plagiat merupakan tindakan tidak terpuji · demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya....

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

2009

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

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

2009


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

YANG KAMU SAYANGI


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

Penulis


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

(Fransiscus Asisi Oktora D.H.)


viii

ABSTRAK

OPTIMALISASI LASER CO2 TIPE SEMI SEALED-OFF DENGAN MENGATUR ARUS LISTRIK MASUKANNYA PADA

KOMPOSISI CAMPURAN GAS YANG OPTIMUM

Pada penelitian ini telah dibangun laser CO2 tipe semi sealed-off. Laser ini digunakan pada spektroskopi fotoakustik yang memerlukan daya laser yang besar dan stabil. Daya laser yang besar dan stabil dapat diperoleh dengan cara optimalisasi laser CO2 melalui pengaturan komposisi gas He, N2, CO2 dan arus listrik masukannya. Proses optimalisasi laser CO2 dengan cara mengatur komposisi gas He, N2 dan CO2 telah dilakukan oleh peneliti lain dan didapatkan bahwa komposisi tekanan gas He, N2 dan CO2 yang menghasilkan daya laser optimum adalah 30:10:40. Pada penelitian ini, dilakukan optimalisasi laser CO2 dengan cara mengatur arus listrik masukannya pada keadaan perbandingan tekanan gas He, N2 dan CO2 adalah 30:10:40. Hasil penelitian menunjukkan bahwa keluaran daya laser CO2 yang optimum sebesar 4,78 W pada saat arus listrik masukannya sebesar 13,6 mA.


ix

ABSTRACT

OPTIMALIZATION OF THE SEMI SEALED-OFF TYPE CO2 LASER BY SETTING ITS ELECTRIC CURRENT INPUT INTO THE

OPTIMUM COMPOSITION OF MIXING GAS

In this experiments, a CO2 laser of semi sealed-off type have been constructed. This CO2 laser is used in the photoacustic spectroscopy which needs a stable laser with a large power. A stable laser with a large power can be obtained by optimalizing the CO2 laser via a regulation of the He, N2 and CO2 gases composition together with its electric current input. The CO2 laser optimalization process by setting the He, N2 and CO2 gas composition have been performed by another researcher and it found that the pressure of gas composition for He, N2 and CO2 gases which produces the optimum power of laser is 30:10:40. In this experiment, the CO2 laser optimalization is performed by setting its electric current input into the mixing gas He, N2 and CO2 when its pressure ratio is 30:10:40. The experimental result show that the optimum output of power for a CO2 laser is 4.78 W when its electric current input is 13.6 mA.


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.

5. Seluruh dosen program studi fisika, yang telah membagikan ilmunya dan

pengetahuannya.


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.

Penulis


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

E. Manfaat 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

B.3. Optimalisasi daya laser CO2 47


xiv

BAB V. PENUTUP 48

A. Kesimpulan 48

B. Saran 49

DAFTAR PUSTAKA 50

LAMPIRAN


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

campuran gas karbon dioksida (CO2), nitrogen (N2) dan helium (He).


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

dengan mengatur arus listrik masukannya.


3

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

digunakan pada spektroskopi fotoakustik serta optimalisasi daya lasernya.


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

pada spektroskopi fotoakustik.


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

fotoakustik.


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

foton yang benar-benar sama dengan yang diterima.


7

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)

dimana σ12 adalah tampang lintang serapan, F adalah fluks foton.


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

persamaan (2.4)). Karena foton ini memiliki energi yang sama


9

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

, dan σ disebut sebagai tampang lintang transisi.


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

2 dan 1. Bila osilasi dimulai pada laser empat tingkat, atom akan


11

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

................................................. (2.8)


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

susunan yang biasa digunakan pada sistem pemompaan optis.


13

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

pemantul. Pada susunan koil (Gambar 6), lampu berbentuk koil


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

dari anoda yang berfungsi untuk mengurangi penurunan karena


15

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.

Gambar 10. Susunan elektroda pada lucutan transversal


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

ke aras metastabil, A akan menumbuk B. Pada proses


17

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

terus-menerus agar selalu terjadi inversi populasi.


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

1,22 ...................................................... (2.11)

Berkas cahaya dengan nilai d yang lebih besar mungkin

untuk mencapai sebaran cahaya yang lebih kecil. Dengan


19

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

1∆

∆ ............................................................ (2.13)


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

terletak pada titik yang sama. Sehingga: 2


21

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 :

Gambar 16. Hemiconfocal resonator


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

........................................................... (2.14)


23

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

Frekuensi dasar dari mode bengkok v2 = 667 cm-1


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

λ

..................................................... (2.15)


25

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

elektron. Aras eksitasi nitrogen merupakan aras metastabil.


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)

masa hidup pada aras atas ~ 0,4 ms.


27

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

tinggi. He membantu agar CO2 tetap dingin dengan menghantarkan panas


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

dengan aliran gas yang cepat tiap satuan panjang sekitar 1 kW/m.


29

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

bekas luka di wajah, memotong logam.


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.

2. Biaya operasi lebih kecil, karena gas yang digunakan lebih sedikit.


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

adalah laser CO2 dengan menggunakan sistem semi sealed-off.


