yang yang menyebabkan laser CO2 digunakan dalam bidang industri misalnya dalam hal pemotongan berbagai jenis metal dan aplikasi lainnya.
4.2 Pengukuran Besar Daya Laser DPSS Sebagai Fungsi Arus Dengan
Variasi Cermin
Pada BAB III sudah dijelaskan mengenai istilah arus monitor (Imon) dan arus
Gambar 4.3 Grafik pengukuran daya laser DPSS sebagai fungsi arus tanpa penggunaan cermin dan dengan penggunaan cermin
Pada Gambar 4.3 dapat dilihat bahwa besar daya yang dihasilkan oleh laser DPSS dengan nilai arus setting tertentu adalah konstan. Besar daya yang dihasilkan tidak memperlihatkan perubahan yang cukup besar apabila dilakukan pengukuran kedua dan seterusnya.
4.3 Pengamatan Bentuk Berkas Sinar Laser
Pada pengamatan bentuk sinar laser ini, laser yang diteliti bentuk sinar lasernya adalah laser DPSS dan laser He-Ne. Pengamatan ini tidak dilakukan pada laser CO2 dikarenakan panjang gelombang dari laser CO2 tidak berada pada range cahaya tampak sehingga sensor cahaya tidak dapat menangkap laser CO2.
Pengamatan bentuk sinar laser ini dioperasikan oleh perangkat lunak Laser
Beam Analyzers dengan menampilkan bentuk sinar laser dalam bentuk 2 dimensi
dan 3 dimensi. Kategori bentuk gambar sinar laser dalam 2 dimensi atau 3 dimensi yang bagus adalah :
1. Tidak adanya berkas putih pada gambar karena berkas putih tersebut merupakan kondisi saturasi (saturated condition) dari CCD dimana cahaya yang ditangkap CCD masih terlalu kuat dayanya. Jadi, masih dibutuhkan filter lagi sampai berkas putihnya hilang
2. Pada 2 dimensi, gambar yang terbentuk menyerupai bentuk bulat (lingkaran) 3. Variasi warna yang terbentuk lebih beragam
Hal yang pertama yang dilakukan adalah menentukan jenis filter (Natural Density Attenuators/ ND) yang akan dipakai. Ada 3 terdapat jenis filter yang digunakan yakni filter berwarna hitam, merah, dan hijau. Pemakaian jenis filter ini mempengaruhi bagus tidaknya bentuk berkas sinar yang akan ditampilkan pada PC. Seperti yang sudah dijelaskan pada BAB III, fungsi dari filter ini yakni untuk menurunkan/mengurangi intensitas cahaya yang dihasilkan sinar laser agar tidak merusak CCD.
1. Laser DPSS
Setelah pengkaraterisasian jenis filter untuk laser DPSS, filter yang cocok untuk menggambarkan bentuk berkas laser DPSS adalah filter dengan variasi warna hijau hijau. Dengan diperolehnya filter yang cocok, divariasikan jarak antara CCD dengan sumber laser DPSS untuk melihat pada jarak keberapa tampilan gambar lebih bagus. Hasil variasi jarak ini dapat dilihat pada tabel dibawah ini.
Tabel 4.3 Bentuk 2 dimensi dan 3 dimensi berkas sinar laser DPSS dengan filter hijau hijau
Jarak
(cm)
Tampilan Bentuk Berkas Sinar Laser DPSS
Keterangan 2 Dimensi 3 Dimensi
4
12
16
20
28
32
Gambar 4.4 Bentuk 2 dimensi sinar laser DPSS pada jarak 32 cm
2. Laser He-Ne
Setelah dilakukan pengujian filter pada laser He-Ne, filter yang cocok untuk memperlihatkan gambar bentuk sinar laser He-Ne adalah filter dengan variasi warna merah hitam hijau. Pengujian variasi jarak pun dilakukan untuk mengetahui pada jarak berapa diletakkan CCD agar dihasilkan bentuk berkas sinar laser yang bagus.
