• Tidak ada hasil yang ditemukan

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

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2019

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

Copied!
79
0
0

Teks penuh

(1)

PENGGUNAAN LASER CO2 SEALED-OFF

PADA DETEKTOR FOTOAKUSTIK

SISTEM INTRAKAVITAS

Tugas Akhir

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains

Jurusan Fisika

Disusun Oleh: Fransiska Endang Kinasih

NIM : 043214007

PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA

(2)

SEALED-OFF CO2 LASER BASED

INTRACAVITY PHOTOACOUSTIC DETECTOR

A THESIS

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain The Sarjana Science

In Physics Department

by :

Fransiska Endang Kinasih NIM : 043214007

PHYSICS STUDY PROGRAM PHYSICS DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA 2009

(3)
(4)
(5)

“Janganlah berdoa supaya engkau mendapat tugas yang sesuai

dengan kekuatanmu, tetapi berdoalah supaya engkau mendapat

kekuatan yang sesuai dengan tugasmu”

(Phillip Brooks)

“Pengalaman membuat engkau mampu untuk mengenal

sebuah kesalahan bilamana engkau melakukannya lagi”

(Franklin P. Jones)

Kupersembahkan karya ini kepada :

Tuhan Yesus Kristus yang selalu menyertai setiap

langkah hidupku dan selalu mendengarkan

permohonanku

Bunda Maria penolongku

Kedua orang tuaku tercinta

Keluaga besar alm. FX. Suharyoto

Universitas Sanata Dharma almamaterku

(6)
(7)
(8)

INTISARI

PENGGUNAAN LASER CO2SEALED-OFF PADA DETEKTOR

FOTOAKUSTIK SISTEM INTRAKAVITAS

Detektor fotoakustik merupakan alat untuk mengukur konsentrasi berbagai jenis gas. Detektor fotoakustik menggunakan prinsip serapan cahaya. Sumber cahaya yang digunakan pada detektor ini yaitu laser CO2 sealed-off. Pada sistem intrakavitas sel fotoakustik ditempatkan di dalam rongga resonator laser.

Dalam penelitian ini telah dilakukan pengaturan resonator optis pada laser CO2sealed-off, sehingga diperoleh keluaran daya yang maksimum. Setelah dilakukan penelitian, diperoleh keluaran daya maksimum untuk laser CO2 sealed-off pada arus listrik 10,75 mA dengan jumlah garis radiasi laser yang dihasilkan sebanyak 37 buah garis. Garis-garis radiasi tersebut tersebar dalam 4 band. Pada band pertama dihasilkan 4 garis laser, band kedua dihasilkan 7 garis laser, band ketiga dihasilkan 13 garis laser dan band keempat dihasilkan 13 garis laser.

(9)

ABSTRACT

SEALED-OFF CO2 LASER BASED

INTRACAVITY PHOTOACOUSTIC DETECTOR

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

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

(10)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat, kasih karunia serta penyertaan-Nya yang diberikan kepada penulis selama penyusunan skripsi yang berjudul “PENGGUNAAN LASER CO2 SEALED-OFF

PADA DETEKTOR FOTOAKUSTIK SISTEM INTRAKAVITAS”

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

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

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

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

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

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

5. Ir.Sri Agustini Sulandari, M.Si selaku ketua program studi Fisika 6. Drs. Asan Damanik selaku dosen pembimbing akademik

(11)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

(12)

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

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

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

Yogyakarta, Juli 2009

Penulis

(13)

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ... ii

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ... iii

HALAMAN PENGESAHAN ... iv

HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN ... v

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ………. vii

INTISARI ... viii

ABSTRACT ... ix

KATA PENGANTAR ……….. x

DAFTAR ISI ……… xiii

DAFTAR TABEL ………... xvii

DAFTAR GAMBAR ………..xviii

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ………. 1

1.2. Perumusan Masalah……….. 4

1.3. Batasan Masalah……… 4

1.4. Tujuan Penelitian……….. 4

1.5. Manfaat Penelitian……… 4

1.6. Sistematika Penulisan……… 5

(14)

BAB II DASAR TEORI

2.1. Teori Atom……… 6

2.2. Interaksi Elektromagnetik………. 7

A. Penyerapan………... 8

B. Pancaran Spontan……… 9

C. Pancaran Terangsang………. 10

2.3. Koefisien-koefisien Einstein……… 11

2.4. Prinsip Dasar Laser……….. 13

2.5. Pemompaan Laser……… 14

A. Skema Tiga Tingkat Tenaga……….. 15

B. Skema Empat Tingkat Tenaga……….. 16

2.6. Penguatan Laser……….. 17

2.7. Laser CO2 ………... 19

2.8. Fotoakustik……….. 21

BAB III METODELOGI PENELITIAN 3.1. Tempat Penelitian……… 24

3.2. Rangkaian Percobaan………. 24

3.3. Detektor Fotoakustik………. 25

3.3.1 Laser……….. 26

A. Power Supply………. 27

B. Resonator Optis……… 27

C. Tabung Laser……… . 28

D. Piezo……….. 29

(15)

E. Chopper……….. 30

F. Powermeter………. 30

3.3.2 Sel fotoakustik………. 30

3.4. Persiapan Alat………31

3.4.1. Lining Laser……… 31

A. Pengaturan Posisi Kisi……… 31

B. Pemasangan Tabung Laser dan Chopper……… 32

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

D. Perolehan Garis Laser………. 33

E. Pencarian Daya Laser……… 34

3.4.2. Optimalisasi Daya Laser……… 34

A. Arus Listrik……… 34

B. Pengaturan Tegangan pada Piezo………. 35

3.4.3. Pemasangan Sel Fotoakustik………. 35

3.5. Perolehan Garis Laser CO2 untuk Gas Etilen……… 35

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil……… 37

4.1.1. Perolehan Garis Laser……… 37

4.1.2. Optimasi Laser CO2 sealed-off ……… 39

A. Arus Listrik……… 39

B. Tegangan Piezo………. 40

4.1.3. Pemasangan Sel Fotoakustik……… 43

4.1.4. Penentuan Garis Etilen… ……… 45

(16)

4.1.5. Pengukuran Konsentrasi Gas Etilen ... 46

4.2. Pembahasan……… 47

BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan….……...………... 55

5.2. Saran……...……….. 55

DAFTAR PUSTAKA……….. 56

LAMPIRAN ……… 58

(17)

DAFTAR TABEL

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

(18)

DAFTAR GAMBAR

halaman Gambar 2.1 (A) Proses deeksitasi, elektron pindah dari tingkat 3 ke tingkat 1

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

Gambar 2.2 Penyerapan ...……….. 8

Gambar 2.3 Pancaran Spontan ... 9

Gambar 2.4 Pncaran Terangsang ... 10

Gambar 2.5 Proses Kerja Laser ... 13

Gambar 2.6 Komponen Laser ... 14

Gambar 2.7 Atom Tiga Tingkat ... 16

Gambar 2.8 Atom Empat Tingkat ... 17

Gambar 2.9 Skema Laser ... 18

Gambar 2.10 Tabung CO2 flowing out ... 20

Gambar 2.11 Tabung CO2sealed-off ... 21

Gambar 3.1 Rangkain Percobaan Detektor Fotoakustik ……… 24

Gambar 3.2 Detektor Fotoakustik yang digunakan dalam percobaan ………... 26

Gambar 3.3 Rangkaian Laser CO2 sealed-off ……… 26

Gambar 3.4 Kisi pada laser CO2 sealed-off ……… 28

Gambar 3.5 Bentuk tabung laser CO2 sealed-off ……… 29

Gambar 3.6 Desain sel fotoakustik ………. 31

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk panjang tabung 67,5 cm dan kisi berbentuk bulat ………. 37

(19)

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk panjang tabung 52 cm dan kisi berbentuk kotak ……… 38 Gambar 4.3 Keluaran Laser CO2 sealed-off yang ditangkap Powermeter …... 38 Gambar 4.4 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor

pada 11,15 mA ……… 39 Gambar 4.5 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor

pada arus 10,75 mA ……… 40 Gambar 4.6 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo

pada posisi steppermotor 1574 ……… 40 Gambar 4.7 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 2374 ……… 41 Gambar 4.8 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 5088 ………... 41 Gambar 4.9 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo

pada posisi steppermotor 6994 ... 41 Gambar 4.10 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor

untuk nilai pengatur tegangan piezo 4,6 ………. 42 Gambar 4.11 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor

untuk nilai pengatur tegangan piezo 5,5 ……….. 42 Gambar 4.12 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor

untuk nilai pengatur tegangan piezo 6,2 ……….. 43 Gambar 4.13 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap

posisi steppermotor ……….. 44

(20)

