viii ABSTRAK
OPTIMALISASI LASER CO2 TIPE SEMI SEALED-OFF DENGAN MENGATUR ARUS LISTRIK MASUKANNYA PADA
KOMPOSISI CAMPURAN GAS YANG OPTIMUM
ix ABSTRACT
OPTIMALIZATION OF THE SEMI SEALED-OFF TYPE CO2 LASER BY SETTING ITS ELECTRIC CURRENT INPUT INTO THE
OPTIMUM COMPOSITION OF MIXING GAS
OPTIMALISASI LASER CO2 TIPE SEMI SEALED-OFF DENGAN MENGATUR ARUS LISTRIK MASUKANNYA PADA
KOMPOSISI CAMPURAN GAS YANG OPTIMUM
Skripsi
Diajukan untuk memenuhi persyaratan Memperoleh gelar sarjana sains program studi fisika
Oleh :
Fransiscus Asisi Oktora Dwi Haryanto 053214004
PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
OPTIMALIZATION OF THE SEMI SEALED-OFF TYPE CO2 LASER BY SETTING ITS ELECTRIC CURRENT INPUT INTO
THE OPTIMUM COMPOSITION OF MIXING GAS
Skripsi
Percented as Partial Fullfillment of the Requirement to Obtain the Sarjana Sains Degree in Physics
By :
Fransiscus Asisi Oktora Dwi Haryanto 053214004
PHYSICS STUDY PROGRAM PHYSICS DEPARTEMENT FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
v
HALAMAN PERSEMBAHAN
Skripsi ini saya persembahkan kepada
Tuhan Yesus Kristus yang telah memberikan hidup dan kebahagiaan bagiku
Bapak saya Ignatius Sukardiyo dan ibu saya Yustina Tri Suharni yang telah membesarkan dan memberikan kasih sayang yang tiada akhirnya
kepada saya
Mba Ika dan Fendy yang saya kasihi dan sayangi
Anastasia Murgiati yang telah memberikan cinta dan kasihnya. Kamu adalah semangat dan inspirasiku untuk menyelesaikan skripsi ini.
JADILAH ORANG YANG BERARTI BAGI ORANG
vi
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi yang saya tulis ini tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.
Yogyakarta, 25 November 2009
vii
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN
PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :
Nama : Fransiscus Asisi Oktora Dwi Haryanto NIM : 053214004
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :
“Optimalisasi Laser CO2 Dengan Mengatur Arus Listrik Masukannya Pada Komposisi Campuran Gas yang Optimum”
Dengan demikian saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikannya secara terbatas dan mempublikasikannya di internet atau media lain tanpa meminta ijin dari saya demi kepentingan akademis tanpa perlu meminta persetujuan dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di Yogyakarta
Pada tanggal, 25 November 2009 Yang menyatakan
viii ABSTRAK
OPTIMALISASI LASER CO2 TIPE SEMI SEALED-OFF DENGAN MENGATUR ARUS LISTRIK MASUKANNYA PADA
KOMPOSISI CAMPURAN GAS YANG OPTIMUM
ix ABSTRACT
OPTIMALIZATION OF THE SEMI SEALED-OFF TYPE CO2 LASER BY SETTING ITS ELECTRIC CURRENT INPUT INTO THE
OPTIMUM COMPOSITION OF MIXING GAS
x
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas rahmat dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “OPTIMALISASI LASER CO2 DENGAN MENGATUR ARUS LISTRIK MASUKANNYA PADA KOMPOSISI CAMPURAN GAS YANG OPTIMUM” sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana sains pada Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Penulis menyadari bahwa tanpa adanya bantuan dan dukungan dari berbagai pihak, skripsi ini tidak dapat terselesaikan dengan baik. Oleh karena itu, secara khusus penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :
1. Ibu Ir. Sri Agustini Sulandari, M.Si. selaku dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah membimbing dan meluangkan waktunya untuk membimbing penulis dari awal hingga akhir penulisan skripsi ini. 2. Dr. Ign. Edi Santosa M.S, selaku dosen pembimbing akademik.
3. Pengurus Laboratorium Fotoakustik Universitas Gadjah Mada Yogyakarta.
4. Dwi Nugraheni Rositawati, M.Si. dan Drs. Domi Severinus, M.Si. yang telah berkenan meluangkan waktu untuk menguji penulis serta memberikan masukan yang sangat berharga bagi penulis.
xi
6. Bapak saya Ignatius Sukardiyo dan ibu saya Yustina Tri Suharni yang telah mencurahkan segala kasih sayangnya yang tidak habis-habisnya. 7. Christina Natalia Ika dan Damianus Fendy yang telah memberikan
dukungan dan semangat.
8. Anastasya Murgiati yang telah memberikan semangat dan inspirasi untuk menyelesaikan skripsi ini.
9. Fransiska Yeni Anggarini, Laurensia Trimeta Platini dan Lulu Qiuntriani Jisura yang telah berjuang bersama kurang lebih empat tahun ini.
10.Salvinus Budin, Andreas Amun Andropo dan Petrus Bangun Cahyanto atas pinjaman computer dan printernya.
11.Basilius Herdiyanto dan Martinus Radityo Adi atas bantuan penulisan akhir.
12.Semua pihak yang tidak dapat dikatakan satu persatu atas doa dan dukungannya selama ini.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih banyak kekurangan. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan memberikan sedikit sumbangan bagi ilmu pengetahuan.
xii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN JUDUL BAHASA INGGRIS ii
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING iii
HALAMAN PENGESAHAN iv
HALAMAN PERSEMBAHAN v
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA vi
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI vii
ABSTRAK viii
ABSTRACT ix
KATA PENGANTAR x
DAFTAR ISI xii
BAB I. PENDAHULUAN 1
A. Latar Belakang 1
B. Rumusan Masalah 3
C. Pembatasan Masalah 3
D. Tujuan Penelitian 4
xiii
BAB II. DASAR TEORI 5
A. Teori Laser 5
A.1. Pengertian laser 5
A.2. Serapan, pancaran spontan dan pancaran terstimulasi 6
A.3. Proses pemompaan 10
A.4. Resonator 17
B. Laser CO2 23
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN 31
A. Bahan Penelitian 31
B. Tempat Penelitian 31
C. Deskripsi Alat Penelitian 31
D. Cara Kerja Penelitian 35
D.1. Pembangunan laser CO2 35
D.2. Pelurusan Optik (alignment) 38
D.3. Pengisian Campuran Gas 39
D.4. Optimalisasi Daya Laser CO2 40
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 41
A. Hasil 41
B. Pembahasan 44
B.1. Pembangunan laser CO2 44
B.2. Pencarian daya laser CO2 46
xiv
BAB V. PENUTUP 48
A. Kesimpulan 48
B. Saran 49
DAFTAR PUSTAKA 50
1
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation, yang artinya penguatan cahaya oleh pancaran radiasi terangsang. Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik
dengan intensitas yang besar dan memancar pada satu arah. Laser bekerja
pada spektrum infra merah sampai ultra ungu.
