BAB I
PENDAHULUAN
Dewasa ini teknologi pemesinan sudah semakin maju. Hal ini terlihat dari mulai banyaknya jenis-jenis mesin berteknologi tinggi yang bermunculan dan berkembang di dunia ini. Salah satu contohnya adalah Laser Beam Machining (LBM) yang akan kami bahas dalam makalah ini.
LBM menggunakan sinar monokromatik berkekuatan tinggi sehingga alat ini hampir bisa digunakan pada segala jenis material. Dalam kehidupan sehari-hari, LBM biasa digunakan sebagai alat untuk memotong atau melubangi material dengan akurasi yang tinggi.
Dalam proses produksi, meskipun memiliki kekuatan yang tinggi dan tingkat akurasi yang baik, teknologi LBM masih jarang digunakan. Hal ini dikarenakan dalam pengerjaan alat ini dibutuhkan tenaga ahli yang profesional dan biaya operasional yang cukup mahal. Meskipun begitu, tidaklah salah bagi kita untuk mempelajari teknologi ini, mengingat bahwa teknologi ini akan semakin berkembang dan membawa kontribusi yang berarti dalam pemesinan ke depannya.
BAB II PEMBAHASAN
1. Pengertian
LASER BEAM MACHINING (LBM) adalah suatu metode pemotongan, di mana benda kerja dileburkan dan diuapkan oleh sebuah sinar laser monokromatik yang kuat. Ketika sinar mengenai benda kerja, panas menghasilkan lelehan dan menguapkan benda kerja hingga yang paling keras sekalipun.
LBM dapat digunakan untuk welding dan cutting metals/nonmetals. Selain itu, LBM juga dapat digunakan untuk brazing (memelas), soldering, drilling, dan membuat tanda (marking).
Gambar 1 Huruf “E” yang Dibuat dengan LBM
2. Prinsip Dasar Terbentuknya Laser
Kata “laser” merupakan akronim dari “light amplification by stimulated emission of radiation”. Laser dapat terbentuk akibat penyerapan energi kuantum oleh material/medium laser dari sumber sinar yang menyebabkan elektron sebuah atomnya melompat ke tingkat energi yang lebih tinggi (orbit yang lebih jauh dari nukleus). Elektron ini kemudian akan jatuh ke orbit asalnya secara spontan sambil memancarkan energi yang telah diserap sebelumnya. Energi yang berupa radiasi ini memiliki panjang gelombang yang sama dengan energi penstimulasinya dan sefase dengannya.
Gambar 2 Elektron dengan Orbitnya
3. Jenis-Jenis Laser
3.1 Laser Gas
Laser CO2 merupakan salah satu jenis laser gas yang paling umum. Untuk membentuknya kita menggunakan medium yang merupakan campuran gas helium (He), nitrogen (N2), dan CO2 dalam sebuah tabung. Molekul N2 akan bereksitasi akibat menyerap energi dari pelepasan elektron oleh elektroda lalu menumbuk molekul CO2 sehingga molekul CO2 pun tereksitasi dan memancarkan radiasi, sedangkan gas He membawa elektron CO2 ke tingkatan orbit yang paling luar.
Gambar 3 Eksitasi Pada Laser CO2
Laser CO2 dapat beroperasi dengan baik ketika gelombang yang dihasilkannya dibuat kontinu atau sering disebut dengan Continuous Wave Carbon Dioxide (CWCO2).
Tipe ini menyediakan keluaran daya yang tinggi dan terus-menerus, konversi efisiensi yang lebih besar dari 13% (kemungkinan besar di atas 20%), dan kerapatan daya yang rendah. Selain itu, tipe ini pun memerlukan waktu operasi yang relatif singkat sehingga menjadikannya sebagai metode yang paling menjanjikan dalam proses produksi.
3.1.1 He dan Ne
Sistem laser jenis ini dipompa dengan lucutan listrik di antara dua buah elektroda.Sistemnya terdiri dari satu atau lebih jenis gas. Atom-atom gas itu mengalami tumbukan dengan elektron-elektron lucutan sehingga
memperoleh tambahan energi untuk bereksitasi. Perkembangan terakhir dalam perlaseran medium gasnya dapat diganti dengan uap logam, tetapi hal ini akan mengarah pada perkembangan jenis laser yang lain. Jenis laser uap logam akan dibicarakan secara tersendiri. Laser gas mampu memancarkan radiasi dengan panjang gelombang mulai dari spektrum ultra ungu sampai dengan infra merah. Laser nitrogen yang menggunakan gas N2 merupakan salah satu laser terpenting dari jenis ini, panjang gelombang lasernya berada di daerah ultra ungu (3371 A° ). Sedangkan laser karbondioksida yang merupakan laser gas yang terkuat memancarkan laser pada daerah infra merah (10600 A °). Laser gas yang populer tentu saja laser heliumneon, banyak dipakai sebagai peralatan laboratorium dan pembaca harga di pasar sawalayan. Laser yang dihasilkan berada di spektrum tampak berwarna merah (6328 A° ).
