SISTEM PENGUKURAN PANJANG GELOMBANG LASER 633 nm DI PUSLIT KIM LIPI

Transkripsi

1 SISTEM PENGUKURAN PANJANG GELOMBANG LASER 633 nm DI PUSLIT KIM LIPI Windi Kurnia Perangin-angin Puslit KIM LIPI, Kompleks Puspiptek Setu, Tangerang Selatan INTISARI Laser semakin banyak diaplikasikan di industri untuk berbagai kepentingan. Oleh karena itu, diperlukan suatu sistem pengukuran panjang gelombang untuk mengetahui nilai aktualnya. Telah dibangun sistem pengukuran panjang gelombang pada laser yang memiliki keluar sinar merah. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan metode beat frequency antara laser standar dan laser yang diukur (unit inder test). Pengukuran menghasilkan nilai panjang gelombang unit under test pada kisaran 632,991 nm dan sesuai dengan spesifikasi alat. Berdasarkan hasil tersebut, Puslit KIM LIPI sudah memiliki kemampuan dalam melakukan pengukuran panjang gelombang pada laser yang memiliki output sinar merah. Kata kunci : laser, panjang gelombang, frekuensi, beat frequency ABSTRACT Laser has been become more and more applied in industry for various purposes. Hence, the measurement system of wavelength is required to determine the actual value of wavelength. The measurement system of wavelength for laser emitting red light has been built. The measurement is performed using beat frequency method between standard laser and measured laser (unit under test). The measurement resulted in wavelength values ranging around and this is in accordance with the specification of laser. Based on the results, Puslit KIM LIPI already has the ability to perform measurements on red light laser wavelength. Keywords : laser, wavelength, frequency, beat frequency 1. PENDAHULUAN Laser pada saat ini sudah banyak digunakan oleh industri dan masyarakat untuk berbagai keperluan. Dalam penggunaan laser, salah satu parameter yang perlu diperhatikan adalah panjang gelombangnya. Pengukuran panjang gelombang pada laser sangat diperlukan untuk mengetahui nilai aktual, apakah sesuai atau tidak dengan spesifikasi alat. Beberapa laboratorium kalibrasi dan industri memiliki laser yang perlu untuk diukur. Stakeholder baik di laboratorium kalibrasi maupun industri membutuhkan sistem pengukuran panjang gelombang laser yang

2 tertelusur ke standar internasional. Sebagai National Metrology Institute sudah selayaknya Puslit KIM memiliki sistem pengukuran pada laser. Berdasarkan kebutuhan tersebut dalam beberapa tahun terakhir, Puslit KIM LIPI telah membangun sistem pengukuran panjang gelombang pada laser 633 nm. Sistem pengukuran yang telah dibangun mencakup pengukuran terhadap panjang gelombang laser yang memiliki keluaran berupa sinar merah. Hal tersebut dikarenakan standar yang digunakan hanya memiliki keluaran berupa sinar merah, sehingga sistem pengukuran dilakukan pada laser dengan keluaran sinar merah juga. Standar laser yang digunakan adalah Iodine Stabilzed He-Ne Laser. Laser tersebut memiliki spesifikasi yang lebih baik dari laser di laboratorium kalibrasi atau industri pada umumnya. Alat ukur yang digunakan dalam pengukuran juga telah tertelusur ke satuan internasional. Laser pada stakeholder yang memiliki panjang gelombang 633 nm tersebut dapat diukur pada Puslit KIM LIPI. Hal tersebut sangat berguna untuk mengurangi biaya dan waktu pengukuran ke luar negeri. 2. DASAR TEORI Laser merupakan singakatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation yang mempunyai arti penguatan intensitas cahaya dengan stimulasi emisi radiasi. Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan sangat lurus. Dalam teknologi laser, cahaya yang koheren menunjukkan suatu sumber cahaya yang memancarkan panjang gelombang yang diidentifikasi dari frekuensi yang sama [1]. Berbagai media dapat digunakan untuk menghasilkan sinar laser. Pada saat ini, berdasarkan fase bahan aktifnya terdapat tiga jenis laser yaitu laser zat padat, laser gas dan laser zat cair. Laser zat padat memiliki bahan aktif berupa zat padat, seperti laser Ruby, Laser Nd- YAG, laser semikonduktor (dioda). Laser gas terbuat dari bahan aktif berupa gas, seperti laser N 2, laser HeNe, laser CO 2. Sedangkan laser zat cair, bahan aktifnya berupa zat cair, seperti laser zat warna (dye lasers) [2]. Kekuatan laser sangat bervariasi, bergantung pada panjang gelombang yang dihasilkannya. Perbedaan bahan aktif tersebut memberikan nilai panjang gelombang dan frekuensi yang berbeda juga. Pada Puslit KIM memiliki standar laser dengan bahan aktif He-Ne (Helium Neon) [3]. Panjang gelombang erat kaitannya dengan frekuensi, hubungan kedua parameter tersebut dapat dilihat pada persamaan 1. Panjang gelombang berbanding terbalik dengan frekuensi. Nilai