Pada tahun 1917, Albert Einstein mengemukakan teori tentang transisi
antar dua tingkat energi suatu elektron pada atom yang melibatkan radiasi
elektromagnetik. Teori tentang transisi antar dua tingkat energi suatu elektron
pada atom tersebutlah yang menjadi dasar bagi para ilmuan dalam
menemukan laser. Pada tahun 1960 telah dikembangkan laser untuk pertama
kali, yaitu laser Rubi terpulsa (λ = 6943 Å) dan laser gas Helium-Neon
(λ = 6328 Å). Sejak saat itu sampai sekarang laser terus berkembang.
Ada banyak jenis laser diantaranya laser zat padat, laser zat cair dan
laser gas. Tiap jenis laser ini memiliki karakteristiknya masing – masing.
Laser yang akhir-akhir ini masih banyak dikembangkan adalah laser gas
karbon dioksida (CO2), karena laser ini bekerja pada panjang gelombang
9 nm – 11 nm yang merupakan panjang gelombang dari gas-gas yang banyak
diteliti. Laser CO2 termasuk dalam jenis laser gas. Laser ini menggunakan
2
Ada 2 jenis laser CO2, yaitu sistem mengalir (flowing system) dan
sistem tertutup (sealed-off). Perbedaan antara kedua jenis laser tersebut berada
pada sistem pengisian gasnya. Pada sistem mengalir, gas dialirkan
terus-menerus secara kontinyu ke tabung lucutan. Sedangkan pada sistem tertutup,
gas hanya diisikan satu kali ke dalam tabung lucutan.
Keunggulan menggunakan laser CO2 jenis sistem tertutup
dibandingkan menggunakan jenis sistem mengalir :
1. Kebutuhan gas kecil
2. Biaya operasi kecil
3. Peralatan yang digunakan lebih ringkas sehingga lebih mudah dipindahkan
Beberapa contoh penggunaan laser CO2 sistem tertutup antara lain
untuk operasi bedah, menghilangkan bekas luka di wajah, memotong logam,
pembangkit gelombang kejut plasma dan spektroskopi fotoakustik. Laser CO2
yang akan dibangun pada penelitian ini, nantinya akan digunakan pada
spektroskopi fotoakustik. Pada spektroskopi fotoakustik diperlukan daya laser
yang besar dan stabil. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dibangun laser
dengan daya yang besar dan stabil. Beberapa cara dapat digunakan untuk
membuat daya keluaran pada laser CO2 menjadi besar dan stabil, yaitu dengan
cara mengatur komposisi dari campuran gas yang digunakan pada laser atau
Sebelumnya telah dilakukan optimalisasi daya laser CO2 dengan
mengatur komposisi dari campuran gas yang dilakukan oleh orang lain.
Dengan mengambil keuntungan dari penelitian tersebut, peneliti ingin
melakukan penelitian yang lebih dalam untuk optimalisasi daya laser CO2
dengan mengatur arus listrik masukannya pada komposisi campuran gas yang
optimum.
B. Rumusan Masalah
Permasalahan yang akan dibahas dalam penelitian adalah
1. Bagaimana membangun laser CO2 tipe semi sealed-off.
2. Bagaimana mengoptimalkan daya laser CO2 tipe semi
sealed-off dengan mengatur arus listrik masukannya.
C. Pembatasan Masalah
Masalah optimalisasi laser CO2 tipe semi sealed-off dalam penelitian
ini hanya dibatasi pada rancang bangun laser CO2 tipe semi sealed-off yang
4
D. Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk
1. membangun laser CO2 tipe semi sealed-off.
2. Menentukan besar arus listrik masukan yang dapat
menghasilkan daya keluaran laser CO2 tipe semi sealed-off
yang besar dan stabil.
E. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah
1. Dapat diperoleh nilai arus listrik masukan yang dapat
menghasilkan daya keluaran laser CO2 tipe semi sealed-off
yang besar dan stabil.
2. Sumbangan untuk ilmu pengetahuan dan teknologi terutama
5 BAB II
DASAR TEORI
A. Teori Laser
A.1. Pengertian laser
Laser terdiri dari bahan aktif yang terdapat di dalam sebuah
resonator yang diberi tegangan. Saat elektron dari bahan aktif yang
berada di aras energi atas (eksitasi) ditumbuk foton yang memiliki
energi sama dengan perbedaan aras energi, akan terjadi proses
pancaran terstimulasi sehingga dihasilkan foton. Agar elektron dari
bahan aktif dapat naik ke aras energi atas, diperlukan proses
pemompaan. Foton yang dihasilkan tersebut akan menumbuk
elektron lain sehingga akan terjadi proses pancaran terstimulasi lain
dan dihasilkan foton kembali. Foton-foton tersebut dipantulkan
bolak balik oleh resonator. Resonator yang digunakan terdiri dari
sebuah cermin yang memantulkan cahaya dan sebuah cermin yang
dapat meneruskan dan memantulkan sebagian cahaya, sehingga
akan didapatkan berkas cahaya laser yang keluar dari resonator.
Berkas cahaya inilah yang digunakan pada spektroskopi
6
A.2. Serapan, pancaran spontan dan pancaran terstimulasi
Sebelum tahun 1917, hanya dikenal dua kemungkinan
dalam transisi antar dua aras energi suatu elektron pada atom yang
melibatkan radiasi elektromagnetik yaitu serapan (absorbsi) dan
pancaran spontan (emisi spontan). Serapan terjadi saat elektron
yang berada pada aras energi yang lebih rendah E1 ditumbuk
seberkas foton dengan energi sebesar perbedaan aras energi,
elektron dapat naik ke aras energi yang lebih tinggi E2 (Gambar 1).
Sedangkan pancaran spontan (emisi spontan) terjadi saat elektron
yang berada pada aras energi yang lebih tinggi E2, elektron akan
turun ke aras energi yang lebih rendah dengan memancarkan foton
(Gambar 2).
Pada tahun 1917, Einstein mengemukakan kemungkinan
yang ketiga dalam transisi antar dua aras energi suatu elektron pada
atom yang melibatkan radiasi elektromagnetik yaitu pancaran
terstimulasi (emisi terstimulasi). pancaran terstimulasi terjadi saat
elektron yang berada pada aras energi yang lebih tinggi E2
ditumbuk seberkas foton dengan energi sebesar perbedaan aras
energi, elektron akan turun ke aras energi yang lebih rendah. Saat
terjadinya peristiwa ini, atom tersebut akan memancarkan energi
a. Serapan
Diasumsikan bahwa atom berada pada aras energi E1.
