OPTIMALISASI LASER CO 2 TIPE SEMI SEALED-OFF DENGAN MENGATUR ARUS LISTRIK MASUKANNYA PADA KOMPOSISI CAMPURAN GAS YANG OPTIMUM.

Transkripsi

1 OPTIMALISASI LASER CO 2 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 PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2009

2 OPTIMALIZATION OF THE SEMI SEALED-OFF TYPE CO 2 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 PHYSICS STUDY PROGRAM PHYSICS DEPARTEMENT FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2009

3

4

5 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 v

6 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 vi

7 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 : Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul : Optimalisasi Laser CO 2 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.) vii

8 ABSTRAK OPTIMALISASI LASER CO 2 TIPE SEMI SEALED-OFF DENGAN MENGATUR ARUS LISTRIK MASUKANNYA PADA KOMPOSISI CAMPURAN GAS YANG OPTIMUM Pada penelitian ini telah dibangun laser CO 2 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 CO 2 melalui pengaturan komposisi gas He, N 2, CO 2 dan arus listrik masukannya. Proses optimalisasi laser CO 2 dengan cara mengatur komposisi gas He, N 2 dan CO 2 telah dilakukan oleh peneliti lain dan didapatkan bahwa komposisi tekanan gas He, N 2 dan CO 2 yang menghasilkan daya laser optimum adalah 30:10:40. Pada penelitian ini, dilakukan optimalisasi laser CO 2 dengan cara mengatur arus listrik masukannya pada keadaan perbandingan tekanan gas He, N 2 dan CO 2 adalah 30:10:40. Hasil penelitian menunjukkan bahwa keluaran daya laser CO 2 yang optimum sebesar 4,78 W pada saat arus listrik masukannya sebesar 13,6 ma. viii

9 ABSTRACT OPTIMALIZATION OF THE SEMI SEALED-OFF TYPE CO 2 LASER BY SETTING ITS ELECTRIC CURRENT INPUT INTO THE OPTIMUM COMPOSITION OF MIXING GAS In this experiments, a CO 2 laser of semi sealed-off type have been constructed. This CO 2 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 CO 2 laser via a regulation of the He, N 2 and CO 2 gases composition together with its electric current input. The CO 2 laser optimalization process by setting the He, N 2 and CO 2 gas composition have been performed by another researcher and it found that the pressure of gas composition for He, N 2 and CO 2 gases which produces the optimum power of laser is 30:10:40. In this experiment, the CO 2 laser optimalization is performed by setting its electric current input into the mixing gas He, N 2 and CO 2 when its pressure ratio is 30:10:40. The experimental result show that the optimum output of power for a CO 2 laser is 4.78 W when its electric current input is 13.6 ma. ix

10 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. x

11 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 xi

12 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 xii

13 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 CO 2 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 CO 2 35 D.2. Pelurusan Optik (alignment) 38 D.3. Pengisian Campuran Gas 39 D.4. Optimalisasi Daya Laser CO 2 40 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 41 A. Hasil 41 B. Pembahasan 44 B.1. Pembangunan laser CO 2 44 B.2. Pencarian daya laser CO 2 46 B.3. Optimalisasi daya laser CO 2 47 xiii

14 BAB V. PENUTUP 48 A. Kesimpulan 48 B. Saran 49 DAFTAR PUSTAKA 50 LAMPIRAN xiv

15 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 (CO 2 ), 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 (CO 2 ), nitrogen (N 2 ) dan helium (He). 1

16 2 Ada 2 jenis laser CO 2, 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 terusmenerus secara kontinyu ke tabung lucutan. Sedangkan pada sistem tertutup, gas hanya diisikan satu kali ke dalam tabung lucutan. Keunggulan menggunakan laser CO 2 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 CO 2 sistem tertutup antara lain untuk operasi bedah, menghilangkan bekas luka di wajah, memotong logam, pembangkit gelombang kejut plasma dan spektroskopi fotoakustik. Laser CO 2 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 CO 2 menjadi besar dan stabil, yaitu dengan cara mengatur komposisi dari campuran gas yang digunakan pada laser atau dengan mengatur arus listrik masukannya.