Tabel 4.4 Bentuk 2 dimensi dan 3 dimensi berkas sinar laser He-Ne dengan filter merah hitam hijau
Jarak
(cm)
Tampilan Bentuk Berkas Sinar Laser He-Ne
Keterangan 2 Dimensi 3 Dimensi
6
14
18
22
30
34
38
46
50
Gambar 4.6 Bentuk 2 dimensi sinar laser He-Ne pada jarak 10 cm
Gambar 4.7 Bentuk 3 dimensi sinar laser He-Ne pada jarak 10 cm
4.4 Pengamatan Spektrum Panjang Gelombang Laser
Pada karakterisasi pengamatan spektrum panjang gelombang ini, laser yang digunakan adalah laser DPSS dan laser He-Ne. Karakterisasi ini menggunakan perangkat keras spekrometer HR 4000 dengan perangkat lunaknya (software)
SpectralLine Database Searching. Sinar laser yang ditangkap oleh fiber optik ditransmisikan ke spektrometer HR 4000 kemudian diolah dan dikonversikan oleh
software SpectralLine Database Searching yang telah dihubungkan ke
1. Laser DPSS
Laser DPSS yang digunakan adalah laser DPSS yang berwarna hijau dengan panjang gelombang sebesar 532 nm.
Gambar 4.8 Spektrum laser DPSS
Dari Gambar 4.8 menunjukkan spektrum laser DPSS sebagai akhir hasil dari pengolahan data yang dikonversikan dalam bentuk gambar oleh software
spectralLine Database Searching. Dari gambar ini dapat dengan jelas dibuktikan
bahwa panjang gelombang laser DPSS berada pada jarak 532 nm dengan intensitas cahaya laser lebih kurang 2000 dalam satuan counts.
2. Laser He-Ne
Pengamatan spektrum panjang gelombang laser He-Ne tidak dapat dideteksi langsung oleh spektrometer HR4000. Dalam hal ini pengamatan ini digunakan filter yang berfungsi sebagai alat untuk mengurangi intensitas cahaya laser
sehingga cahaya laser yang ditangkap fiber optik dapat dideteksi oleh spektrometer HR4000. Dari hasil pengamatan diperoleh data sebagai berikut :
Gambar 4.9 Spektrum laser He-Ne
Dari gambar 4.9 dapat kita lihat dengan jelas bahwa laser He-Ne yang dikarakterisasi ini memiliki panjang gelombang sebesar 632,8 nm dengan besar intensitas yang sekitar 4000 counts.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian dapat ditarik beberapa kesimpulan yakni :
1. Dari hasil pengukuran besar daya laser CO2 dan laser DPSS sebagai fungsi arus data diperoleh dan disimpulkan, pada laser CO2 dimana pada arus 4 – 10 mA terlihat daya yang dihasilkan lebih stabil sedangkan pada arus lebih dari 10 mA, daya yang dihasilkan sudah tidak stabil. Namun, dari data secara keseluruhan daya yang dihasilkan selalu berubah-ubah hal ini disebabkan osifikasi antara cermin resonator yang tidak sejajar dan gas mix yang digunakan tidak murni lagi (impurity). Sedangkan pada laser DPSS, pada arus 0 – 2,7 ampere terlihat daya yang dihasilkan lebih stabil sedangkan pada arus 2,8 – 3 ampere, daya yang dihasilkan tidak stabil. Setelah dilakukan pengecekan ternyata jenis laser DPSS ini mengalami ketidakstabilan daya pada arus 2,8 - 3 ampere.
2. Laser CO2 menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan laser DPSS. Namun, laser DPSS memiliki daya yang lebih stabil dibanding laser CO2 3. Laser CO2 tidak dapat dideteksi oleh laser beam profile analyzers. Hal ini
He-Ne, CCD diletakkan pada jarak 10 cm dari sumber laser He-Ne dengan
diameter berkas laser sebesar 4,451e+03 m (4,451 mm)
5.2 Saran
1. Dalam pengaplikasian laser CO2 jenis ini, sebaiknya menggunakan arus sebesar 4 – 10 mA karena pada range arus ini dihasilkan daya yang lebih stabil
2. Pada penelitian berikutnya, sebaiknya diperhatikan osifikasi antar cermin resonator dimana kedudukan cermin resonator ini harus sejajar
3. Pada penelitian berikutnya, sebaiknya diperhatikan gas mix pada laser CO2 yang digunakan harus benar-benar murni dengan gas helium 82%, nitrogen 13,5% dan karbon dioksida 4,5%