Seberkas foton datang ke atom dengan frekuensi v. Atom
memerlukan energi sebesar E2 – E1 untuk naik ke aras energi E2
yang diperoleh dari energi foton yang datang. Jadi, energi dari
foton harus sama dengan perbedaan aras energi.
... (2.1)
Didefinisikan tingkat serapan W12 dengan persamaan
... (2.2)
dimana adalah kecepatan perpindahan atom, N1 adalah jumlah
atomnya (per satuan volume), pada saat tertentu dan berada di aras
energi E1. Lebih lanjut dapat ditulis
... (2.3)
8
b. Pancaran spontan
Atom dari suatu bahan mula-mula berada di aras energi E2.
Karena E2>E1, atom cenderung untuk berpindah ke aras energi E1,
dengan memancarkan foton yang memiliki energi sebesar E2-E1.
Frekuensi v dari gelombang yang diradiasikan diberikan oleh
persamaan
... (2.4)
dimana h adalah konstanta planck.
Saat waktu t, terdapat N2 atom (per satuan volume) pada
aras energi E2. Kecepatan perpindahan atom sebagai hasil Pancaran
spontan , sebanding dengan N2. Dapat ditulis
... (2.5)
tetapan A disebut probabilitas pancaran spontan atau tetapan
Einstein. Jumlah disebut waktu hidup pancaran spontan.
Nilai A dan bergantung pada transisi partikel yang terlibat.
c. Pancaran terstimulasi
Atom dari suatu bahan mula-mula berada di aras energi E2.
Seberkas foton datang ke atom dengan frekuensi v (diberikan oleh
dengan perbedaan aras energi, atom dapat berpindah dari aras
energi E2 ke aras energi E1. Saat berpindah, atom akan
memancarkan foton dengan energi sebesar E2-E1. Foton yang
memancar dari atom menambah jumlah foton yang sefase dari
foton yang datang.
kecepatan perpindahan atom sebagai hasil pancaran
terstimulasi dituliskan :
... (2.6)
dimana W21 disebut probabilitas transmisi terstimulasi. Koefisien
W21 memiliki dimensi (T)-1. W21 bergantung pada perpindahan
partikel dan intensitas foton yang datang. Untuk sebuah bidang
foton :
... (2.7)
dimana F adalah fluks foton dari gelombang yang datang dan
adalah tampang lintang pancaran terstimulasi.
Nilai . Terlihat bahwa probabilitas pancaran
terstimulasi sama dengan probabilitas serapan. dapat ditulis
10
A.3. Proses pemompaan
Saat pada aras dasar lebih banyak populasinya dari pada
aras atas, akan lebih dominan terjadi absorbsi dari pada emisi
terstimulasi. Jika ada gelombang datang, akan menghasilkan lebih
banyak transisi dari 1 ke 2 dari pada dari 2 ke 1 dan diharapkan
akan terjadi inversi populasi. Tetapi pada kenyataannya hal tersebut
tidak terjadi.
Agar terjadi inversi populasi dibutuhkan tiga atau empat
tingkat laser. Pada sistem tiga tingkat (Gambar 4), atom-atom akan
naik dari aras dasar ke level 3. Lalu atom-atom akan meluruh
dengan cepat ke level 2, dengan cara ini inversi populasi dapat
diperoleh antara level 2 dan 1.
Gambar 4. Laser sistem tiga tingkat
Pada sistem empat tingkat (Gambar 5), atom-atom akan
naik dari aras dasar ke level 3. Jika atom-atom meluruh dengan
cepat ke level 2, maka inversi populasi dapat diperoleh antara level
dikirim ke level 1 (karena emisi terstimulasi). Untuk gelombang
kontinyu diperlukan sistem laser empat tingkat. Perpindahan dari
level 1 ke aras dasar akan terjadi sangat cepat.
Gambar 5. Laser sistem empat tingkat
Inversi populasi lebih mudah dihasilkan pada sistem empat
tingkat dari pada sistem tiga tingkat. Perbedaan tenaga antar tingkat
lebih besar dari kT.
Proses dimana atom naik dari level 1 ke level 3 pada sistem
tiga tingkat atau dari level 0 ke level 3 pada sistem empat tingkat
disebut proses pemompaan. Terdapat beberapa cara dimana proses
ini dapat dicapai, contohnya dengan beberapa jenis lampu dengan
intensitas yang cukup atau dengan lucutan listrik pada medium
aktif. Jika level pemompaan yang lebih tinggi kosong, laju
perubahan populasi di tingkat atas karena pemompaan ,
dapat ditulis sebagai
12
dimana Ng adalah populasi di aras dasar, Wp adalah sebuah
koefisien yang disebut tingkat pemompaan. Untuk mencapai
kondisi ambang, tingkat pemompaan harus mencapai ambang
batas.
Terdapat dua jenis proses pemompaan, yaitu pemompaan
optis dan pemompaan elektrik. Pada penelitian ini digunakan
proses pemompaan elektrik.
a. Pemompaan optis
Pada pemompaan optis cahaya dari sumber cahaya
diserap oleh bahan aktif dan atom-atom dari bahan aktif akan
naik ke tingkat yang lebih tinggi. Metode ini biasa digunakan
pada laser zat padat dan laser cair.
b. Pemompaan elektrik
Pada pemompaan elektrik digunakan alat yang
memiliki lucutan listrik dengan intensitas yang cukup. Metode
ini biasa digunakan pada laser gas dan semikonduktor.
Pemompaan optis
Cahaya dari lampu tidak koheren yang kuat dipancarkan
dengan sistem optik yang sesuai menuju bahan aktif. Terdapat tiga
Gambar 6. Susunan koil
Gambar 7. Susunan silinder elips
Gambar 8. Susunan pasangan tertutup
Bahan aktif berada dalam tangki silinder. Laser dapat
dioperasikan dalam bentuk pulsa atau gelombang kontinyu
tergantung pada pancaran lampu. Cahaya dari lampu langsung
mengenai bahan aktif atau setelah pemantulan dari cermin
14
yang mengelilingi tangki bahan aktif, sehingga cahaya dari lampu
pasti akan mengenai tangki bahan aktif. Pada susunan silinder elips
(Gambar 7), lampu diletakan pada salah satu titik fokus F1 dan
tangki bahan aktif diletakan pada titik fokus kedua F2. Cahaya dari
lampu yang berada di titik fokus F1 menuju cermin pemantul dan
dipantulkan menuju tangki bahan aktif yang berada di titik fokus
kedua F2. Artinya sebagian besar cahaya yang dipancarkan lampu
dikirimkan ke bahan aktif melalui pemantulan dari cermin
pemantul. Pada susunan pasangan tertutup (Gambar 8), lampu dan
tangki yang berisi bahan aktif diletakkan sedekat mungkin dan
diselubungi oleh cermin pemantul. Efisiensi susunan pasangan
tertutup tidak lebih kecil dari susunan silinder elips. Cermin
pemantul dibuat dari bahan yang dapat memantulkan menyebar
seperti MgO yang dimampatkan, serbuk BaSO4 atau keramik putih.