Gambar 4.14 Grafik hubungan antara sinyal akustik (AU) terhadap

posisi steppermotor ………. 44 Gambar 4.15 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi

steppermotor ……… 45 Gambar 4.16 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi

steppermotor untuk medium udara tanpa sampel ……… 45 Gambar 4.17 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi

steppermotor untuk medium udara dengan sampel ………. 46 Gambar 4.18 Grafik hubungan antara konsentrasi etilen (AU) terhadap

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

waktu (jam) ... 47

(21)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Bidang spektroskopi menduduki tempat utama dalam perkembangan

fisika mulai abad ke-19 dan permulaan abad ke-20. Perkembangan laser yang

cukup pesat juga mendorong timbulnya teknik-teknik baru dalam bidang

spektroskopi. Spektroskopi fotoakustik merupakan salah satu bidang

spektroskopi yang sangat cepat berkembang seiring dengan perkembangan

laser [Laud,1988]. Dengan memanfaatkan keunggulan laser, telah

dikembangkan teknik spektroskopi laser yang lebih baik dibandingkan dengan

teknik konvensional.

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation atau

penguatan cahaya dengan rangsangan pancaran radiasi) merupakan

pemanfaatan proses radiasi. Penemuan laser memberikan dampak yang luar

biasa pada dunia ilmiah, sekaligus menunjukkan bahwa optika sangat hidup.

Dua laser pertama yang berhasil dikembangkan selama tahun 1960 adalah laser

rubi (λ = 6943 Ǻ) dan laser gas helium-neon (λ = 11.500 Ǻ). Sejak saat itulah

banyak usaha dilakukan untuk mempelajari laser. Laser telah diperoleh dengan

atom-atom, ion-ion, dan molekul-molekul dalam gas, cairan, benda padat,

gelas, nyala api, plastic dan semi konduktor pada panjang gelombang yang

merentang dari daerah ultraviolet sampai pada frekuensi radio [Laud, 1988].

(22)

2

Detektor fotoakustik merupakan alat untuk mengukur konsentrasi

berbagai jenis gas. Sistem kerja dari detektor fotoakustik yaitu dengan prinsip

serapan cahaya. Sistem fotoakustik mengukur langsung cahaya yang diserap

oleh sampel [Santosa, 2008]. Waktu tanggap detektor fotoakustik relatif cepat,

sehingga dapat digunakan secara on-line serta dapat mengukur gas secara

simultan. Detektor fotoakustik memiliki tiga komponen penting, yaitu: laser,

sel fotoakustik, dan mikrofon. Sel fotoakustik merupakan komponen yang

berfungsi sebagai tempat konversi cahaya laser menjadi sinyal akustik yang

akan ditangkap oleh mikrofon. Mikrofon kemudian mengirim sinyal untuk

diolah oleh komputer. Laser digunakan sebagai sumber cahaya karena

intensitas spektral yang tinggi serta dapat ditala [Santosa,2008].

Detektor fotoakustik dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang antara

lain: biologi, pertanian, medis dan lingkungan. Dalam bidang lingkungan,

detektor fotoakustik dapat digunakan untuk mengukur gas-gas polutan di udara.

Dalam bidang pertanian, detektor fotoakustik dapat digunakan untuk mengukur

konsentrasi gas etilen dalam proses pematangan buah. Untuk pengukuran gas

etilen, digunakan laser CO2 sebagai sumber cahaya pada detektor fotoakustik.

Pada penelitian sebelumnya, telah dibuat sistem spektroskopi fotoakustik

sistem ekstrakavitas dengan menggunakan sumber radiasi laser CO2 jenis axial

flowing [Mitrayana.dkk, 2002]. Pada laser CO2 dengan jenis axial flowing

memerlukan banyak gas untuk proses pengoperasiannya. Selama

pengoperasian, gas isian yang digunakan (CO2, He, N2) terus-menerus dialirkan

(23)

3

Untuk mengurangi biaya operasional, diperlukan sistem fotoakustik

dengan sumber radiasi laser yang memerlukan biaya operasional yang murah.

Untuk menghemat biaya operasional tersebut dapat digunakan laser CO2 jenis

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

dibanding dengan jenis axial flowing. Penggunaan sumber radiasi laser CO2

sealed-off membuat detektor ini lebih unggul dibandingkan dengan detektor

fotoakustik yang sebelumnya, karena detektor ini dapat digunakan secara

mobile. Untuk itu, pengukuran tidak hanya dilakukan di dalam laboratorium

saja, melainkan dapat dilakukan di tempat lain.

Detektor fotoakustik yang tersedia di Lab Analisa Fisika dan Kimia Pusat

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma menggunakan sistem

intrakavitas dengan sumber radiasi laser CO2 sealed-off. Digunakannya laser

CO2 sealed-off membuat detektor ini lebih unggul dibandingkan dengan

detektor sebelumnya. Selain itu, batas deteksi detektor fotoakustik mencapai

orde ppb (part per billion atau 10-9)

Sebelum detektor fotoakustik digunakan, diperlukan pengaturan laser

CO2 sealed-off. Dalam proses tersebut, dibutuhkan ketepatan pengaturan

resonator optis agar diperoleh aksi laser. Dalam penelitian ini dilakukan

pengesetan resonator optis sumber radiasi laser CO2sealed-off yang digunakan

pada detektor fotoakustik sistem intrakavitas, sehingga detektor fotoakustik

(24)

4

1.2. Perumusan Masalah

Berdasarkan uraian yang telah dikemukakan dalam latar belakang di atas,

maka dirumuskan suatu masalah untuk penulisan skripsi ini. Perumusan

masalah yaitu bagaimana penggunaan laser CO2 sealed-off pada detektor

fotoakustik sistem intrakavitas.

1.3. Batasan Masalah

Pada penelitian ini akan dilakukan penelitian bagaimana mengatur

resonator optis sumber radiasi laser CO2 sealed-off pada detektor fotoakustik

sistem intrakavitas yang ada di Universitas Sanata Dharma.

1.4. Tujuan Penelitian

™ Dapat mengetahui serta memahami laser CO2 sealed-off pada detektor

fotoakustik sistem intrakavitas

™ Dapat menentukan keluaran daya yang optimum dengan cara mengatur

posisi resonator Laser CO2 sealed-off pada detektor fotoakustik sistem

intrakavitas

1.5. Manfaat Penelitian

™ Dapat memberi informasi bagaimana cara mengatur resonator optis pada

sumber radiasi laser CO2 sealed-off pada detektor fotoakustik

™ Dapat memberi informasi tambahan dalam bidang ilmu pengetahuan dan

(25)

5

1.6. Sistematika Penulisan

BAB I. Pendahuluan

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

perumusan masalah, pembatasan masalah, tujuan penelitian, manfaat

penelitian, dan sistematika penulisan.

BAB II Dasar Teori

Pada bab. II diuraikan tetang dasar-dasar teori pendukung dalam

penelitian Laser CO2 sealed-off pada detektor fotoakustik.

BAB III Metode Eksperimen

Dalam bab III diuraikan tentang alat-alat yang akan digunakan saat

penelitian serta langkah-langkah yang dilakukan saat penelitian.

BAB IV Hasil dan Pembahasan

Pada bab IV diuraikan tentang hasil penelitian dan pembasan hasil

penelitian.

BAB V Penutup

(26)

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Teori Atom

Pada tahun 1898 J.J. Thomson mengusulkan bahwa atom merupakan

bola bermuatan positif serbasama yang mengandung elektron. Model ini gugur

pada tahun 1911 saat Rutherford mengemukakan bahwa atom terdiri dari inti

dan elektron, dimana inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif

yang mengelilingi inti [Halliday-Resnick, 1985]. Setelah Rutherford

mengemukakan bahwa massa dan muatan positif atom terhimpun pada suatu

daerah kecil di pusatnya, Niels Bohr pada tahun 1913 mengemukakan bahwa

atom ternyata mirip seperti planet mini dengan elektron-elektron mengedari

matahari [Krane,1992].