Dalam keadaan normal atom helium berada di tingkat energi dasarnya 1S0, karena konfigurasi elektron terluarnya adalah 1 s2. Pada saat elektron lucutan menumbuknya atom helium itu mendapatkan energi untuk bereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi seperti 1S0 dan 3S1 dari konfigurasi elektron 1s2s. Begitu atom helium tereksitasi ke tingkat-tingkat itu ia tak dapat lagi balik ke tingkat dasar, suatu hal yang dilarang oleh aturan seleksi radiasi. Suatu hal kebetulan bahwa beberapa tingkat energi yang dimiliki atom neon hampir sama dengan tingkat energi atom helium.
Akibatnya transfer energi antara kedua jenis atom itu sangat terbolehjadi melalui tumbukan-tumbukan . Pada gambar 5 dapat dilihat
bahwa atom neon yang ditumbuk oleh atom helium 1S0 akan tereksitasi ke tingkat 1P1, 3P0, 3P1 , 3P2 dari konfigurasi elektron 2p55s. Setelah bertumbukan atom helium akan segera kembali ke tingkat energi dasar. Oleh karena aturan seleksi memperbolehkan transisi dari tingkat-tingkat energi ini ke sepuluh tingkat energi yang dimiliki konfigurasi 2p53p, maka atom neon dapat dipicu untuk memancarkan laser. Syarat inversi populasi dengan sendirinya sudah terpenuhi, karena pada kesetimbangan termal tingkat- tingkat di 2p53p atom Ne amat jarang populasinya.
Gambar 4. Diagram tingkat energi He dan Ne
Laser yang dihasilkan akan memiliki intensitas yang paling jelas di panjang gelombang 6328 A° tadi. Sebetulnya pancaran laser He-Ne yang terkuat berada di 11523 A° (infra merah dekat) yang ditimbulkan oleh transisi dari satu di antara 4 tingkat di 2p54s atom Ne, yang kebetulan berdekatan dengan tingkat energi 3S1atom He, ke salah satu dari 10 tingkat energi di 2p53p. Sistem laser ini berbentuk tabung gas silindris dengan panjang satu meter dan diameter 17 mm. Kedua ujung tabung ditutup oleh dua cermin pantul yang sejajar, disebut cermin Fabry - Perot,
sehingga tabung gas ini sekaligus berfungsi sebagai rongga resonansi optisnya. Dua buah elektroda dipasang di dekat ujung-ujungnya dan dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi untuk menimbulkan lucutan dalam tabung. Tekanan He dan Ne dalam tabung adalah sekitar 1 torr dan 0,1 torr, dengan kata lain atom He kira-kira 10 kali lebih banyak dibandingkan dengan atom Ne. Cacah He yang lebih banyak ini mampu mempertahankan inversi populasi secara terus menerus, sehingga laser yang dihasilkan juga bersifat kontinu, tidak terputus-putus sebagai
pulsa seperti pada laser ruby. Sifat kontinu ini merupakan keunggulan laser gas dibanding laser ruby. Laser yang kontinu amat berguna untuk transmisi pembicaraan dalam komunikasi, musik atau gambar-gambar televisi. Efisiensi laser He-Ne ini juga rendah, hanya sekitar 1 persen,
keluaran lasernya hanya berorde miliwatt. Sedangkan laser CO2 dapat menghasilkan laser kontinu berdaya beberapa kilowatt dengan efisiensi lebih tinggi.
Gambar 5. Sistem Laser gas 3.2 Laser Padat
Bahan yang digunakan merupakan bahan nonkonduktor listrik sehingga diberi daya oleh fluks sinar yang bergetar dengan menggunakan tenaga arus searah dan tumpukan kapasitor.
3.2.1 Ruby
Ruby terdiri atas kristal aluminium oksida (korundum) yang mengandung sekitar 0,1% oksida khromik. Batang laser dapat berupa kristal tunggal dari sintesis ruby berdiameter 1 cm dan panjang 10 cm.
3.2.2 Neodymium
Neodymium yang berupa kaca (Nd:Glass) mengandung 2-6% neodymium dan dibuat pada batang mirip dengan batang ruby. Kaca neodymium ini seefisien dua atau tiga kali ruby dan lebih kurang sensitif terhadap perubahan suhu. Nd:Glass menghasilkan sinar yang berwarna violet dengan panjang gelombang 351 nm.
Selain itu, terdapat neodymium yang terbuat dari campuran titrium- aluminium-garnet (Nd:YAG). Nd:YAG yang akurat dapat menghasilkan lubang 12 mm jauh di bawah 10 detik dan lubang 25 mm dalam 40 detik. Nd:YAG menghasilkan sinar yang berwarna hijau dengan panjang gelombang 532 nm.
Tabel 1 Tipe Laser Berikut Aplikasinya
No. Aplikasi Tipe Laser
1. Cutting a. Metals b. Plastics c. Ceramics
PCO2, CWCO2, Nd:YAG, ruby CWCO2
PCO2
2. Drilling a. Metals b. Plastics
PCO2, Nd:YAG, Nd:Glass, ruby Excimer
3. Marking a. Metals b. Plastics c. Ceramics
PCO2, Nd:YAG Excimer
Excimer
4. Surface treatment, metals CWCO2
5. Welding, metals PCO2,CWCO2,Nd:YAG, Nd:Glass, ruby
Keterangan khusus:
Excimer = Excited Dimer. Artinya, atom yang aktif atau tereksitasi.