3 panjang gelombang dikondisikan dalam ruang hampa dengan memakai konstanta cepat rambat cahaya sebesar m/s [4]. dimana : λ = panjang gelombang c = cepat rambat cahaya f = frekuensi λ = c f. [1] Setiap sinar yang dipancarkan oleh laser memiliki nilai frekuensi tertentu. Dua sumber frekuensi jika digabung akan menghasilkan suatu celah perbedaan yang disebut dengan beat frequency. Beat frequency merupakan perbedaan frekuensi dari dua sumber frekuensi yang berbeda [5]. Secara kalkulasi, persamaan 2 dapat digunakan untuk menentukan nilai beat frequency dari dua sumber cahaya yang memiliki nilai frekuensi yang berbeda. f = f 1 f 2 [2] dimana : f = beat frequency f 1 = sumber cahaya/frekuensi pertama f 2 = sumber cahaya/frekeunsi kedua 3. METODE PENGUKURAN PANJANG GELOMBANG LASER Puslit KIM LIPI memiliki laser standar Iodine Stabilized He-Ne Laser dengan panjang gelombang nm 633 nm. Laser tersebut menghasilkan sinar merah. Alat yang diukur (unit under tests/uut) adalah laser interferometer dengan keluaran sinar berwarna merah. Pengukuran dilakukan pada 3 laser interferometer yang berbeda. Peralatan yang digunakan dalam sistem pengukuran terdiri dari Iodine Stabilized He-Ne Laser, Photo Detector Si, Beam Splitter Broadband, Lens, Mirror, ¼ λ Wave Plate Zero Order, Walloston Prism, Oscilloscope, Spectrum Analyzer, Universal Counter, Cesium Frequency Standard, Computer. Sistem pengukuran panjang gelombang laser dapat dilihat pada gambar 1. Kegiatan pengukuran berlangsung di laboratorium waktu dan frekuensi Puslit KIM-LIPI pada kondisi ruangan dengan suhu 22 ± 1 ºC dan kelembaban 50 ± 2 %.

4 Gambar 1. Sistem pengukuran panjang gelombang laser Metode pengukuran yang digunakan yaitu dengan mengukur beat frequency antara sinar keluaran laser standar dengan keluaran dari UUT. Sistem tersebut telah tervalidasi dan dipakai oleh berbagai National Metrology Institute (NMI) di negara lain. Sinar UUT terlebih dahulu dipecah oleh Walloston Prism untuk meilhat jumlah sinar keluaran dari laser UUT apakah single mode atau dual mode. Laser single mode memiliki keluaran satu sinyal dan polasrisainya mengunakan horisontal atau vertikal. Sedangkan laser dual mode yang memiliki keluaran dua sinar menggunakan polasrisai horisontal dan vertikal. Sinar kemudian dipancarkan oleh cermin dan pada 1 λ Wave Plate Order ditentukan polarisasi sinyal UUT. Sinar dari laser standar 4 memiliki 14 iodine saturated absorption signal (3f signal) lines [3] yaitu dari line a sampai dengan n. Pada pengukuran dipilih signal 3f line i, karena memiliki jarak yang cukup lebar