Elektron-elektron yang berputar mengelilingi inti, berada pada

kedudukan tertentu dengan tingkat energi yang tertentu pula. Elektron dapat

berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain, seperti terlihat

pada gambar 2.1. Perpindahan elektron dari tingkat energi yang rendah ke

tingkat energi yang lebih tinggi disebut sebagai eksitasi. Untuk melakukan

eksitasi, elektron membutuhkan energi dari luar yang sesuai dengan energi

transisi dari kedua tingkat energi. Sedangkan perpindahan elektron dari tingkat

energi yang tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah disebut sebagai

deeksitasi. Saat melakukan deeksitasi, elektron memancarkan energi yang

berupa foton secara terus menerus sehingga mengalami pengurangan tenaga

(27)

7

elektron dan elektron akan berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi

yang lebih rendah.

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

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

Dalam proses deeksitasi, energi yang dipancarkan oleh elektron berupa

energi foton yang mempunyai frekuensi ν21 dengan besar energi adalah :

21

ν

h E =

∆ (2.1)

dimana hν21adalah energi foton yang dipancarkan elektron selama proses

deeksitasi berlangsung. ν21 adalah frekuensi foton dari tingkat energi 2 ke

tingkat energi 1. ∆E merupakan energi foton dimana

1

E energi pada tingkat energi rendah

2.2. Interaksi Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik cahaya merupakan wujud medan

(28)

8

suatu atom dikenai cahaya akan terjadi interaksi elektromagnetik antara

keduanya. Terdapat tiga cara interaksi radiasi elektromagnetik dengan atom

yaitu: (a) penyerapan, (b) pancaran spontan, dan (c) pancaran terangsang

[Krane,1992].

A. Penyerapan

Atom-atom dapat dinaikkan tingkat energinya dengan penyerapan

radiasi (foton) dari keadaan 1 ke keadaan 2. Keadaan 1 merupakan tingkat

energi dasar atau rendah dan keadaan 2 merupakan tingkat energi atas.

Untuk proses penyerapan tersebut diperlukan radiasi dengan frekuensi

yang tepat [Laud,1988]. Proses penyerapan tampak seperti pada gambar

2.2. Mula-mula atom berada pada keadaan 1. Jika terdapat radiasi

elektromagnetik berupa foton dengan energi hν12 mengenai atom-atom

tersebut, maka akan terjadi tumbukan antara atom dengan foton. Atom

akan menyerap energi foton dan tereksitasi ke keadaan 2. Proses ini

dikenal sebagai serapan dan dapat dituliskan sebagai :

∗ → + foton atom

atom ,

dengan asterisk menunjukkan suatu keadaan eksitasi [Krane,1992].

Gambar 2.2 Penyerapan

2

foton

(29)

9

Laju transisi atom dari keadaan 1 ke keadaan 2 adalahB12ρ,

dimana merupakan koefisien Einstein yang menyatakan kebolehjadian

penyerapan atom tiap satuan waktu dan 12

B

ρ kerapatan energi radiasi yang

berinteraksi dengan atom. Jumlah atom yang menyerap radiasi tiap satuan

waktu adalah :

1 12

12 B N

R = ρ (2.3)

dimana merupakan populasi atau jumlah atom tiap satuan volume

dalam keadaan 1. 1

N

B. Pancaran Spontan

Seperti yang telah disampaikan pada interaksi sebelumnya,

atom-atom yang menyerap radiasi akan mengalami transisi dari keadaan 1 ke

keadaan 2. Atom-atom yang tereksitasi pada keadaan 2 dapat kembali ke

keadaan semula (keadaan 1) dengan memancarkan kelebihan energinya

secara spontan (gambar 2.3). Proses pancaran spontan dapat dituliskan

sebagai :

foton atom

atom∗ → +

2

Gambar 2.3 pancaran spontan foton

(30)

10

Dalam proses tersebut, kemungkinan atom secara spontan turun ke

keadaan dasar tiap satuan waktu sebesar sambil memancarkan foton.

Jumlah atom turun dari keadaan 2 ke keadaan 1 secara spontan dengan

memancarkan radiasi tiap satuan waktu sama dengan 21

A

R21( )sp = A21N2 (2.5)

dimana merupakan populasi atau jumlah atom tiap satuan volume

dalam keadaan 2 dan koefisien Einstein untuk pancaran spontan. 2

N

21

A

C. Pancaran Terangsang

Atom-atom yang tereksitasi pada keadaan 2 bila diberikan foton

dengan energi hν12, maka atom-atom tersebut akan dirangsang untuk

melakukan deeksitasi dari keadaan 2 ke keadaan 1 dengan memancarkan

radiasi (foton) dengan energi yang sama. Proses dapat dituliskan sebagai :

foton atom

foton

atom∗ + → +2

Gambar 2.4 Pancaran Terangsang

Jumlah atom yang turun secara terangsang dengan memancarkan

radiasi tiap satuan waktu dituliskan sebagai :

(31)

11

dimana merupakan koefisien Einstein yang menyatakan

kebolehjadian tiap satuan waktu atom mengalami transisi dari keadaan 2

ke keadaan 1 oleh pancaran terangsang. 21

B

2.3. Koefisien-koefisien Einstein

Dari ketiga interaksi radiasi elektromagnetik yang telah disampaikan di

atas, terlihat bahwa transisi atom dari keadaan rendah ke keadaan energi yang

lebih tinggi terjadi hanya dengan satu cara yaitu penyerapan foton. Sedangkan

apabila atom dalam keadaan tereksitasi, dapat melakukan transisi radiasi ke

tingkat yang lebih rendah melalui dua cara yaitu pancaran terangsang dan

pancaran spontan [Laud,1988].

Apabila telah dicapai keadaan setimbang, jumlah populasi pada keadaan

atas dan jumlah populasi pada keadaan bawah tetap. Jumlah atom yang

menyerap radiasi tiap satuan waktu sama dengan jumlah atom yang

memancarkan radiasi tiap satuan waktu. Sehingga jumlah atom pada setiap

tingkat tidak berubah. Untuk laju perubahan populasi tingkat atas N2adalah

ρ

untuk keadaan seimbang 2 =0

(32)

12

Menurut Boltzmann kerapatan partikel dalam dua keadaan energi diberikan

oleh:

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

maka persamaan (2.11) menjadi

1

Dengan membandingkan persamaan 2.13 dan persamaan 2.14, diperoleh nilai :

(33)

13

2.4. Prinsip Dasar Laser

Andaikan kita mempunyai sekumpulan atom yang semuanya berada pada

keadaan tereksitasi. Sebuah foton yang melewati atom pertama, menyebabkan

terjadinya pancaran terangsang yang menghasilkan dua buah foton.

Masing-masing foton ini kemudian menyebabkan pancaran terangsang yang

menghasilkan total empat buah foton. Proses ini berlangsung terus dengan

menghasilkan penggandaan foton disetiap tahap, hingga tercipta seberkas foton

yang kuat, koheren dan bergerak dalam arah yang sama [Krane,1992]. Proses

kerja laser dapat dilihat pada gambar 2.5.

Gambar 2.5 proses kerja laser

Laser terdiri dari beberapa komponen, yaitu : medium aktif, power supply, dan

resonator optis (gambar 2.6). Power supply digunakan untuk memberikan arus

listrik pada laser. Medium aktif merupakan bahan aktif laser yang dimasukkan

(34)

14

disusun secara berhadapan. Di dalam resonator, cahaya akan berosilasi diantara

kedua cermin. Cermin-cermin akan memantulkan cahaya kembali ke dalam

kumpulan atom. Ketika cahaya terpantul bolak-balik antara kedua cermin,

menyebabkan terjadinya pancaran terangsang tambahan. Untuk menghasilkan

keluaran laser, pada salah satu ujung resonator digunakan cermin parsial.

Sebagian berkas akan keluar dari resonator melalui cermin tersebut, berkas yang

keluar tadi merupakan keluaran laser atau laser output [Krane,1992].

Power supply

Cermin Cermin

(100%) parsial

Medium aktif

Resonator optis

Gambar 2.6 komponen laser

2.5. Pemompaan Laser

Seperti yang telah dipaparkan sebelumnya bahwa prinsip dasar laser atau

syarat terjadinya laser adalah terjadinya proses pancaran terangsang. Untuk itu

agar terjadinya aksi laser diperlukan sarana untuk memenuhi syarat tersebut.