17 3 Sebelumnya telah dilakukan optimalisasi daya laser CO 2 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 CO 2 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 CO 2 tipe semi sealed-off. 2. Bagaimana mengoptimalkan daya laser CO 2 tipe semi sealedoff dengan mengatur arus listrik masukannya. C. Pembatasan Masalah Masalah optimalisasi laser CO 2 tipe semi sealed-off dalam penelitian ini hanya dibatasi pada rancang bangun laser CO 2 tipe semi sealed-off yang digunakan pada spektroskopi fotoakustik serta optimalisasi daya lasernya.

18 4 D. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk 1. membangun laser CO 2 tipe semi sealed-off. 2. Menentukan besar arus listrik masukan yang dapat menghasilkan daya keluaran laser CO 2 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 CO 2 tipe semi sealed-off yang besar dan stabil. 2. Sumbangan untuk ilmu pengetahuan dan teknologi terutama pada spektroskopi fotoakustik.

19 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. 5

20 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 E 1 ditumbuk seberkas foton dengan energi sebesar perbedaan aras energi, elektron dapat naik ke aras energi yang lebih tinggi E 2 (Gambar 1). Sedangkan pancaran spontan (emisi spontan) terjadi saat elektron yang berada pada aras energi yang lebih tinggi E 2, 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 E 2 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.

21 7 a. Serapan Diasumsikan bahwa atom berada pada aras energi E 1. Seberkas foton datang ke atom dengan frekuensi v. Atom memerlukan energi sebesar E 2 E 1 untuk naik ke aras energi E 2 yang diperoleh dari energi foton yang datang. Jadi, energi dari foton harus sama dengan perbedaan aras energi.... (2.1) Didefinisikan tingkat serapan W 12 dengan persamaan... (2.2) dimana adalah kecepatan perpindahan atom, N 1 adalah jumlah atomnya (per satuan volume), pada saat tertentu dan berada di aras energi E 1. Lebih lanjut dapat ditulis... (2.3) dimana σ 12 adalah tampang lintang serapan, F adalah fluks foton.

22 8 b. Pancaran spontan Atom dari suatu bahan mula-mula berada di aras energi E 2. Karena E 2 >E 1, atom cenderung untuk berpindah ke aras energi E 1, dengan memancarkan foton yang memiliki energi sebesar E 2 -E 1. Frekuensi v dari gelombang yang diradiasikan diberikan oleh persamaan... (2.4) dimana h adalah konstanta planck. Saat waktu t, terdapat N 2 atom (per satuan volume) pada aras energi E 2. Kecepatan perpindahan atom sebagai hasil Pancaran spontan, sebanding dengan N 2. 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 E 2. Seberkas foton datang ke atom dengan frekuensi v (diberikan oleh persamaan (2.4)). Karena foton ini memiliki energi yang sama

23 9 dengan perbedaan aras energi, atom dapat berpindah dari aras energi E 2 ke aras energi E 1. Saat berpindah, atom akan memancarkan foton dengan energi sebesar E 2 -E 1. 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 W 21 disebut probabilitas transmisi terstimulasi. Koefisien W 21 memiliki dimensi (T) -1. W 21 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.

24 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

25 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)

26 12 dimana N g adalah populasi di aras dasar, W p 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.

27 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

28 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 F 1 dan tangki bahan aktif diletakan pada titik fokus kedua F 2. Cahaya dari lampu yang berada di titik fokus F 1 menuju cermin pemantul dan dipantulkan menuju tangki bahan aktif yang berada di titik fokus kedua F 2. 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 BaSO 4 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

29 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

30 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

31 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.