5 dengan signal line lainnya sehingga interferensi bisa dihindarkan. Pemilihan signal line i tersebut ditentukan dengan melihat bentuk sinyalnya pada osiloskop. Gambar 2. Profil 3f signal of saturated absorption line [3] Sinar laser standar disatukan dengan sinar UUT di Beam Splitter Broadband. Penggabungan sinyal yang telah sempurna dapat dilihat pada Spectrum Analyzer, jika sinyal yang digabung belum termodulasi maka terlebih dahulu diatur dengan menggunakan 1 λ Wave 4 Plate Order sampai sinyal termoduasi dengan baik. Sinyal yang telah digabung dipertajam oleh lensa dan kemudian dideteksi oleh Photo Detector. Photo Detector menangkap perbedaan sinyal antara standar dan UUT. Perbedaan tersebut diukur oleh Universal Counter dalam bentuk beat frequency antara laser standar dengan UUT. Niali beat frequency yang terukur pada Universal Counter direkam secara otomtais oleh program pada komputer. Universal Counter tehubung secara langsung ke standar frekuensi Atomic Clock Cesium, sehingga nilai frekuensi yang terukur tertelusur ke standar utama waktu dan frekuensi. Nilai dari frekuensi laser UUT merupakan penjumlahan atau pengurangan frekuensi laser standar dengan beat frekuensi [3]. Persamaan 3 menunjukkan kalkulasi untuk menentukan frekuensi laser UUT. Dimana : f x = frekuensi laser UUT f m = frekuensi laser standar f x = f ± f... [3] m

6 f = beat frequency 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran frekuensi dan panjang gelombang laser dengan metode beat frequency dapat dilihat pada tabel 1. Nilai panjang gelombang dikalkulasi dengan mengkondisikan pada ruang hampa (cepat rambat cahaya = m/s). Pengukuran yang dilakukan memberikan hasil perbedaan sinar dari laser standar dan UUT. Perbedaan tersebut dideteksi oleh Photo Detector dan nilainya diukur dengan menggunakan Universal Counter dalam parameter frekuensi. No. Tabel 1. Hasil pengukuran frekuensi dan panjang gelombang laser UUT Laser Beat Frequency (MHz) Frekuensi (MHz) Panjang Gelombang (nm) 1. Interferometer 1 10, , , Interferometer 2 14, , , Interferometer 3 12, , , Beat frequency dari hasil pengukuran tergolong kecil jika dibandingkan dengan nilai frekuensinya, sehingga frekuensi UUT mendekati frekuensi laser standar. Hal tersebut dikarenakan laser UUT juga memilki sinar keluaran berwarna merah sama seperti standar sehingga seharusnya UUT memiliki frekuensi dan panjang gelombang yang mendekati laser standar. Semakin besar beat frequency dari hasil pengukuran memberikan nilai frekuensi laser UUT yang semakin besar juga, namun sebaliknya panjang gelombangnya menjadi semakin kecil. Nilai frekuensi standar diketahui sesuai dengan spesifikasi yang telah ditentukan. Frekuensi laser UUT ditentukan dengan menjumlahkan atau mengurangkan beat frequency dengan frekuensi laser standar, seperti pada persamaan 3. Penjumlahan dan pengurangan tersebut tergantung dari niali beat frequency yang diukur. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya bahwa laser standar terdiri 14 signal line, dimana pada setiap signal line memiliki nilai frekuensi yang berbeda. Dalam pengukuran dipilih signal line i yang memiliki panjang gelombang 632, nm dan frekuensi sebesar , 705 MHz [3].Untuk menetukan apakah