Pemompaan elektrik
Pemompaan elektrik dari laser gas dapat dicapai dengan
melewatkan arus pada campuran gas. Arus dapat melewati gas
dengan dua cara, yaitu melalui lucutan transversal atau lucutan
longitudinal. Pada lucutan longitudinal (Gambar 9), elektrodanya
memiliki struktur melingkar dengan permukaan katoda lebih besar
tumbukan ion. Lucutan longitudinal hanya digunakan pada laser
gelombang kontinyu.
Gambar 9. Susunan elektroda pada lucutan longitudinal
Pada lucutan transversal (Gambar 10), elektroda
diperpanjang sampai melebihi panjang bahan laser. Lucutan
transversal dapat digunakan pada laser gelombang kontinyu, laser
pulsa atau laser frekuensi radio. Elektroda pada lucutan transversal
ukurannya lebih kecil dari pada lucutan longitudinal.
16
Pada campuran gas yang sama, tegangan yang dibutuhkan
pada susunan tranversal lebih kecil dari pada susunan longitudinal.
Susunan longitudinal diletakkan di dalam tabung dielektrik (kaca)
akan menghasilkan pemompaan yang lebih stabil.
Lucutan listrik yang menumbuk atom akan mengionisasi
ion tersebut sehingga dihasilkan ion dan elektron bebas. Elektron
bebas tersebut akan bergerak dan menumbuk atom bebas, sehingga
atom bebas tersebut akan tereksitasi. Pemompaan elektrik dari gas
biasanya terjadi mengikuti satu atau keduanya dari dua proses
berikut:
1. Pada gas yang terdiri dari satu jenis, eksitasi hanya dihasilkan
melalui tumbukan elektron.
... (2.9)
dimana X dan X* adalah atom pada aras dasar dan pada aras
eksitasi. Proses ini disebut tumbukan jenis pertama.
2. Pada gas yang terdiri dari dua jenis (misalkan A dan B),
eksitasi dapat terjadi karena hasil dari tumbukan antara atom
dari jenis yang berbeda melalui proses transfer energi.
Dimisalkan B berada di aras dasar dan A berada di aras
eksitasi yang disebabkan oleh tumbukan elektron. Perbedaan
energi antara dua aras energi kurang dari kT. Jika A tereksitasi
tumbukan tersebut, A akan memberikan energi kepada B
(transfer energi), sehingga B akan naik ke aras eksitasi. Proses
ini disebut tumbukan jenis kedua.
∆ ... (2.10)
Gambar 11. Tumbukan jenis kedua
A.4. Resonator
Sebuah amplifier dapat menjadi osilator jika terjadi
pembalikan. Hal tersebut dapat dicapai dengan menempatkan
tabung laser pada suatu resonator yang terdiri dari dua cermin.
Pada tabung laser akan terjadi emisi terstimulasi dan akan
dihasilkan lebih banyak foton. Intensitas sinar membesar
dikarenakan proses pemantulan bolak-balik melalui medium laser.
Untuk mendukung aksi laser, proses pemompaan harus terjadi
18
Agar didapatkan suatu berkas cahaya keluaran, salah satu
cermin dibuat agar dapat memantulkan sebagian berkas cahaya dan
dapat meneruskan sebagian yang lain. Dari sini akan didapatkan
berkas laser keluaran. Berkas laser yang keluar tidak semuanya
berada pada jalurnya. Dengan menggunakan lapisan dielektrik
ganda, dapat dijaga agar berkas laser yang berada di luar jalur
dibawah 1%.
Gambar 12. Skema resonator
Karena sifat koheren dari laser, cahaya laser dapat
dipancarkan sebagai berkas yang paralel. Penyebaran cahaya
merupakan pengaruh yang terjadi pada difraksi. Radiasi di dalam
fase dengan amplitudo yang sama pada suatu celah lingkaran
dengan diameter d, sudut θ antara pusat pola difraksi dan lingkaran
interferensi gelap pertama diberikan oleh
, ... (2.11)
Berkas cahaya dengan nilai d yang lebih besar mungkin
memfokuskan suatu berkas cahaya paralel, diameter yang sangat
kecil dapat diperoleh.
Tingkat polarisasi linear yang sangat tinggi dapat diperoleh
pada laser dengan kerugian yang rendah pada arah osilasi dan
kerugian yang besar pada arah yang tegak lurus. Pada laser dengan
gas sebagai medium aktifnya, hal tersebut dapat dicapai dengan
menempatkan sebuah jendela pada tabung gas dengan konfigurasi
sudut Brewster. Sudut Brewster adalah sudut dimana sinar datang
dipantulkan secara spekuler menjadi terpolarisasi linear. Sudut
Brewster dapat ditentukan dengan persamaan berikut
tan ... (2.12)
Dimana θ = sudut Brewster
n1 = indeks bias medium 1
n2 = indeks bias medium 2
Suatu mode osilasi yang stabil dapat dicapai di dalam
resonator, jika terdapat interferensi konstruktif tetap. Hal tersebut
terjadi jika suatu tetapan dikalikan separuh panjang gelombang
sama dengan panjang lintasan optis rongga. Maka diperoleh mode
separasi Δv
∆
20
Rongga laser adalah resonator dengan jangkauan spektrum
yang diberikan oleh persamaan (2.13). Jika panjang rongga 1 m,
maka mode separasi (∆ ) 150 MHz.
Jenis – jenis resonator :
a. Plane Parallel Resonator
Gambar 13. Plane parallel resonator
Terdiri dari dua buah cermin datar yang dipasang sejajar
satu sama lain.
b. Concentric or spherical resonator
Gambar 14. Concertic resonator
Terdiri dari dua buah cermin cekung yang berjari-jari sama
dan berjarak L dengan titik pusat kelengkungan kedua cermin
c. Confocal resonator
Gambar 15. Confocal resonator
Terdiri dari dua buah cermin cekung yang berjari-jari sama
dan berjarak L dengan titik fokus kedua cermin terletak pada titik
yang sama. Sehingga:
d. Resonator yang menggunakan kombinasi cermin datar dan
lengkung
Contoh :
22
Gambar 17. Hemispherical resonator
Pada penelitian ini digunakan resonator planeparallel.
Mode dari resonator ini dapat dianggap sebagai superposisi dari
perambatan dua gelombang elektromagnetik datar dalam arah yang
berlawanan sepanjang sumbu rongga. Frekuensi resonansi
dihasilkan jika panjang rongga L sebesar bilangan bulat dari
setengah panjang gelombang ( ), dimana n adalah bilangan
bulat positif. Kondisi tersebut dibutuhkan agar medan elektrik dari
gelombang berdiri elektromagnetik menjadi nol pada kedua cermin.