32 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

33 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 n 1 = indeks bias medium 1 n 2 = 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)

34 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

35 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

36 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)

37 23 B. Laser CO 2 Laser CO 2 ditemukan oleh Patel. Laser ini menggunakan campuran gas CO 2, N 2 dan He. Laser CO 2 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 CO 2, yaitu : a. Mode tarikan simetris Gambar 18. Mode tarikan simetris Frekuensi dasar dari mode tarikan simetris v 1 = 1337 cm -1 b. Mode bengkok Gambar 19. Mode bengkok Frekuensi dasar dari mode bengkok v 2 = 667 cm -1

38 24 c. Mode tarikan asimetris Gambar 20. Mode tarikan asimetris Frekuensi dasar dari mode tarikan asimetris v 3 = 2349 cm -1 Getaran dari ketiga mode di atas, digambarkan dengan tiga bilangan kuantum n 1, n 2 dan n 3 yang menunjukkan banyaknya kuanta pada setiap mode vibrasi. Tingkat laser ditunjukkan oleh tiga bilangan kuantum ini, yang ditulis dengan urutan n 1, n 2, n 3. Satuan frekuensi mode dasar dari vibrasi molekul CO 2 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)

39 25 Skema berikut ini menunjukan tingkat energi vibrasi molekul CO 2 dan N 2 Gambar 21. Skema tingkat energi vibrasi molekul CO 2 dan N 2 Molekul CO 2 tereksitasi dari aras dasar (00 0 0) ke aras eksitasi (00 0 1). Untuk mencapai aras eksitasi ini, molekul CO 2 dibantu oleh molekul-molekul nitrogen. Perbedaan energi antara aras energi atas CO 2 (00 0 1) dengan aras energi atas Nitrogen sangat kecil, yaitu ΔE = 18 cm -1. Dikarenakan perbedaan energi yang sangat kecil tersebut, pada saat nitrogen menumbuk CO 2 energi dari nitrogen akan dipindahkan ke molekul CO 2, sehingga CO 2 akan naik ke aras eksitasi. Perpindahan nitrogen dari aras dasar ke aras eksitasi disebabkan oleh tumbukan elektron. Aras eksitasi nitrogen merupakan aras metastabil.

40 26 Inversi populasi yang terjadi dari aras ke aras akan mengarah ke osilasi laser dengan panjang gelombang 9,6 µm dan dari aras ke aras akan mengarah ke osilasi laser dengan panjang gelombang 10,6 µm. Satuan energi pada Skema tingkat energi vibrasi molekul CO 2 dan N 2 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 N 2, dimisalkan laser CO 2 dengan tekanan parsial CO 2 (1,5 Torr), N 2 (1,5 Torr) dan He (12 Torr) masa hidup pada aras atas ~ 0,4 ms.

41 27 Waktu peluruhan dari aras atas diperoleh dari... (2.17) dimana p i adalah tekanan parsial dan a i adalah tetapan karakteristik gas di dalam lucutan. Transisi di aras atas terjadi sangat cepat. Aras , dan dapat mencapai keseimbangan thermal dapat dicapai dalam waktu yang singkat. Peluruhan dari aras ke aras dasar terjadi secara lambat, sehingga akan terjadi pengumpulan molekul pada aras selama aksi laser terjadi. Selanjutnya akan terjadi pengumpulan molekul pada aras dan dikarenakan terjadi keseimbangan thermal dengan aras Hal tersebut tidak diinginkan karena akan menghambat aksi laser. Pada transisi dari aras ke aras terjadi paling sedikit transisi yang aktif dari setiap molekul pada lucutan, sehingga relaksasi dari aras hanya dapat terjadi melalui proses transfer energi pada tumbukan. Pada penelitian ini energi ditransfer ke Helium. Tetapan a i 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 CO 2 tetap dingin dengan menghantarkan panas

42 28 keluar. Hal tersebut berfungsi untuk menghindari populasi pada aras bawah laser dari proses eksitasi yang dikarenakan panas. Jadi, N 2 berfungsi untuk membantu proses pemompaan, sedangkan He berfungsi untuk mengurangi populasi pada aras bawah laser. Jenis jenis laser CO 2 1. Laser jenis mengalir a. Laser dengan aliran gas yang lambat Laser dengan aliran gas yang lambat merupakan laser CO 2 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 W/m. Laser CO 2 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.