Sarana untuk memenuhi syarat terjadinya laser yaitu tercapainya kondisi

(35)

15

pada tingkat energi rendah lebih banyak daripada populasi atom pada tingkat

energi yang labih tinggi. Agar terjadinya proses pancaran terangsang, kondisi

inversi populasi harus terpenuhi dimana jumlah populasi atom tingkat atas lebih

banyak dari jumlah populasi tingkat bawah.

1

2 N

N > (2.17)

1

N merupakan jumlah populasi atom tingkat bawah dan merupakan jumlah

populasi atom tingkat atas. Untuk mencapai keadaan seperti persamaan 2.17 di

atas, maka atom-atom pada medium aktif dipacu untuk mencapai kondisi

inversi populasi dengan memberikan elektron pada atom-atom tersebut. Proses

tersebut merupakan proses pemompaan laser dua tingkat tenaga. Namun proses

pemompaan pada sistem dua tingkat tenaga tidak dapat menghasilkan inversi

populasi, karena atom secara spontan dapat turun kembali ke keadaan semula.

Selain itu atom-atom yang masih berada pada keadaan dasar akan menyerap

foton yang lewat sehingga menghilangkan beberapa foton dari berkas

penggandaan foton yang sedang dibangun [Krane,1992]. Masalah ini kemudian

dapat diatasi dengan melakukan pemompaan pada sistem tiga atau empat

tingkat tenaga.

2

N

A. Sistem tiga tingkat tenaga

Atom-atom pada tingkat tenaga 1(tingkat dasar), dipompa ke tingkat

tenaga 3. Kemudian atom-atom tersebut mengalami transisi deeksitasi

yang cepat ke tingkat tenaga 2. Atom-atom yang telah mengalami

deeksitasi berada pada tingkat tenaga 2 cukup lama, sehingga tercapai

(36)

16

tingkat tenaga 2 ke tingkat dasar merupakan proses pancaran terangsang.

Pada sistem ini dapat dihasilkan kondisi inversi populasi sehingga syarat

terjadinya laser terpenuhi (gambar 2.6). Sistem tiga tingkat tenaga belum

dapat memecahkan persoalan yang kedua, dimana atom-atom pada

tingkat dasar akan menyerap foton hasil transisi pelaseran [Krane,1992].

Gambar 2.7 Atom tiga tingkat 3

2

1

B. Sistem empat tingkat tenaga

Pada sistem empat tingkat yang digambarkan pada Gambar 2.8,

atom-atom pada tingkat tenaga 1 (keadaan dasar) dipompa ke suatu

keadaan eksitasi tingkat tenaga 4. Atom-atom yang berada pada keadaan

tersebut akan mengalami transisi deeksitasi dengan cepat ke tingkat

tenaga 3, seperti pada sistem tiga tingkat. Atom-atom yang telah

mengalami deeksitasi berada pada tingkat tenaga 3 cukup lama, sehingga

tercapai kondisi inversi populasi antara tingkat tenaga 1 dan 3. Pada

tingkat 3 terjadi transisi dari tingkat tenaga 3 ke suatu keadaan eksitasi

(37)

17

merupakan proses pancaran terangsang. Atom-atom yang berada pada

tingkat tenaga 2 kemudian mengalami deeksitasi ke keadaan dasar secara

spontan. Dengan demikian atom-atom pada keadaan dasar tidak menyerap

foton dari transisi pelaseran. Pada sistem ini dapat memenuhi syarat

terjadinya laser [Krane,1992].

Gambar 2.8 Atom empat tingkat

4

3

2

1

2.6. Penguatan Laser

Untuk memperoleh aksi laser, diperlukan kondisi inversi populasi.

Penguatan diperlukan untuk mempertahankan kondisi inversi populasi.

Penguatan dapat dilakukan dengan cara meletakkan bahan aktif laser di dalam

rongga resonator laser. Resonator laser terdiri dari dua buah cermin.

Cermin-cermin memantulkan cahaya yang dipancarkan kembali ke dalam kumpulan

(38)

18

Gambar 2.9 skema laser

Tidak semua intensitas cahaya yang jatuh pada cermin dipantulkan. Jika I

intensitas cahaya yang jatuh pada cermin dan r adalah koefisien pantulan, maka

intensitas cahaya yang dipantulkan :

rI

Ir = (2.18)

r merupakan koefisien pantulan cermin. Pada salah satu resonator optis

digunakan cermin parsial sehingga koefisien pantulannya akan kurang dari 1.

Dalam keadaan normal, berkas cahaya yang melewati suatu bahan

sepanjang z intensitasnya menurun setelah keluar dari bahan tersebut,

dituliskan sebagai berikut :

( )

z I

( ) (

k z

)

Iv = v 0 exp− v (2.19)

Jika negatif, akan terjadi penguatan dan intensitasnya naik sebesar

[Laud,1988]:

v k

( )

z I

( )

z

Iv = v 0 expα (2.20)

(39)

19

Misalkan merupakan koefisien pantulan dari kedua cermin. Akan

terjadi pengurangan energi dalam lintasan bolak-balik sebesar faktor , dapat

dituliskan :

dimana γ merupakan besarnya energi yang dipancarkan cahaya. Bila γ positif,

maka akan terjadi kehilangan cahaya dalam satu lintasan. Apabila terjadi

kehilangan cahaya, maka intensitas dalam tiap lintasan akan berubah sebesar:

I = Iexp(αL−γ)

Agar diperoleh aksi laser, penguatan harus cukup untuk mengimbangi

kehilangan energi sehingga kondisi inversi populasi dapat tercapai. Untuk itu,

(

)

1

expαL−γ > atau αL>γ (2.23)

Keadaan ambang akan tercapai jika

γ

αL= (2.24)

Sehingga laser akan bekerja jika :

L

γ

α ≥ (2.25)

2.7. Laser CO2

Laser CO2 merupakan bagian yang sangat penting dalam spektroskopi

fotoakustik. Laser CO2 ini merupakan sumber cahaya koheren yang pertama

(40)

20

gelombang 9,6µm dan 10,6µm. Medium aktif pada laser CO2 merupakan gas

yang terdiri dari campuran CO2, N2 dan He. Jika elektron dilewatkan tabung

berisi CO2, elektron membentur molekul ke tingkat-tingkat elektronis dan

vibrasi-rotasi yang lebih tinggi. Perpindahan energi resonansi dari molekul lain

seperti N2 yang ditambahkan ke dalam gas isian, untuk menaikkan pemompaan.

Untuk menghindari populasi laser rendah karena adanya rangsangan panas,

diperlukan agar temperatur CO2 rendah. Helium mempunyai penghantar panas

yang tinggi, karena itu Helium membantu menghantarkan panas keluar dan

menjaga agar temperatur CO2 tetap dingin [Laud,1988].

Pada laser CO2 terdapat dua sistem, yaitu axial flowing dimana gas selalu

dialirkan ke dalam tabung dan sealed-off dimana gas diisi ke dalam tabung

kemudian ditutup. Untuk laser CO2 axial flowing dapat dilihat pada gambar

2.9. Dan untuk laser CO2sealed-off secara umum seperti gambar 2.10.

(41)

21

Gambar 2.10 tabung laser CO2 sistem sealed off

Penggunaan laser CO2 dipilih berdasarkan panjang gelombangnya, untuk

itu digunakan kisi pada salah satu resonator optis laser CO2. Penggunaan kisi

bertujuan agar kita dapat memilih panjang gelombang sesuai dengan wilayah

kerja yang diinginkan.

2.8. Teori Fotoakuatik

Efek Fotoakustik atau yang disebut juga optoakustik, pertama kali

ditemukan oleh Alexander Graham Bell pada tahun 1880 [Spike,2006]. Pada

tahun 1960an telah dicapai terobosan baru yaitu untuk pertama kalinya

digunakan laser sebagai sumber pada spektroskopi fotoakustik [Besson,2006].

Pada tahun 1980an lebih dikembangkan lagi spektroskopi fotoakustik dengan

sensitivitas yang tinggi. Ini dicapai dengan digunakannya laser CO dan laser

CO2. Laser CO dan laser CO2 memiliki kemonokromatisan dan daya yang

tinggi. Hal inilah yang membuat pengukuran menggunakan spektroskopi

fotoakustik sangat sensitif sehingga dapat menjangkau orde pengukuran yang

sangat kecil (ppb).