Frekuensi resonansi diberikan oleh
B. Laser CO2
Laser CO2 ditemukan oleh Patel. Laser ini menggunakan
campuran gas CO2, N2 dan He. Laser CO2 merupakan laser dengan daya
dan efisiensi yang besar (daya laser mencapai 80 kW dan efisiensi laser
mencapai 15%-20%).
Terdapat tiga mode dasar dari vibrasi molekul CO2, yaitu :
a. Mode tarikan simetris
Gambar 18. Mode tarikan simetris
Frekuensi dasar dari mode tarikan simetris v1 = 1337 cm-1
b. Mode bengkok
Gambar 19. Mode bengkok
24
c. Mode tarikan asimetris
Gambar 20. Mode tarikan asimetris
Frekuensi dasar dari mode tarikan asimetris v3 = 2349 cm-1
Getaran dari ketiga mode di atas, digambarkan dengan tiga
bilangan kuantum n1, n2 dan n3 yang menunjukkan banyaknya kuanta
pada setiap mode vibrasi. Tingkat laser ditunjukkan oleh tiga bilangan
kuantum ini, yang ditulis dengan urutan n1, n2, n3.
Satuan frekuensi mode dasar dari vibrasi molekul CO2 diatas
adalah cm-1. Sebenarnya satuan tersebut bukan merupakan satuan dari
frekuensi tetapi satuan dari frekuensi per kecepatan cahaya.
Dikarenakan kecepatan cahaya merupakan tetapan, maka dapat
dianggap bahwa satuan tersebut merupakan satuan dari frekuensi.
λ
Skema berikut ini menunjukan tingkat energi vibrasi molekul CO2
dan N2
Gambar 21. Skema tingkat energi vibrasi molekul CO2 dan N2
Molekul CO2 tereksitasi dari aras dasar (0000) ke aras eksitasi
(0001). Untuk mencapai aras eksitasi ini, molekul CO2 dibantu oleh
molekul-molekul nitrogen. Perbedaan energi antara aras energi atas
CO2 (0001) dengan aras energi atas Nitrogen sangat kecil, yaitu ΔE = 18
cm-1. Dikarenakan perbedaan energi yang sangat kecil tersebut, pada saat
nitrogen menumbuk CO2 energi dari nitrogen akan dipindahkan ke
molekul CO2, sehingga CO2 akan naik ke aras eksitasi. Perpindahan
nitrogen dari aras dasar ke aras eksitasi disebabkan oleh tumbukan
26
Inversi populasi yang terjadi dari aras 0001 ke aras 0200 akan
mengarah ke osilasi laser dengan panjang gelombang 9,6 µm dan dari aras
0001 ke aras 1000 akan mengarah ke osilasi laser dengan panjang
gelombang 10,6 µm.
Satuan energi pada Skema tingkat energi vibrasi molekul CO2
dan N2 adalah cm-1. Sebenarnya satuan tersebut bukan merupakan
satuan dari energi tetapi satuan dari energi per tetapan planck dikalikan
kecepatan cahaya. Dikarenakan tetapan planck dan kecepatan cahaya
merupakan tetapan, maka dapat dianggap bahwa satuan tersebut
merupakan satuan dari energi.
λ
λ ... (2.16)
Untuk menunjukkan peranan dari He dan N2, dimisalkan laser CO2
dengan tekanan parsial
CO2 (1,5 Torr), N2 (1,5 Torr) dan He (12 Torr)
Waktu peluruhan dari aras atas diperoleh dari
∑ ... (2.17)
dimana pi adalah tekanan parsial dan ai adalah tetapan karakteristik gas di
dalam lucutan.
Transisi di aras atas terjadi sangat cepat. Aras 1000, 0200 dan 0110
dapat mencapai keseimbangan thermal dapat dicapai dalam waktu yang
singkat. Peluruhan dari aras 0110 ke aras dasar 0000 terjadi secara lambat,
sehingga akan terjadi pengumpulan molekul pada aras 0110 selama aksi
laser terjadi. Selanjutnya akan terjadi pengumpulan molekul pada aras
1000 dan 0200 dikarenakan terjadi keseimbangan thermal dengan aras
0110. Hal tersebut tidak diinginkan karena akan menghambat aksi laser.
Pada transisi dari aras 0110 ke aras 0000 terjadi paling sedikit
transisi yang aktif dari setiap molekul pada lucutan, sehingga relaksasi dari
aras 0110 hanya dapat terjadi melalui proses transfer energi pada
tumbukan. Pada penelitian ini energi ditransfer ke Helium. Tetapan ai pada
He lebih besar dari pada atom lain, sehingga masa hidupnya lebih kecil.
Pada contoh diatas masa hidupnya sebesar 20 µs, yang merupakan masa
hidup pada aras bawah laser. Dikarenakan nilai masa hidup pada aras atas
laser (0,4 ms) lebih besar dari masa hidup pada aras bawah laser (20 µs),
populasi akan berkumpul di aras atas laser, sehingga kondisi untuk
terjadinya aksi laser terpenuhi. He memiliki konduktifitas panas yang
28
keluar. Hal tersebut berfungsi untuk menghindari populasi pada aras
bawah laser dari proses eksitasi yang dikarenakan panas.
Jadi, N2 berfungsi untuk membantu proses pemompaan, sedangkan
He berfungsi untuk mengurangi populasi pada aras bawah laser.
Jenis – jenis laser CO2
1. Laser jenis mengalir
a. Laser dengan aliran gas yang lambat
Laser dengan aliran gas yang lambat merupakan laser CO2
pertama. Campuran gas dengan lambat mengalir sepanjang tabung
laser untuk menghilangkan hasil penguraian, khususnya CO,
karena akan mencemari laser. Tabung laser terbuat dari kaca
dengan pendingin eksternal berupa air. Keterbatasan dari laser ini
adalah daya keluaran maksimum laser tiap satuan panjang 50 – 60
W/m. Laser CO2 jenis ini digunakan untuk laser bedah, untuk
memotong pelat keramik pada industri elektronik dan untuk
pengelasan pelat logam tipis (<1mm).
b. Laser dengan aliran gas yang cepat
Untuk mengatasi keterbatasan pada laser dengan aliran gas
yang lambat, pada jenis laser ini, campuran gas mengalir dengan
kecepatan yang tinggi (sekitar 50 m/s). Daya keluaran pada laser
Laser CO2 jenis ini digunakan untuk memotong logam (dengan
ketebalan beberapa milimeter).