43 29 Laser CO 2 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 CO 2 dari CO. Katalis yang digunakan misalnya berupa H 2 O. Reaksi kimia yang terjadi : CO OH CO H... (2.18) H 2 O yang dibutuhkan dapat dimasukan dalam bentuk gas hidrogen dan oksigen. Karena oksigen diproduksi selama pemisahan CO 2, jadi hanya hidrogen yang perlu ditambahkan. Cara lain yang dapat digunakan adalah dengan menggunakan katoda panas yang terbuat dari Ni (300 0 C) sebagai katalis. Dengan menggunakan cara ini, waktu hidup dari tabung dapat mencapai 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.

44 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 sealedoff 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 CO 2 jenis tertutup yang nantinya akan digunakan sebagai sumber cahaya pada spektroskopi fotoakustik. Keuntungan menggunakan laser CO 2 jenis tertutup adalah : 1. Gas yang digunakan lebih efisien, karena gas tidak dialirkan terusmenerus tetapi hanya dimasukan sekali. 2. Biaya operasi lebih kecil, karena gas yang digunakan lebih sedikit.

45 BAB III METODOLOGI PENELITIAN A. Bahan Penelitian Bahan yang digunakan dalam eksperimen adalah gas karbondioksida (CO 2 ), gas nitrogen (N 2 ) 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 CO 2 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 CO 2 tipe semi sealed-off Tabung laser merupakan tempat terjadinya lucutan gas dan pemompaan listrik untuk menghasilkan aksi laser. Laser yang digunakan adalah laser CO 2 dengan menggunakan sistem semi sealed-off. 31

46 32 Gambar 22. Struktur tabung lucutan laser CO 2 tipe semi sealed-off

47 33 Pada tabung lucutan laser CO 2 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 CO 2 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 CO 2 yang digunakan terdapat dua buah katoda sehingga panjang tabung laser adalah 400mm. Laser beroperasi dengan gas campuran He, N 2, dan CO 2 dengan pelucutan DC pada tegangan 7-11kV dan arus 9-15 ma. 3. Motor undak (stepper motor) model ORIEL 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 (C 2 H 4 ), digunakan garis 10P14. Analisis spektrum garis laser CO 2 ini menggunakan alat CO 2 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 CO 2 yang keluar dari cermin outcoupling diarahkan ke aperture serapan detektor daya, maka suhu dalam detektor akan naik. Kondisi ini mengakibatkan pembangkitan tegangan, yang sebanding

48 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 CO 2, N 2, 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 mbar. Sebelum sistem digunakan, sistem harus dalam keadaan vakum. Pengukur tekanan berfungsi untuk mengukur tekanan pada sistem. 7. Catu daya tegangan tinggi model HCN Catu daya tegangan tinggi berfungsi untuk memberi tegangan DC pada elektroda-elektroda tabung lucutan. Catu daya tegangan tinggi tipe HCN 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.

49 Pompa vakum Pompa vakum berfungsi untuk membuat tabung laser menjadi vakum. D. Cara Kerja Penelitian D.1. Pembangunan laser CO 2 Tahap awal dalam penelitian ini adalah pembangunan laser CO 2 tipe semi sealed-off. Laser CO 2 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 CO 2 tipe semi sealed-off, gratting, dan cermin outcoupling. b. Pengaturan gas Pada bagian ini terdapat tabung gas (CO 2, N 2 dan He), tabung pencampur, pengukur tekanan dan flow meter. Gas CO 2, N 2, 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

50 36 populasi, digunakan catu daya tegangan tinggi. Catu daya tegangan tinggi yang digunakan adalah tipe HCN 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 CO 2 ditunjukkan oleh (gambar 23).

51 37 Gambar 23. Skema Rangkaian Alat Sistem Laser CO 2 tipe semi sealed-off

52 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 CO 2 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.