3.3 Laser Semikonduktor
Laser ini juga disebut laser injeksi, karena pemompaannya dilakukan dengan injeksi arus listrik lewat sambungan PN semikonduktornya. Jadi laser ini tidak lain adalah sebuah diode dengan bias maju biasa. Proses laser jenis ini mirip dengan kerja LED biasa. Pancaran fotonnya disebabkan oleh bergabungnya kembali elektron dan lubang (hole) di daerah sambungan PNnya. Bahan semikonduktor yang dipakai harus memiliki gap energi yang langsung, agar dapat melakukan radiasi foton tanpa melanggar hukum kekekalan momentum.
Oleh sebab itulah laser semikonduktor tidak pernah menggunakan bahan seperti silikon maupun germanium yang gap energinya tidak langsung.
Dibandingkan dengan LED, laser semikonduktor masih mempunyai dua syarat tambahan. Yang pertama, bahannya harus diberi doping banyak sekali sehingga tingkat
energy Fermi-nya melampaui tingkat energi pita konduksi di bagian N dan masuk ke bawah tingkat energi pita valensi di bagian P. Hal ini perlu agar keadaan inversi populasi di daerah sambungan PN dapat dicapai. Yang kedua, rapat arus listrik maju yang digunakan haruslah besar, begitu besar sehingga melampaui harga ambangnya. Besarnya sekitar 50 ribu ampere/cm2 agar laser yang dihasilkan bersifat kontinu. Rapat arus ini luar biasa besar, sehingga diode laser harus ditaruh di dalam kriostat supaya suhunya tetap rendah ( 77 K ), jika tidak arus yang besar ini dapat merusak daerah sambungan PN dan diode berhenti menghasilkan laser.
Gambar 6. Laser semikonduktor beserta diagram energinya
Pada gambar tampak bahwa di sebagian daerah deplesi terjadi inversi populasi jika sambungan PN diberi tegangan maju, daerah ini disebut lapisan aktif. Daerah deplesi adalah daerah di sekitar sambungan PN yang tidak memiliki pembawa muatan listrik bebas. Pada saat dilakukan injeksi arus listrik melalui sambungan, elektron-elektron di pita konduksi pada lapisan aktif dapat bergabung kembali dengan lubang-lubang di pita valensi. Untuk arus injeksi yang kecil penggabungan ini terjadi secara acak dan menghasilkan radiasi, proses ini adalah yang terjadi pada LED. Tetapi apabila arus injeksinya cukup besar, pancaran terangsang mulai terjadi di daerah lapisan aktif. Lapisan ini berfungsi pula sebagai rongga resonansi optisnya, sehingga laser akan terjadi sepanjang lapisan ini. Pelapisan seperti yang dilakukan pada cermin di sini tidak diperlukan lagi karena bahan diode sendiri sudah mengkilap (metalik), cukup bagian luarnya digosok agar dapat memantulkan sinar yang dihasilkan dalam lapisa aktif. Kelemahan sistem laser ini adalah sifatnya yang tidak
monokromatik, karena transisi elektron yang terjadi bukanlah antar tingkat energi tapi antar pita energi, padahal pita energi terdiri dari banyak tingkat energi. Sambungan yang dijelaskan di atas biasa disebut homojunction, karena yang dipisahkannya adalah tipe P dan N dari substrat yang sama, ayitu misalnya GaAs tadi. Tipe P GaAs biasanya diberi doping seng ( Zn ) dan tipe N- nya dengan doping telurium (Te). Sebenarnya hanya sebagian kecil elektronelektron yang diinjeksikan dari daerah N yang bergabung dengan lubang di lapisan aktif, kebanyakan dari mereka berdifusi jauh masuk ke dalam daerah P sebelum bergabung kembali dengan lubang-lubang. Efek difusi inilah yang menyebabkan besarnya rapat arus listrik yang dibutuhkan dalam proses kerja laser semikonduktor. Tetapi besarny rapat arus listrik ini dapat diturunkan dengan cara membatasi gerakan elektron yang diinjeksikan itu disuatu daerah yang sempit, agar merekam tidak berdifusi kemana-mana. Hal ini dapat dilakukan dengan cara membuat sambungan heterojunction. Heterjunction yang apling umum dipakai adalah sambungan antara GaAs dan AlGaAs. GaAs memiliki gap energi yang lebih sempit, sehingga bila ia dijepit oleh dua daerah AlGaAs bertipe P dan N, elektronelektron yang diinjeksikan dari daerah N dan lubang-lubang dari daerah P akan bergabung di GaAs ini, jadi GaAs berfungsi sebagai lapisan aktifnya. Laser heterojunction GaAs - AlGaAs dapat bekerja secara kontinu pada suhu kamar hanya dengan rapat arus minimum sebesar 100 ampere/cm2, 500 kali lebih kecil dibandingkan rapat arus pada laser GaAs yang homojunction