Jika laser ditala pada frekuensi transisi dari molekul yang berada di dalam

(42)

22

tenaga yang lebih tinggi E2. Molekul-molekul dengan aras tenaga E2 kemudian

dapat melepaskan tenaga eksitasinya secara radiasi maupun non-radiasi

[Santosa,2008]. Apabila pelepasan tenaga eksitasi berlangsung secara

non-radiasi, maka pada waktu bertumbukan molekul tersebut akan memberikan

tenaga eksitasinya kepada molekul yang ditumbuknya. Kenaikan tenaga

translasi tersebut akan menyebabkan kenaikan suhu dan tekanan. Apabila laser

dimodulasi, tekanan dalam sel fotoakustik akan berubah secara periodik.

Perubahan tekanan tersebut akan menghasilkan sinyal akustik yang diukur

menggunakan mikrofon. Dengan adanya sinyal akustik maka dapat ditentukan

konsentrasi gas dalam sel akustik.

Keluaran dari mikrofon atau sinyal akustik dipengaruhi oleh daya laser,

koefisien serapan, dan konsentrasi gas. apabila di dalam sel fotoakustik hanya

terdapat satu jenis gas “g”, hubungan antara sinyal akustik dengan

besaran-besaran lainnya dinyatakan dalam persamaan [Santosa,2008]:

gl g l

l CPC

S = α (2.26)

dengan adalah sinyal keluaran mikrofon pada waktu menggunakan laser

jenis “l” dengan daya laser , C adalah konstanta sel akustik, adalah

konsentrasi gas “g” yang berada dalam sel fotoakustik dan

l

koefisien serapan dari gas “g” pada laser jenis “l”. Kemudian diperoleh sinyal

ternormalisasi dengan daya laser sebagai berikut [Santosa,2008]:

(43)

23

Apabila di dalam sel fotoakustik terdapat lebih dari satu jenis gas,maka

masing-masing gas akan memberikan sumbangan pada sinyal keluaran dari

mirofon. Sehingga keluaran mikrofon total memenuhi persamaan

[Santosa,2008]:

(44)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. TEMPAT PENELITIAN

Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat

Kampus III Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

Paingan Maguwoharjo Depok Sleman Yogyakarta

3.2. RANGKAIAN PERCOBAAN

Rangkaian percobaan yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai

berikut:

Gambar 3.1 Rangkaian percobaan detektor fotoakustik

Keterangan:

1. Powermeter

2. Piezo

(45)

25

3. Cermin

4. Sel fotoakustik

5. Tabung Laser CO2

6. Chopper

7. Kisi

8. Steppermotor

9. Lock-in Amplifier

10. Komputer

11. Power supply

12. Laser Kontrol

3.3. DETEKTOR FOTOAKUSTIK

Detektor fotoakustik merupakan alat yang dapat mengukur konsentrasi gas.

Detektor fotoakustik memiliki beberapa bagian penting yaitu laser, sel

fotoakustik dan mikrofon. Sistem kerja detektor fotoakustik menggunakan

prinsip serapan cahaya. Cahaya yang berasal dari sumber cahaya (laser) akan

ditangkap oleh mikrofon dan kemudian akan dikonversi menjadi sinyal akustik.

Gambar 3.1 diatas merupakan susunan alat yang digunakan dalam detektor

fotoakustik. Sedangkan pada gambar 3.2 berikut merupakan gambar dari

(46)

26

Gambar 3.2 Detektor fotoakustik yang digunakan dalam percobaan

Gambar 3.3 Rangkaian laser CO2 sealed-off

3.3.1. Laser

Pada detektor fotoakustik laser berfungsi sebagai sumber cahaya.

Laser banyak digunakan dalam sistem fotoakustik, karena intensitas

spektral yang tinggi dan dapat ditala [Santosa,2008]. Laser yang digunakan

(47)

27

CO2 sealed-off. Rangkaian laser seperti pada gambar 3.3. Berikut akan

disampaikan bagian-bagian dari laser CO2 sealed-off.

A. Power Supply

Power supply (gambar 3.1(11)) digunakan agar kita dapat

mengatur arus listrik pada laser. Dalam arus listrik yang mengalir,

terkandung elektron-elektron. Dengan memberikan arus listrik pada

laser, maka elektron-elektron akan menembak molekul-molekul yang

terdapat pada medium laser. Molekul-molekul tersebut akan melakukan

eksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi. Melalui proses tersebut

kondisi inversi populasi dapat tercapai.

B. Resonator Optis

Resonator optis pada laser CO2 sealed-off yang digunakan terdiri

dari cermin parsial dan kisi yang dipasang sejajar dan saling behadapan.

Kedua cermin ini akan memantulkan cahaya yang datang. Melalui

proses ini akan terjadi pancaran terangsang tambahan yang akan

membentuk aksi laser. Pada resonator optis salah satu cermin yang

digunakan (gambar 3.1(3)) adalah cermin 98%. Pada cermin tersebut

98% cahaya akan dipantulkan untuk penguatan laser dan 2% cahaya

akan diteruskan sebagai keluaran laser. Untuk cermin lainnya (gambar

3.1(7)) digunakan kisi. Kisi berfungsi memantulkan cahaya. Selain itu,

dengan menggunakan kisi kita dapat memilih panjang gelombang laser

yang akan kita gunakan. Posisi kisi dapat diatur oleh steppermotor

(48)

28

menempatkannya pada posisi panjang gelombang laser sesuai yang

diinginkan. Pada penelitian digunakan dua jenis kisi yang berbeda,

seperti pada gambar 3.4 (a) kisi yang digunakan pada penelitian

pertama dan gambar 3.4 (b) kisi yang digunakan pada penelitian kedua.

(a) kisi pada penelitian pertama (b) kisi pada penelitian kedua

Gambar 3.4 kisi pada laser CO2sealed-off

C. Tabung Laser

Pada penelitian ini, ada 2 jenis tabung laser yang digunakan yaitu

LTG (LaserTech Group INC.) model No. 70262, serial No. 061201,

panjang 67,5 cm dan model LT 30-626, serial No. 200801, panjang 52

cm. Pada laser CO2 sealed-off gas isian yang digunakan adalah

campuran gas CO2, N2 dan He. Di dalam tabung terdapat 2 pipa atau

ruang. Ruang bagian dalam merupakan ruang tempat gas isian laser

yang telah diukur kemudian ditutup. Ruang bagian luar merupakan

tempat untuk pendingin laser yaitu air kran yang terus-menerus

(49)

29

masuk, untuk menghindari kebocoran. Bentuk tabung laser CO2

sealed-off seperti pada gambar 3.5.

Gambar 3.5 Bentuk tabung laser CO2sealed-off

D. Piezo

Piezo (gambar 3.1 (2)) digunakan untuk menentukan panjang

resonator laser. Piezo terletak dibelakang cermin. Bila diberi tegangan,

piezo akan bertambah panjang dan mendorong cermin sehingga panjang

resonator laser berubah. Piezo dapat diatur sesuai dengan panjang

resonator laser yang diinginkan. Dengan mengatur piezo maka akan

diperoleh daya laser yang maksimum. Perolehan daya maksimum

dilakukan dengan mengatur tegangan pada piezo. Namun pada saat

pengoperasian detektor fotoakustik untuk pengukuran konsentrasi gas,

piezo akan bekerja secara otomatis mencari daya laser yang paling

(50)

30

E. Chopper

Chopper (gambar 3.1 (6)) digunakan untuk memodulasi laser.

Disaat laser melalui celah chopper, maka cahaya laser akan langsung

mengenai kisi sehingga dapat dipantulkan sehingga intensitas laser akan

tinggi. Namun jika cahaya laser mengenai chopper atau terhalang maka

intensitas laser yang dihasilkan adalah nol.

F. Powermeter

Powermeter (gambar 3.1 (1)) digunakan untuk mengukur keluaran

daya laser (output laser) yang dihasilkan.