53 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 CO 2. Pembuatan campuran gas didahului dengan memvakumkan seluruh sistem laser CO 2. Setelah sistem vakum, katup keluaran gas pada tabung pencampur ditutup. Kemudian alirkan gas CO 2, N 2 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:N 2 :CO 2 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

54 40 tabung pencampur berisi campuran gas He, N 2, CO 2 dengan perbandingan 30 : 10 : 40. Pengisian gas campuran untuk laser CO 2 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 CO 2 dalam keadaan sealed-off. D.4. Optimalisasi Daya Laser CO 2 Dalam penelitian ini, optimalisasi daya laser CO 2 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.

55 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Hasil Laser CO 2 yang digunakan pada penelitian ini nantinya akan digunakan sebagai sumber cahaya pada spektroskopi fotoakustik. Oleh karena itu diperlukan laser CO 2 dengan daya yang besar dan stabil. Untuk mendapatkan daya yang besar dan stabil, maka pada penelitian ini telah dilakukan optimalisasi daya laser CO 2 dengan mengatur arus listrik masukkannya pada komposisi campuran gas yang optimum. Sebelumnya telah dilakukan optimalisasi daya laser CO 2 dengan mengatur komposisi dari campuran gas. Pada penelitian tersebut didapatkan bahwa pada campuran gas He : N 2 : CO 2 dengan tekanan 30:10:40 diperoleh daya yang optimum pada laser CO 2. Dengan memanfaatkan data dari penelitian tersebut, dilakukan optimalisasi daya laser CO 2 dengan mengatur arus listrik masukkannya. Didapatkan bahwa laser CO 2 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

56 42 Tabel 1. Tabel hubungan daya keluaran laser CO 2 (W) terhadap Arus listrik masukan (ma) pada campuran gas dengan perbandingan tekanan He:N 2 :CO 2 = 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 10,1 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 11,1 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, ,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 14,1 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 15,1 4,67 15,2 4,67 15,3 4,66 15,4 4,67 15,5 4,66

57 Daya Keluaran Laser CO2 (W) Arus Listrik Masukan (ma) Gambar 24. Grafik daya keluaran Laser CO 2 (W) terhadap arus listrik masukan (ma) pada campuran gas dengan perbandingan tekanan He:N 2 :CO 2 = 30:10:40

58 44 B. Pembahasan Penelitian ini terdiri dari 3 tahap 1. Pembangunan laser CO 2 2. Pencarian daya laser CO 2 3. Optimalisasi daya laser CO 2 B.1. Pembangunan laser CO 2 Tahap awal dari penelitian ini adalah pembangunan laser CO 2. Rangkaian alat sistem laser CO 2 ditunjukan oleh gambar 25. Gambar 25. Gambar rangkaian alat sistem laser CO 2 Laser CO 2 tipe semi sealed-off terdiri dari 6 bagian, yaitu sebagai berikut : a. Tabung lucutan Pada bagian ini terdapat tabung lucutan laser CO 2 tipe semi sealed-off, gratting, dan cermin outcoupling.

59 45 b. Pengaturan gas Pada bagian ini terdapat tabung gas (CO 2, N 2 dan He), tabung pencampur, pengukur tekanan dan flow meter. c. Catu daya tegangan tinggi Catu daya tegangan tinggi yang digunakan adalah tipe HCN 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

60 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 CO 2 Tahap kedua dari penelitian ini adalah pencarian daya laser CO 2. 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

61 47 diganti dengan yang baru, dilakukan proses pelurusan kembali sampai didapatkan daya laser yang stabil. B.3. Optimalisasi daya laser CO 2 Tahap terakhir dari penelitian ini adalah optimalisasi daya laser CO 2. 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 CO 2 dengan mengatur komposisi dari campuran gas. Dengan memanfaatkan data dari penelitian tersebut, pada penelitian ini dilakukan optimalisasi daya laser CO 2 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.

62 BAB V PENUTUP A. Kesimpulan Dari penelitian ini dapat diambil kesimpulan bahwa 1. Laser CO 2 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 CO 2 terbangun, dilakukan proses pelurusan optik (alignment) agar dapat dihasilkan daya laser. Daya pada laser CO 2 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 CO 2 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. 48