2. Laser jenis tertutup
Pada laser jenis tertutup, gas tidak dimasukan terus menerus
selama terjadi aksi laser, tetapi gas hanya dimasukan sekali ke dalam
tabung laser hingga penuh lalu tabung laser ditutup. Jadi, gas tidak
dialirkan terus-menerus. Karena gas di dalam tabung laser tidak
mengalir, hasil dari reaksi kimia yang berupa CO tidak dapat
dikeluarkan. Jika di dalam tabung laser terdapat CO, aksi laser akan
terhenti. Untuk mengatasi hal tersebut, diperlukan sebuah katalis yang
berfungsi untuk menghasilkan CO2 dari CO. Katalis yang digunakan
misalnya berupa H2O. Reaksi kimia yang terjadi :
CO OH CO H ... (2.18)
H2O yang dibutuhkan dapat dimasukan dalam bentuk gas hidrogen
dan oksigen. Karena oksigen diproduksi selama pemisahan CO2, jadi
hanya hidrogen yang perlu ditambahkan. Cara lain yang dapat
digunakan adalah dengan menggunakan katoda panas yang terbuat
dari Ni (3000C) sebagai katalis. Dengan menggunakan cara ini, waktu
hidup dari tabung dapat mencapai 10000 jam. Laser jenis tertutup
menghasilkan daya keluaran tiap satuan panjang sekitar 60 W/m.
Laser jenis tertutup digunakan untuk laser bedah, menghilangkan
30
Terdapat dua jenis laser tertutup, yaitu laser sealed-off dan
laser semi sealed-off. Pada laser sealed-off, gas pada tabung laser
sudah diisi dari pabrik dan tabung laser ditutup sehingga gas tersebut
tidak dapat dikeluarkan ataupun dimasukan. Jika waktu hidup dari
medium laser yang berupa gas tersebut sudah habis, maka medium
laser tersebut tidak dapat diganti. Sedangkan pada laser semi
sealed-off terdapat sebuah katup yang dapat dibuka dan ditutup pada tabung
laser, sehingga gas isian pada tabung laser dapat dikeluarkan ataupun
dimasukan sewaktu-waktu dan komposisi gas isian pada tabung laser
dapat ditentukan sesuai keinginan peneliti.
Pada penelitian ini dipakai laser CO2 jenis tertutup yang nantinya
akan digunakan sebagai sumber cahaya pada spektroskopi fotoakustik.
Keuntungan menggunakan laser CO2 jenis tertutup adalah :
1. Gas yang digunakan lebih efisien, karena gas tidak dialirkan
terus-menerus tetapi hanya dimasukan sekali.
31
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
A. Bahan Penelitian
Bahan yang digunakan dalam eksperimen adalah gas karbondioksida
(CO2), gas nitrogen (N2) dan gas helium (He).
B. Tempat Penelitian
Penelitian ini berlangsung di Laboratorium Fotoakustik Universitas
Gadjah Mada Yogyakarta.
C. Deskripsi Alat Penelitian
Alat-alat yang digunakan pada laser CO2 adalah
1. Laser He-Ne model Melles Griot dengan λ = 638,8 nm
Laser He-Ne yang digunakan mempunyai daya maksimum 1 mW.
Laser He-Ne ini digunakan untuk melakukan pelurusan optik (alignment).
Laser He-Ne mempunyai berkas cahaya tipis dan lurus. Kelebihan dari
laser He-Ne adalah bekerja pada panjang gelombang tampak.
2. Tabung lucutan laser CO2 tipe semi sealed-off
Tabung laser merupakan tempat terjadinya lucutan gas dan
pemompaan listrik untuk menghasilkan aksi laser. Laser yang digunakan
32
Pada tabung lucutan laser CO2 tipe semi sealed-off ini terdapat
sebuah katup sealed-off. Katup sealed-off ini berfungsi untuk membuka
dan menutup jalan masuk gas-gas bahan aktif laser. Tabung laser CO2
yang dipakai mempunyai diameter dalam 3 mm dan diameter luar 7 mm.
Pada kedua ujung tabung dipasang jendela (window) ZnSe dengan
konfigurasi sudut Brewster agas berkas laser terpolarisasi sempurna. Jarak
antara anoda dengan katoda adalah 200mm. Pada tabung laser CO2 yang
digunakan terdapat dua buah katoda sehingga panjang tabung laser adalah
400mm. Laser beroperasi dengan gas campuran He, N2, dan CO2 dengan
pelucutan DC pada tegangan 7-11kV dan arus 9-15 mA.
3. Motor undak (stepper motor) model ORIEL 18011
Motor undak (stepper motor) digunakan sebagai alat penggerak
kisi pemantul (gratting). Dengan menggerakkan gratting, dapat ditentukan
garis laser yang diinginkan. Penentuan garis laser berkaitan dengan gas
yang ingin dideteksi dalam spektroskopi fotoakustik. Misalnya untuk
mendeteksi gas etilen (C2H4), digunakan garis 10P14. Analisis spektrum
garis laser CO2 ini menggunakan alat CO2 Laser Spectrum Analyzer.
4. Power meter model OPHIR AN/2
Power meter adalah alat untuk mengukur keluaran daya. Power
meter OPHIR AN/2 memiliki kemampuan pengukuran daya maksimum 10
watt. Radiasi laser CO2 yang keluar dari cermin outcoupling diarahkan ke
34
dengan daya radiasi. Daya radiasi ini kemudian ditampilkan oleh power
meter sebagai daya laser yang terukur.
5. Flow meter model BROOKS 1355
Flow meter berfungsi untuk mengukur tekanan laju aliran gas.
Dalam pembuatan komposisi gas CO2, N2, dan He digunakan flow meter
untuk mengetahui tekanan setiap gas ke dalam tabung pencampur. Dengan
hal ini, dapat diketahui komposisi tekanan gas-gas tersebut di dalam
tabung pencampur.
6. Pengukur tekanan
Pengukur tekanan yang dipakai memiliki rentang tekanan
0-150 mBar. Sebelum sistem digunakan, sistem harus dalam keadaan
vakum. Pengukur tekanan berfungsi untuk mengukur tekanan pada sistem.
7. Catu daya tegangan tinggi model HCN 250-17000
Catu daya tegangan tinggi berfungsi untuk memberi tegangan DC
pada elektroda-elektroda tabung lucutan. Catu daya tegangan tinggi tipe
HCN 250-17000 ini, mempunyai rentang tegangan dari 0-15 kV dan
dengan rentang arus 0-20 mA.
8. Gratting (kisi)
Gratting berfungsi untuk mengatur panjang gelombang.
9. Cermin outcoupling
Cermin outcoupling berfungsi sebagai tempat keluarnya sinar laser.
10.Pompa air
11.Pompa vakum
Pompa vakum berfungsi untuk membuat tabung laser menjadi vakum.