3.3.2. Sel Fotoakustik

Sel fotoakustik (gambar 3.1 (4)) merupakan ruang proses konversi

cahaya menjadi sinyal akustik berlangsung. Sel fotoakustik mempunyai dua

bagian utama yaitu, resonator dan mikrofon. Sinyal keluaran dari mikrofon

akan dimonitor oleh lock-in amplifier, kemudian akan diolah oleh

komputer. Desain sel fotoakustik seperti pada gambar 3.6. Mikrofon yang

digunakan untuk menangkap sinyal akustik terletak di dalam sel

fotoakustik. Mikrofon ini sangat peka sehingga desain dari sel fotoakustik

sangat tebal yang bertujuan agar terhindar bunyi dari luar. Bunyi yang

ditangkap mikrofonpun adalah bunyi yang sesuai dengan frekuensi

(51)

31

Untuk sistem intrakavitas, sel fotoakustik ditempatkan di dalam

rongga laser. Sistem ini dipilih karena dapat menghasilkan daya yang besar

sehingga memungkinkan batas deteksi yang sangat rendah.

I: pintu masuk gas; O: pintu keluar gas M: Mikropon

Gambar 3.6 desain sel fotoakustik

3.4. PERSIAPAN ALAT

Penelitian dilakukan dua kali pada waktu yang berbeda. Pada penelitian

pertama digunakan tabung laser LTG (LaserTech Group INC.) model No.

70262, serial No. 061201 dan penelitian kedua menggunakan tabung model LT

30-626, serial No. 200801. Untuk masing-masing penelitian, tahap-tahap yang

dilakukan sebagai berikut:

3.4.1. Pelurusan Laser

A. Pengaturan Posisi Kisi

Untuk membuat suatu laser, cahaya datang dan pantul harus tepat

berada di tengah atau berada dalam satu garis. Langkah pertama yang

harus dilakukan adalah memastikan bahwa cahaya yang lewat

benar-benar barada di tengah. Hal ini dilakukan dengan menggunakan alat

(52)

32

pasang, kemudian diamati cahaya yang melalui diafragma (mambantu

pengamatan posisi cahaya) sampai ke kisi. Jika posisi cahaya datang

belum di tengah maka cahaya datang dapat diatur dengan menggunakan

pengatur posisi cahaya yang ada. Pada laser HeNe tersebut, terdapat dua

tempat untuk mengatur, dimana pada masing-masing pengatur terdapat

dua sekrup pemutar. Salah satu sekrup pemutar untuk mengatur posisi

naik turunnya cahaya, dan sekrup yang lain untuk mengatur posisi kiri

dan kanan. Semua pengatur kemudian diatur agar posisi cahaya yang

jatuh pada kisi berada di tengah.

Setelah posisi cahaya yang jatuh ke permukaan kisi berada di

tengah, dilakukan pengecekan arah pantulan cahaya yang berasal dari

kisi menuju kembali ke diafragma (sumber datangnya cahaya). Apabila

pantulan cahaya tersebut belum segaris atau kembali ke posisi

datangnya cahaya, maka pantulan cahaya tersebut dapat diarahkan

dengan mengatur posisi kisi. Pengaturan dilakukan dengan memutar

mikrometer pada kisi. Selain itu juga dilakukan pengecekan banyaknya

berkas pantulan cahaya yang segaris yang masuk kembali ke diafragma.

Berkas pantulan cahaya yang masuk kembali ke diafragma diusahakan

sebanyak mungkin dapat masuk, dengan arah tepat pada satu titik.

B. Pemasangan Tabung Laser dan Chopper

Setelah posisi cahaya datang maupun cahaya pantul berada pada

satu titik, tabung laser dapat dipasang. Kemudian posisi tabung juga

(53)

33

mengenai sisi tabung. Pada tabung terdapat pengatur untuk

masing-masing ujung tabung. Pengatur tersebut diatur agar posisi cahaya yang

melewati tabung benar-benar berada di tengah tabung dan tidak

membentur sisi tabung.

Setelah tabung terpasang dan telah diatur posisi cahaya laser,

chopper dapat dipasang. Pemasangan chopper harus diperhatikan

letaknya. Agar pada saat bekerja tidak mengenai tabung laser. Chopper

ditempatkan di dekat kisi dengan tujuan mengurangi bunyi yang masuk

ke sel fotoakustik dan juga untuk menghindari sinar pantulan laser dari

chopper tidak masuk ke sel fotoakustik.

C. Pemasangan dan Pengaturan Cermin

Apabila cahaya datang dan pantulannya telah diyakini berada

ditengah, pemasangan cermin dapat dilakukan. Bila cermin telah

dipasang, pantulan dari cermin juga diatur agar posisi pantulan berada

ditengah-tengah sumber cahaya. Pengaturan dilakukan dengan memutar

dua buah mikrometer yang ada. Salah satu mikrometer untuk posisi naik

turunnya cahaya dan mikrometer yang lain untuk posisi kiri kanan

cahaya. Kedua mikrometer tersebut diatur agar posisi cahaya pantulan

yang berasal dari cermin tepat berada ditengah cahaya datang.

D. Perolehan Garis Laser

Langkah selanjutnya adalah pencarian garis laser. Laser HeNe

kemudian diangkat dan diganti dengan powermeter. Laser kemudian

(54)

34

dilakukan secara manual yaitu dengan menggerakkan kisi menggunakan

tangan. Langkah ini dilakukan agar diketahui daerah kerja laser.

Pencarian daerah kerja laser perlu agar pada saat dijalankan kisi tidak

mengenai chopper. Pada saat menggerakkan kisi, osiloskop terus

diperhatikan apakah terdapat sinyal atau tanda adanya laser. Apabila

terdapat sinyal adanya laser, maka pencarian dilanjutkan menggunakan

komputer.

E. Pencarian Daya Laser

Apabila daerah kerja laser telah diketahui, selanjutkan komputer

dihubungkan untuk menggerakkan steppermotor menggunakan program

software yang telah tersedia. Dengan menggunakan program tersebut,

scanning dapat dilakukan untuk menampilkan hasil pengesetan laser.

Dari hasil scanning dapat diketahui keluaran laser yang dihasilkan dan

juga besarnya daya laser yang diperoleh.

3.4.2. Optimalisasi Daya Laser

Proses optimalisasi dilakukan untuk mencari daya laser yang

maksimal. Optimalisasi dilakukan dengan beberapa cara sebagai berikut :

A. Arus Listrik

Setelah didapat posisi cermin dan kisi yang menghasilkan daya

laser terbesar, optimalisasi dilanjutkan dengan mengatur arus listrik.

Arus listrik kemudian divariasikan dan dilakukan proses scanning

(55)

35

B. Pengaturan Tegangan pada Piezo

Optimalisasi juga dilakukan dengan memvariasikan tegangan pada

piezo. Tegangan pada piezo diatur secara manual melalui pengatur

tegangan piezo pada laser kontrol. Setiap pengaturan tegangan pada

piezo, kemudian diamati daya yang dihasilkan. Bila diperoleh indikasi

kenaikan daya, proses scanning dlakukan pada posisi tegangan tersebut.

3.4.3. Pemasangan Sel Fotoakustik

Setelah proses optimalisasi dilakukan, pemasangan sel fotoakustik

dapat dilakukan. Untuk sistem intrakavitas, sel fotoakustik diletakkan di

dalam rongga resonator laser, yaitu diantara cermin dan tabung laser. Pada

saat pemasangan sel fotoakustik, posisi steppermotor diletakkan pada posisi

garis laser yang memiliki daya paling besar. Hal ini dilakukan karena pada

waktu pemasangan sel fotoakustik akan terjadi penyerapan. Apabila pada

posisi garis dengan daya yang kecil, maka daya tersebut akan habis.

Pemasangan sel fotoakustik harus secara hati-hati. Kerena bobot dari sel

fotoakustik yang sangat berat akan mempengaruhi posisi resonator laser.

Apabila posisi resonator laser berubah maka daya laser akan hilang. Posisi

sel fotoakustik juga diatur, agar laser tidak membentur dinding sel akustik.

3.5. Perolehan garis laser CO2 untuk gas etilen

Setelah pemasangan dan pengaturan sel fotoakustik, pencarian garis laser

(56)

36

memasukkan sampel ke dalam kuvet, kemudian dilakukan proses scanning.

Setelah diperoleh hasil scanning, kemudian diamati garis laser yang mengalami

penyerapan terbesar. Apabila terjadi penyerapan terbesar pada salah satu garis

laser, maka garis tersebut merupakan garis laser untuk gas etilen. Garis laser

(57)

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Hasil

4.1.1. Perolehan Garis Laser

Pada penelitian pertama digunakan tabung laser CO2 sealed-off

dengan panjang 67,5 cm dan kisi berbentuk bulat seperti gambar 3.4(a).