7 nilai frekuensi standar ditambah atau dikurang dengan beat frequency, maka dilakukan juga tes pengukuran terhadap signal line terdekat dari line i, yaitu signal line h dan j. Signal line h memiliki frekuensi sebesar , 644 MHz, sedangkan frekuensi pada signal line j , 140 MHz. Signal line i memiliki frekuensi lebih besar dari j, tetapi lebih kecil dari h. Dari hasil tes pengukuran pada signal line h dan j, beat freqeuncy pada signal line h lebih kecil dari beat frequency pada line i dan beat frequency pada signal line j lebih besar dari beat frequency pada line i, berarti untuk mendapatkan frekuensi laser UUT, maka beat frequency ditambahkan dengan nilai frekuensi laser standar. Hal tersebut dikarenakan frekuensi UUT lebih besar dari frekuensi laser standar, dibuktikan dengan beda frekuensi (beat frequency) terhadap signal line h lebih kecil sehingga frekuensi laser UUT mendekati frekuesni signal line h. Karena frekuensi signal line h lebih besar dari i, maka beat frequency tersebut ditambahkan. Sedangkan sebaliknya jika beat frequency pada line h lebih besar dari beat frequency pada line i dan beat frequency pada signal line j lebih kecil dari beat frequency pada line i, maka beat frequency akan dikurangkan dari laser standar. Hal tersebut disebabkan karena frekuensi laser UUT lebih kecil dari laser standar, ditandai dengan beat frequency dengan signal line j lebih kecil, sehinggal frekueni laser UUT mendekati nilai frekuensi signal line j. Pada ketiga hasil pengukuran, beat frequency terhadap signal line h lebih kecil dari signal line i sehingga untuk mendapatkan frekuensi laser UUT, maka beat frequency ditambah dengan frekuensi laser standar. Setelah diketahui nilai frekuensi dari UUT, maka panjang gelombang laser UUT ditentukan dengan menggunakan persamaan 1. Pada tabel 1 terlihat nilai panjang gelombang dari ketiga laser UUT mendekati panjang gelombang laser standar, dimana laser standar memiliki panjang gelombang sebesar 632, nm atau pada umumnya disebutkan 633 nm. Hasil tersebut memberikan penilaian bahwa pengukuran panjang gelombang menghasilkan nilai sesuai dengan spesifikasi alat yang diukur sehingga proses pengukuran berjalan dengan baik. 5. KESIMPULAN Sistem pengukuran panjang gelombang laser yang telah dibangun memberikan nilai yang sesuai dengan spesifikasi dari laser yang diukur, dimana hasil pengukuran relatif sama dengan nilai sebenarnya. Hal tersebut memberikan bukti bahwa Puslit KIM LIPI sudah memiliki

8 kemampuan dalam melakukan pengukuran panjang gelombang laser yang memiliki output sinar merah dengan panjang gelombang 633 nm. 6. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyampaikan terima kasih kepada Dr. Ering Poernomo yang telah membimbing penulis dalam pengukuran laser dan untuk Puslit KIM-LIPI sebagai lembaga metrologi nasional yang telah memfasilitasi dalam melakukan pengukuran panjang gelombang laser. 7. DAFTAR PUSTAKA [1] Laura Garwin and Tim Lincoln A Century of Nature : Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World. University of Chicago Press. [2] Jennings, D. Direct frequency measurement of the 1-stabilized He-Ne 473-THz (633-nm) laser. Time and Frequency Division, National Bureau of Standards. Colorado. [3] Iodine Stabilized He-Ne Laser Nihonkagaku Engineering Co.,Ltd. [4] Joykutty, Joji, Vaibhav Mathur, V. Venkataraman Direct Measurement of the Oscillation Frequency in an Optical-Tweezers Trap by Parametric Excitation. Department of Physics, Indian Institute of Science. Bangalore. [5] Wessels, Chris and Tim Palag. Construction of a Beat Frequency Oscillator Metal Detector. Department of Electrical and Computer Engineering University of Colorado. Boulder.