D. Cara Kerja Penelitian
D.1. Pembangunan laser CO2
Tahap awal dalam penelitian ini adalah pembangunan laser CO2
tipe semi sealed-off. Laser CO2 tipe semi sealed-off terdiri dari 6 bagian, yaitu sebagai berikut :
a. Tabung lucutan
Aksi laser terjadi di tabung laser. Aksi laser meliputi
inversi populasi dan perbesaran intensitas. Pada bagian ini terdapat
tabung lucutan laser CO2 tipe semi sealed-off, gratting, dan cermin
outcoupling.
b. Pengaturan gas
Pada bagian ini terdapat tabung gas (CO2, N2 dan He),
tabung pencampur, pengukur tekanan dan flow meter. Gas CO2,
N2, dan He dialirkan dengan tekanan tertentu yang diatur dengan
menggunakan flow meter. Kemudian gas-gas tersebut dicampur
pada tabung pencampur. Untuk mengetahui tekanan total gas pada
tabung pencampur digunakan pengukur tekanan.
c. Catu daya tegangan tinggi
Pada eksperimen ini digunakan sistem pemompaan
36
populasi, digunakan catu daya tegangan tinggi. Catu daya tegangan
tinggi yang digunakan adalah tipe HCN 250-17000.
d. Pompa vakum
Berfungsi untuk memvakumkan sistem dan membuang gas
pada tabung pencampur. Bagian ini terdiri dari sebuah pompa
vakum yang dihubungkan dengan tabung lucutan dan bagian
pengaturan gas.
e. Pendingin
Pada bagian ini terdapat sebuah pompa air, yang mengatur
keluar-masuk air. Air ini dialirkan di sekeliling tabung lucutan
yang berfungsi untuk mempertahankan suhu pada tabung lucutan.
f. Pengukuran daya keluaran
Pada bagian ini terdapat power meter model OPHIR AN/2
yang berfungsi untuk mengukur keluaran daya laser.
Keenam bagian tersebut, dirangkai sedemikian sehingga sistem
benar-benar tertutup. Hal ini dapat diketahui dengan cara
menvakumkan sistem. Sistem dikatakan tertutup jika, pengukur tekanan
mendekati pada angka 0 mBar (hampa). Angka 0 mBar hampir tidak
mungkin didapatkan, oleh karena itu pada angka 3 atau 4 mBar dapat
dianggap sebagai tekanan hampa. Rangkaian alat lengkap sistem laser
38
D.2. Pelurusan Optik (alignment)
Agar daya laser keluar, harus dilakukan pelurusan optik
(alignment). Pelurusan optik ini dilakukan untuk meluruskan jalan
berkas laser di dalam resonator. Resonator yang digunakan dalam
sistem laser CO2 ini berupa gratting, tabung lucutan, dan cermin
outcoupling. Pada resonator, gratting dan cermin outcoupling berfungsi
sebagai pemantul. Sedangkan tabung lucutan sebagai tempat medium
aktif. Agar jalan berkas laser lurus, kedudukan antara gratting, cermin
outcoupling, dan tabung lucutan harus sejajar dalam satu garis lurus.
Pada penelitian ini pelurusan optik dilakukan dengan bantuan
laser He-Ne. Langkah-langkah dalam pelurusan optik, adalah sebagai
berikut :
1) Laser He-Ne diletakkan sedemikian rupa sehingga berkas
He-Ne melewati diafragma cermin outcoupling, dan berkas tepat
jatuh di tengah-tengah gratting.
2) Gratting diatur dengan memutar mikrometer sehingga seluruh
pantulan berkas laser He-Ne jatuh tepat di tengah-tengah lubang
diafragma cermin outcoupling.
3) Cermin outcoupling dipasang pada diafragma. Kemudian, pantulan
berkas laser He-Ne dari cermin outcoupling diluruskan dengan
memutar mikrometer diafragma sehingga kembali ke sumber laser
4) Setelah cermin outcoupling sejajar dengan gratting, tabung lucutan
diletakkan di tengah-tengah antara gratting dan cermin
outcoupling. Tabung lucutan diatur dengan memutar skrup
penyangga tabung sehingga berkas laser He-Ne tepat jatuh di
tengah-tengah jendela brewster yang ada di ujung-ujung tabung.
5) Jika daya belum muncul, maka dapat dipicu dengan menggerakkan
gratting atau cermin outcoupling. Jika daya tetap tidak muncul,
maka pelurusan optik diulangi dari langkah awal kembali.
D.3. Pengisian Campuran Gas
Proses ini terbagi menjadi 2 tahap, yaitu pembuatan campuran
gas dalam tangki pencampur dengan bantuan flow meter dan pengisian
campuran ke dalam tabung laser CO2.
Pembuatan campuran gas didahului dengan memvakumkan
seluruh sistem laser CO2. Setelah sistem vakum, katup keluaran gas
pada tabung pencampur ditutup. Kemudian alirkan gas CO2, N2 dan He
menuju ke tabung pencampur gas melalui flow meter. Flow meter
berfungsi untuk mengatur tekanan gas-gas tersebut. Atur tekanan dari
gas-gas tersebut dengan perbandingan He:N2:CO2 sebesar 30:10:40.
Perbandingan tekanan tersebut merupakan perbandingan tekanan yang
menghasilkan daya laser yang optimum. Setelah dicapai tekanan gas
40
tabung pencampur berisi campuran gas He, N2, CO2 dengan
perbandingan 30 : 10 : 40.
Pengisian gas campuran untuk laser CO2 semi sealed-off
dimulai dengan menvakumkan tabung lucutan. Pada saat proses
pemvakuman, katup keluar-masuk tabung pencampur ditutup dan katup
pada tabung lucutan dibuka. Setelah tabung lucutan vakum, pompa
vakum dimatikan, lalu tabung lucutan diisi dengan campuran gas dari
tabung pencampur dengan tekanan rendah. Catu daya tegangan tinggi
dihidupkan, tegangan diatur sehingga terjadi pendaran pada kedua belah
tabung lucutan. Setelah tabung lucutan berpendar, gas dialirkan kembali
sampai didapatkan daya laser. Setelah daya laser didapat, katup tabung
lucutan ditutup sehingga sekarang tabung laser CO2 dalam keadaan
sealed-off.
D.4. Optimalisasi Daya Laser CO2
Dalam penelitian ini, optimalisasi daya laser CO2 tipe sealed-off
sebagai sumber radiasi spektroskopi fotoakustik dilakukan dengan
mengubah-ubah arus listrik masukan.
Arus listrik masukan divariasikan mulai dari yang paling tinggi
sampai paling rendah. Dengan mengamati power meter, dapat dilihat
daya laser keluaran. Dengan langkah-langkah di atas dapat diketahui
41 BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Hasil
Laser CO2 yang digunakan pada penelitian ini nantinya akan digunakan sebagai sumber cahaya pada spektroskopi fotoakustik. Oleh karena itu diperlukan laser CO2 dengan daya yang besar dan stabil. Untuk mendapatkan daya yang besar dan stabil, maka pada penelitian ini telah dilakukan optimalisasi daya laser CO2 dengan mengatur arus listrik masukkannya pada komposisi campuran gas yang optimum.
Sebelumnya telah dilakukan optimalisasi daya laser CO2 dengan mengatur komposisi dari campuran gas. Pada penelitian tersebut didapatkan bahwa pada campuran gas He : N2 : CO2 dengan tekanan 30:10:40 diperoleh daya yang optimum pada laser CO2.