Setelah proses pelurusan laser, dilakukan scanning untuk mengetahui

keluaran daya laser CO2 sealed-off. Telah dihasilkan keluaran daya laser

CO2sealed-off pada penelitian pertama seperti pada gambar 4.1.

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi

steppermotor untuk panjang tabung 67,5 cm dan kisi berbentuk bulat

Dilakukan pula penelitian kedua menggunakan jenis laser yang sama

yaitu laser CO2sealed-off, namun dengan bentuk tabung laser dan kisi yang

berbeda. Pada penelitian kedua ini digunakan tabung dengan panjang 52 cm

dan kisi berbentuk kotak seperti gambar 3.4(b). Melalui proses pelurusan

(58)

38

dan scanning yang telah dilakukan, dihasilkan keluaran daya laser CO2

sealed-off seperti pada gambar 2.4 berikut.

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi

steppermotor untuk panjang tabung 52 cm dan kisi berbentuk kotak

Pada gambar 4.2 diatas, merupakan keluaran daya laser CO2

sealed-off berupa garis-garis radiasi laser. Bentuk keluaran laser CO2 sealed-off

juga dapat dilihat pada gambar 4.3 berikut.

(59)

39

4.1.2. Optimasi Laser CO2sealed-off

Hasil yang telah diperoleh gambar 4.2, kemudian dioptimalkan

dengan mengatur arus listrik laser dan tegangan pada piezo. Optimasi

dilakukan agar diperoleh daya laser yang optimal.

A. Arus Listrik

Optimasi laser dilakukan dengan mengatur arus listrik pada laser

CO2sealed-off. Proses optimasi dilakukan melalui penscanan pada nilai

arus listrik yang berbeda. Gambar 4.4 merupakan scanning laser pada

arus sebesar 11,15 mA dan gambar 4.5 scanning laser pada arus 10,75

mA.

(60)

40

Gambar 4.5grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor pada arus 10,75 mA

B. Tegangan Piezo

Selain mengatur arus, optimasi juga dilakukan dengan mengatur

tegangan pada piezo agar diperoleh daya laser yang maksimum.

Besarnya tegangan pada piezo ditentukan dengan memberikan nilai

pada pengatur tegangan piezo (data tabel A pada lampiran). Pada

gambar 4.6, gambar 4.7, gambar 4.8 dan gambar 4.9 diperlihatkan

besarnya daya laser terhadap nilai pengatur tegangan pada piezo untuk

beberapa garis laser yang telah dihasilkan pada gambar 4.5.

(61)

41

Gambar 4.7 Grafik hubungan antara daya laser terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 2374

Gambar 4.8 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 5088

(62)

42

Dari perolehan hasil pengaturan tegangan pada piezo di atas,

kemudian dilakukan scanning untuk beberapa nilai pengatur tegangan

piezo.

Gambar 4.10 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi

steppermotor untuk nilai pengatur tegangan piezo 4,6

Gambar 4.11 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi

(63)

43

Gambar 4.12 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi

steppermotor untuk pengatur tegangan piezo 6,2

4.1.3. Pemasangan Sel Fotoakustik

Setelah diperoleh keluaran daya laser CO2 sealed-off dari hasil

optimasi, dilakukan pemasangan sel fotoakustik. Sel fotoakustik merupakan

tempat pengukuran konsentrasi gas berlangsung. Pada sistem intrakavitas

akan terjadi penyerapan. Untuk itu pemasangan sel fotoakustik dilakukan

pada posisi garis laser dengan daya terbesar. Garis laser yang digunakan

merupakan hasil keluaran daya laser yang telah dihasilkan pada penelitian

kedua dan telah dioptimasi (gambar 4.5). Dari hasil penscanan, selain daya

laser juga diperoleh sinyal akustik. Gambar 4.13 merupakan daya laser CO2

(64)

44

Gambar 4.13 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor

Pada kondisi penscanan yang sama dihasilkan sinyal akustik seperti

pada gambar 4.14 berikut.

Gambar 4.14 Grafik hubungan antara sinyal akustik (AU) terhadap posisi steppermotor

Setelah diperoleh daya laser dan juga sinyal akustik, kemudian dilakukan

normalisasi sinyal terhadap daya laser. Sinyal ternormalisasi ini yang kemudian

(65)

45

Gambar 4.15 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap

posisi steppermotor

4.1.4. Penentuan Garis etilen

Selanjutnya akan ditentukan garis laser untuk gas etilen. Penentuan

garis etilen dilakukan dengan penscanan untuk medium udara tanpa sampel

dan juga menggunakan sampel. Gambar 4.19 berikut merupakan hasil

penscanan untuk medium udara tanpa sampel.

(66)

46

Dari hasil yang telah diperoleh diatas, kemudian dilakukan penscanan

dengan menggunakan sampel. Pada kondisi alat yang sama dilakukan penscanan

menggunakan sampel. Berikut adalah hasil penscanan dengan menggunakan

sampel, jenis sampel yang digunakan adalah buah apel.

Gambar 4.17 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap

posisi steppermotor untuk medium udara dengan sampel

4.1.5. Pengukuran Konsentrasi Gas Etilen

Setelah dilakukan pencarian garis radiasi laser etilen, kemudian

dilakukan pengukuran konsentrasi etilen pada buah apel. Diperoleh hasil

pengukuran seperti pada gambar 4.18. Kondisi A sebelum sampel

(67)

47

Gambar 4.18 grafik hubungan antara konsentrasi etilen (AU) terhadap waktu (jam)

Selama proses pengukuran berlangsung, dapat dilihat pula

kestabilan daya laser CO2 sealed-off. Kestabilan daya tampak seperti

gambar berikut :

Gambar 4.19 grafik kestabilan daya laser (AU) antara garis 10P14 dan 10P16 terhadap waktu

4.2. Pembahasan

Faktor yang mempengaruhi pengukuran menggunakan detektor

fotoakustik gas adalah daya laser. Daya laser mempengaruhi keluaran mikrofon

atau sinyal akustik yang dihasilkan. Daya laser diperoleh melalui proses

(68)

48

Gambar 4.1 merupakan hasil dari penelitian pertama. Pada penelitian

tersebut digunakan tabung laser CO2 sealed-off dengan panjang 67,5 cm dan

model kisi berbentuk bulat seperti pada gambar 3.4 (a). Dari hasil yang

diperoleh terlihat bahwa garis-garis laser CO2 sealed-off yang dihasilkan

sangat sedikit. Daya laser menggunakan satuan sembarang (AU). Satuan yang

tertera pada hasil bukanlah satuan yang sebenarnya, karena belum adanya

kalibrasi.

Dari hasil tersebut kemudian dilakukan optimasi laser CO2 sealed-off

dengan mengatur posisi kisi dan cermin. Langkah ini diupayakan agar perolehan

daya lebih besar dan garis-garis laser semakin banyak. Namun setelah beberapa

beberapa kali proses pengesetan laser dan juga optimasi laser, tidak diperoleh

garis laser yang lebih banyak.

Hasil yang diperoleh pada penelitian yang pertama tidak maksimal, maka

dilanjutkan penelitian kedua. Pada penelitian kedua rangkaian alat maupun

proses pelurusan laser sama seperti penelitian yang pertama. Namun pada

penelitian yang kedua digunakan bentuk tabung dan kisi yang berbeda. Tabung

yang digunakan lebih pendek dengan panjang 52 cm dan model kisi berbentuk

kotak seperti pada gambar 3.4(b). Pada penelitian kedua permukaan kisi yang

lebih kecil, sedangkan kisi yang digunakan sebelumnya permukaannya lebih

lebar.

Pada penelitian pertama, sinar datang dan berkas cahaya yang dipantulkan

oleh kisi tidak berada pada satu titik. Pada kisi tidak terdapat sekrup pengatur,

(69)

49

Sedangkan kisi pada penelitian kedua memiliki sekrup pengatur, sehingga

berkas-berkas cahaya pantul dapat diarahkan ke arah datangnya sinar. Semakin

banyak berkas cahaya yang mengenai titik sinar datang, maka semakin banyak

garis-garis radiasi laser yang dihasilkan

Hasil yang diperoleh pada penelitian pertama maupun kedua dapat terlihat

pada gambar 4.1 dan gambar 4.2. Dari gambar-gambar tersebut terlihat

perbedaan hasil dari kedua penelitian. Pada penelitian pertama dihasilkan 5

garis laser. Penelitian kedua diperoleh 35 garis radiasi laser yang tersebar dalam

4 band. Dimana band pertama peroleh 4 garis, band kedua 6 garis, band ketiga

13 garis dan band keempat 12 garis.