32

Gambar 22. Struktur tabung lucutan laser CO2 tipe semi sealed-off


33

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

aperture serapan detektor daya, maka suhu dalam detektor akan naik.

Kondisi ini mengakibatkan pembangkitan tegangan, yang sebanding


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

Pompa air berfungsi mengalirkan air untuk mendinginkan tabung laser.


35

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

elektrik. Untuk proses pemompa atom-atom agar terjadi inversi


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

CO2 ditunjukkan oleh (gambar 23).


37

Gambar 23. Skema Rangkaian Alat Sistem Laser CO2 tipe semi sealed-off


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

He-Ne.


39

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

yang diinginkan, ketiga katup gas pada flow meter ditutup, sehingga


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

arus listrik masukan yang membuat laser menjadi optimum.


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.

Dengan memanfaatkan data dari penelitian tersebut, dilakukan

optimalisasi daya laser CO2 dengan mengatur arus listrik masukkannya.

Didapatkan bahwa laser CO2 yang digunakan memiliki daya keluaran yang

optimum sebesar 4,78 W pada arus listrik masukan sebesar 13,6 mA

seperti terlihat pada tabel 1 dan gambar 24.


42

Tabel 1. Tabel hubungan daya keluaran laser CO2 (W) terhadap Arus listrik

masukan (mA) pada campuran gas dengan perbandingan tekanan

He:N2:CO2 = 30:10:40

Arus Daya 8 3,85

8,1 3,9 8,2 3,94 8,3 3,99 8,4 4,02 8,5 4,05 8,6 4,07 8,7 4,11 8,8 4,15 8,9 4,18 9 4,2

9,1 4,21 9,2 4,23 9,3 4,26 9,4 4,28 9,5 4,3 9,6 4,34 9,7 4,35 9,8 4,37 9,9 4,38 10 4,38

10,1 4,4 10,2 4,43 10,3 4,44 10,4 4,46 10,5 4,48

Arus Daya 10,6 4,5 10,7 4,53 10,8 4,54 10,9 4,56 11 4,56

11,1 4,57 11,2 4,58 11,3 4,6 11,4 4,62 11,5 4,63 11,6 4,63 11,7 4,65 11,8 4,66 11,9 4,67 12 4,68

12,1 4,65 12,2 4,66 12,3 4,67 12,4 4,68 12,5 4,69 12,6 4,7 12,7 4,73 12,8 4,69 12,9 4,7 13 4,7

13,1 4,72

Arus Daya 13,2 4,73 13,3 4,75 13,4 4,76 13,5 4,77 13,6 4,78 13,7 4,76 13,8 4,76 13,9 4,75 14 4,75

14,1 4,75 14,2 4,74 14,3 4,71 14,4 4,71 14,5 4,71 14,6 4,71 14,7 4,7 14,8 4,69 14,9 4,67 15 4,67

15,1 4,67 15,2 4,67 15,3 4,66 15,4 4,67 15,5 4,66


43

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

3.7

3.9

4.1

4.3

4.5

4.7

4.9

8 9 10 11 12 13 14 15 16

Day

a K

elua

ran

Las

er C

O2

(W)

Arus Listrik Masukan (mA)


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

Pada bagian ini terdapat tabung lucutan laser CO2 tipe semi

sealed-off, gratting, dan cermin outcoupling.


45

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).

Pada tahap ini, terjadi beberapa hambatan. Hambatan yang

terjadi berupa kerusakan pada alat yang digunakan yaitu pengukur

tekanan. Hambatan utama yang dialami adalah kebocoran pada


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.

Pada penelitian ini, daya laser sulit sekali didapatkan. Lalu

dicoba untuk mengganti jendela pada ujung-ujung tabung laser

dengan yang baru. Hal tersebut dilakukan dikarenakan jendela pada

ujung-ujung tabung laser sangat kotor. Setelah jendela tersebut


47

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.

Pada tahap ini, tidak terdapat suatu hambatan. Penelitian

dapat berjalan dengan lancar dan didapatkan hasil yang cukup

memuaskan.


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.

2. Beberapa cara dapat digunakan untuk membuat daya keluaran pada

laser CO2 menjadi optimum, yaitu dengan cara mengatur komposisi

dari campuran gas yang digunakan pada laser atau dengan mengatur

arus listrik masukannya. Pada proses optimalisasi dengan mengatur

arus listrik masukannya, arus listrik masukan divariasikan mulai dari

yang paling tinggi sampai paling rendah. Dengan mengamati power

meter, dapat dilihat daya laser keluaran.


49

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

Tabung laser harus dalam keadaan yang bersih, sehingga pada

proses pelurusan optik (alignment) berkas laser benar-benar lurus dan

tidak terhalang oleh sesuatu seperti kotoran di jendela pada ujung tabung

laser.


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

Sumber Radiasi Spektroskopi Fotoakustik Melalui Variasi Komposisi

Gas CO2, N2 dan He.Skripsi.Yogyakarta:Universitas Sanata Dharma


LAMPIRAN


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

14 3,6

14,5 3,5


plagiat merupakan tindakan tidak terpuji · demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya....

Documents