42
Gambar 24. Grafik daya keluaran Laser CO2 (W) terhadap arus listrik masukan (mA) pada campuran gas dengan perbandingan tekanan He:N2:CO2 = 30:10:40
3.5
44
B. Pembahasan
Penelitian ini terdiri dari 3 tahap 1. Pembangunan laser CO2 2. Pencarian daya laser CO2 3. Optimalisasi daya laser CO2
B.1. Pembangunan laser CO2
Tahap awal dari penelitian ini adalah pembangunan laser CO2. Rangkaian alat sistem laser CO2 ditunjukan oleh gambar 25.
Gambar 25. Gambar rangkaian alat sistem laser CO2
Laser CO2 tipe semi sealed-off terdiri dari 6 bagian, yaitu sebagai berikut :
a. Tabung lucutan
b. Pengaturan gas
Pada bagian ini terdapat tabung gas (CO2, N2 dan He), tabung pencampur, pengukur tekanan dan flow meter.
c. Catu daya tegangan tinggi
Catu daya tegangan tinggi yang digunakan adalah tipe HCN 250-17000.
d. Pompa vakum
Bagian ini terdiri dari sebuah pompa vakum yang dihubungkan dengan tabung lucutan dan bagian pengaturan gas.
e. Pendingin
Pada bagian ini terdapat sebuah pompa air, yang mengatur keluar-masuk air. Air yang digunakan berupa aquades agar tabung laser tidak berlumut.
f. Pengukuran daya keluaran
Pada bagian ini terdapat power meter model OPHIR AN/2 yang berfungsi untuk mengukur keluaran daya laser.
Keenam bagian tersebut, dirangkai sedemikian sehingga sistem benar-benar tertutup (tidak bocor).
46
sistem, sehingga sistem tidak benar-benar tertutup. Jika sistem tidak pada keadaan tertutup, maka tidak akan terjadi pendaran pada tabung laser. Untuk mengatasi masalah tersebut, dilakukan pengecekan pada keseluruhan sistem dengan menggunakan bantuan pompa vakum dan pengukur tekanan. Pada saat pompa vakum dinyalakan, pengukur tekanan menunjuk pada angka 3-4 mBar jika sistem dalam keadaan tertutup. Jika tidak demikian maka sistem harus dicek satu persatu dengan cara membuka dan menutup katup yang ada.
B.2. Pencarian daya laser CO2
Tahap kedua dari penelitian ini adalah pencarian daya laser CO2. Agar daya laser dapat keluar, berkas laser pada resonator harus benar-benar lurus. Proses pelurusan (alignment) ini dilakukan dengan bantuan laser He-Ne. Jika daya belum muncul, maka dapat dipicu dengan menggerakkan gratting. Jika daya laser belum didapatkan juga, maka proses tersebut harus diulang kembali sampai didapatkan keluaran daya laser. Saat didapatkan keluaran daya laser, dimungkinkan daya laser yang telah didapatkan tersebut dapat hilang kembali. Hal tersebut dikarenakan laser belum stabil.
diganti dengan yang baru, dilakukan proses pelurusan kembali sampai didapatkan daya laser yang stabil.
B.3. Optimalisasi daya laser CO2
Tahap terakhir dari penelitian ini adalah optimalisasi daya laser CO2. Setelah didapatkan daya laser, maka selanjutnya laser tersebut akan dioptimumkan. Terdapat beberapa cara agar daya laser dapat dibuat menjadi optimum, diantaranya dengan mengatur komposisi dari campuran gas yang digunakan pada laser atau dengan mengatur arus listrik masukannya.
Sebelumnya telah dilakukan optimalisasi daya laser CO2 dengan mengatur komposisi dari campuran gas. Dengan memanfaatkan data dari penelitian tersebut, pada penelitian ini dilakukan optimalisasi daya laser CO2 dengan mengatur arus listrik masukannya pada komposisi campuran gas yang optimum. Arus listrik masukan divariasikan mulai dari yang paling tinggi sampai paling rendah. Dengan mengamati power meter, dapat dilihat daya laser keluaran. Dengan langkah-langkah di atas dapat diketahui arus listrik masukan yang membuat laser menjadi optimum.
48 BAB V PENUTUP
A. Kesimpulan
Dari penelitian ini dapat diambil kesimpulan bahwa
1. Laser CO2 terdiri dari 6 bagian yaitu tabung lucutan, pengaturan gas, catu daya tegangan tinggi, pompa vakum, pendingin dan pengukur daya keluaran. Keenam bagian tersebut harus dirangkai sedemikian rupa seperti pada gambar 23. Rangkaian tersebut harus benar-benar sempurna sehingga tidak terdapat kebocoran. Setelah rangkaian laser CO2 terbangun, dilakukan proses pelurusan optik (alignment) agar dapat dihasilkan daya laser. Daya pada laser CO2 dapat muncul jika berkas laser pada resonator benar-benar lurus dan tidak terhalang oleh sesuatu.
3. Pada penelitian ini didapatkan hasil bahwa laser CO2 pada arus listrik masukan sebesar 13,6 mA dihasilkan daya yang besar dan stabil (optimum) yaitu sebesar 4,78 W dengan perbandingan tekanan gas He:N2:CO2 = 30:10:40
B. Saran
50
DAFTAR PUSTAKA
Isaacs, Alan.1995.Kamus Lengkap Fisika.Jakarta:Erlangga
Laud, B.B.1988.Laser dan Optik Non Linear.Jakarta:Universitas Indonesia Witteman, W.J.1987.The CO2 Laser.Berlin:Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Svelto, Orazio.1989.Principle of Lasers.3rd.Ed.New York:Plenum Press
Svanberg, Sune.1991.Atomic and Molecular Spectroscopy.Berlin:Springer-Verlag
Sutrisno.1979.Fisika Dasar : Gelombang dan Optik.Bandung:Penerbit ITB
Muadzin, Fajri.2001.Perbaikan Sensitivitas Spektrometer Fotoakustik Laser CO2 Semi Sealed-off untuk Mendeteksi Gas Etilen pada Buah Tropis.Skripsi.Yogyakarta:UGM
Andrianto.2008.Optimalisasi Daya Laser CO2 Tipe Semi Sealed-off Sebagai
Tabel hubungan daya keluaran laser CO2 (W) terhadap Arus listrik masukan (mA) pada campuran gas dengan perbandingan tekanan He:N2:CO2 = 30:10:40
yang menghasilkan daya keluaran laser CO2 (W) yang tidak optimum
Arus (mA) Daya (W)
8 2,8 8,5 3
9 3,2 9,5 3,3
10 3,4 10,5 3,4
11 3,5 11,5 3,6
12 3,7 12,5 3,7
13 3,6 13,5 3,6