Hasil yang diperoleh pada penelitian kedua lebih baik dari penelitian

pertama. Banyaknya garis-garis laser yang dihasilkan menunjukkan bahwa daya

yang diperoleh juga semakin besar. Semakin banyak garis laser yang nampak,

semakin banyak pula kemungkinan pengukuran konsentrasi untuk berbagai

macam jenis gas yang mempunyai panjang gelombang sesuai dengan panjang

gelombang garis-garis laser CO2.

Keluaran laser yang ditangkap oleh powermeter dapat dilihat pada

gambar 4.3. Gambar 4.1 dan gambar 4.2 merupakan gambar grafik hubungan

antara daya laser terhadap posisi steppermotor. Posisi steppermotor terkait

dengan panjang gelombang laser. Setiap garis laser memiliki daya laser dan

panjang gelombang. Dapat dilihat pada grafik dimana setiap garis laser

(70)

50

Hasil yang diperoleh pada gambar 4.2 belum maksimal, sehingga perlu

adanya optimasi. Optimasi laser CO2 sealed-off dilakukan dengan mengatur

arus listrik pada laser dan tegangan pada pengatur tegangan piezo. Hasil

optimasi arus listrik laser, dapat dilihat pada gambar 4.4 dan gambar 4.5.

Pengaturan arus listrik mempengaruhi perolehan daya laser. Dengan arus yang

semakin besar, maka jumlah elektron juga semakin banyak. Kemungkinan

elektron menembak atom-atom yang terdapat dalam tabung laser juga semakin

besar, sehingga membantu proses inversi populasi berlangsung. Pada arus listrik

10,75 mA jumlah total garis-garis radiasi yang dihasilkan adalah 37 garis yang

tersebar dalam 4 band. Band 1 terdapat 4 garis, band 2 terdapat 7 garis, band 3

terdapat 13 garis, dan band 4 terdapat 13 garis (gambar 4.5). Sedangkan pada

arus listrik 11,15mA jumlah garis-garis laser yang dihasilkan sebanyak 35 garis

(gambar 4.4).

Pada cermin yang digunakan terdapat piezo, yang dapat berpengaruh

dalam perubahan daya yang dihasilkan. Piezo terletak tepat dibelakang cermin.

Jika piezo diberi tegangan, maka piezo akan menggeser cermin yang

mengakibatkan panjang resonator laser akan berubah. Perubahan panjang

resonator laser juga akan mempengaruhi daya yang diperoleh.

Tegangan piezo diatur oleh laser kontrol. Dalam laser kontrol terdapat

pengatur nilai tegangan piezo yang diberikan melalui komputer. Tegangan piezo

akan berubah jika diberikan nilai pada pengatur tegangan piezo. Pengaruh

perubahan tegangan piezo terhadap daya laser, dapat dilihat pada gambar 4.6,

(71)

51

pada tegangan tertentu saja terdapat daya laser. Jika posisi cermin berada pada

posisi resonansi laser, maka daya yang dihasilkan akan semakin besar. Proses

ini dapat terlihat pada gambar 4.10, gambar 4.11, dan gambar 4.12. Tegangan

yang tertera pada gambar merupakan nilai masukan untuk pengatur tegangan

piezo yang terdapat dalam laser kontrol.

Dengan adanya piezo yang mengatur panjang resonator laser, membantu

perolehan daya yang maksimum. Pengukuran dilakukan pada daya yang

maksimum. Selama proses pengukuran berlangsung laser kontrol akan

menggerakkan piezo secara otomatis untuk mencari panjang resonator laser

yang menghasilkan daya maksimum.

Selain laser komponen penting pada detektor fotoakustik adalah sel

fotoakustik dan mikrofon. Mikrofon terletak di dalam sel fotoakustik. Mikrofon

yang digunakan sangat peka terhadap bunyi, untuk itu desain sel fotoakustik

sangat tebal agar terhindar dari gangguan bunyi dari luar. Desain yang sangat

tebal inilah yang membuat bobot dari sel fotoakustik menjadi berat. Sel

fotoakustik merupakan tempat dimana pengukuran konsentrasi gas berlangsung.

Tanpa adanya sel fotoakustik, laser yang telah dikerjakan tidak dapat digunakan

untuk proses pengukuran.

Untuk sistem intrakavitas, sel fotoakustik ditempatkan di dalam rongga

laser. Pemilihan sistem intrakavitas karena pengukuran dapat dilakukan pada

daya yang besar sehingga memungkinkannya diperoleh batas deteksi yang

sangat rendah. Setelah diperoleh laser dan dioptimasi, sel fotoakustik kemudian

(72)

52

resiko yang tinggi. Dengan bobotnya yang berat memungkinkan pada saat

pemasangan, posisi resonator optis pada laser akan berubah. Dengan

berubahnya posisi resonator optis, laser yang diperoleh juga akan hilang.

Pada sistem intrakavitas terjadi penyerapan, untuk itu pada waktu

pemasangan sel fotoakustik dilakukan pada garis laser dengan daya terbesar.

Pada penelitian kedua telah berhasil dilakukan pemasangan sel fotoakustik

dengan hasil seperti pada gambar 4.13, gambar 4.14 dan gambar 4.15.

Gambar 4.13 merupakan grafik hubungan antara daya laser terhadap

posisi steppermotor. Pada gambar hanya tampak garis-garis laser pada band 3

dan 4 saja. Hal ini dikarenakan pada waktu pemasangan sel fotoakustik terdapat

beberapa daya laser yang memiliki daya laser rendah. Selain itu pada waktu

pemasangan, posisi steppermotor ditempatkan pada posisi garis laser yang

memiliki daya tertinggi yang terletak pada band 4. Sehingga membuat band 1

dan band 2 tidak tampak.

Sel fotoakustik menghasilkan sinyal akustik yang terlihat pada gambar

4.14. Sinyal tersebut kemudian dinormalisir terhadap daya laser, yang kemudian

digunakan untuk mengukur konsentrasi gas. Normalisasi dilakukan karena pada

masing-masing garis laser memiliki besar daya yang berbeda. Dengan

melakukan normalisasi sinyal terhadap daya laser, dapat mengatasi kestabilan

daya selama detektor fotoakustik beroperasi.

Dari perumusan dasar teori dipaparkan bahwa salah satu faktor yang

mampengaruhi sinyal akustik adalah daya laser. Terlihat pada gambar 4.12 dan

Gambar

Tabel A hubungan daya terhadap piezo pada posisi steppermotor tertentu...........58
Gambar 4.17 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi
Gambar 2.3 pancaran spontan
Gambar 2.4 Pancaran Terangsang
+7

Referensi

Dokumen terkait

Analis Laporan Hasil Pemeriksaan Ahli Muda 9.. Analis Laporan Hasil Pemeriksaan Ahli Pertama

(1) Tarif pemeriksaan umum terhadap pelayanan tindakan medik dikenakan tarif pelayanan yang diwujudkan dalam bentuk karcis harian atau yang dipersamakan, meliputi jasa

Teknik membaca cerita dapat menimbulkan rasa senang pada anak terhadap cerita sehingga anak dapat menjadi pengguna bahasa yang baik dan lebih memahami makna (Gallets, 2005).

Dalam skripsi ini yang menjadi masalah utama adalah “Bagaimana dampak dari kebijakan Undang-Undang Agraria 1870 terhadap perkembangan perkebunan teh di Bandung Selatan?”..

Masalah yang mungkin terjadi dengan mengatur bahwa setiap proses hanya dapat memiliki satu proses adalah bahwa tidak semua proses hanya membutuhkan satu

Dari kerusakan gedung akibat gempa Meksiko dapat dipelajari bahwa gedung bertingkat telah mengalami pullout, gedung tercabut dari fundasinya, karena beban mati

Saran yang dapat penulis sampaikan, Pertama untuk bisa melindungi hak- hak konsumen hendaknya perlu adanya suatu regulasi yang dapat mengcover kerugian yang ditimbulkan

Penelitian ini juga diharapkan dapat membantu investor untuk memahami manfaat pengukuran modal intelektual sebagai dasar pengambilan keputusan, dan memberikan informasi bagi