Pengukuran Panjang Gelombang Cahaya Laser Dioda Mengunakan Kisi Difraksi Refleksi dan Transmisi Minarni*, Saktioto, Gita Lestari Laboratorium Fotonik, Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Riau Kampus Bina Widya *Email:minarni@unri.ac.id Abstrak. Laser dioda adalah laser semikonduktor yang tersedia secara komersial dengan berbagai panjang gelombang dari panjang gelombang Ultra Violet dekat ( Near UV) sampai ke Infra Merah jauh (Far IR). Laser dioda bergantung pada variasi arus injeksi, suhu dan faktor lainnya sehingga panjang gelombang keluarannya perlu diukur sebelum digunakan. Panjang gelombang laser dioda dapat diukur mengunakan sebuah wavemeter, akan tetapi alat ukur panjang gelombang komersial mempunyai harga yang relatif mahal untuk Laboratorium skala kecil. Cara sederhana dapat dilakukan mengunakan kisi difraksi. Pada penelitian ini dua jenis kisi difraksi yaitu sebuah kisi difraksi refleksi mengunakan sebuah compact disc (CD) dan kisi difraksi transmisi merk Phywee dengan 300 garis/mm digunakan untuk mengukur panjang gelombang tiga buah Laser dioda dengan panjang gelombang berbeda. Sebelum CD digunakan, jarak antara track (pit) dalam CD yang berfungsi sebagai kisi perlu diukur. Pengukuran ini dilakukan dengan metode difraksi mengunakan Laser He- Ne yang panjang gelombangnya terdefenisi dengan baik yaitu 632,8 nm. CD yang digunakan adalah CD yang belum diisi data dengan kapasitas 720 MB dan 700 MB. Dari hasil penelitian, jarak antara pit atau lebar yang diperoleh adalah 1463,6 6,2 nm dan 1454,4 4,1 nm untuk masing masing CD. Pengukuran mengunakan kisi difraksi transmisi mempunyai standar deviasi yang lebih rendah dibanding pengukuran mengunakan kisi difraksi refleksi masing masing yaitu 532,0 0,7 nm dan 532,4 1,8 nm, 633,4 1,67 dan 637,8 3,1, 834,1 3,1 dan 835,3 5,1. Harga ini mendekati harga yang tertera pada masing-masing kemasan Laser yaitu Laser Hijau 532 nm, Merah 638 nm, dan Infra Merah 830 nm. Kata Kunci: Pengukuran Panjang Gelombang, Compact Disc, Kisi Difraksi, Laser Dioda PENDAHULUAN Laser adalah sebuah sumber cahaya yang koheren, hampir monokromatik dan searah. Laser merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulating Emission of Radiation yang berarti cahaya diperkuat melalui proses emisi yang dipicu. Laser terdiri dari beberapa jenis bergantung pada medium laser yang digunakan. Seperti zat padat, cair, gas dan semikonduktor. Laser zat padat yang paling dikenal adalah laser Ruby, laser Ti:S, dan laser Nd:YAG, sedangkan untuk laser gas adalah laser He- Ne dan Laser CO 2. Laser Dye dan laser dioda masing-masing adalah contoh laser zat cair dan semikonduktor [1]. Laser dioda merupakan laser yang paling banyak aplikasinya dibanding laser jenis lainnya. karena laser dioda tersedia secara komersial dengan berbagai panjang gelombang, bentuk yang kompak, daya yang besar dan harga yang relatif murah. Namun laser dioda mempunyai kekurangan yaitu bentuk berkasnya yang eliptikal dan panjang gelombang mudah berubah karena perubahan lingkungan. Pengukuran panjang gelombangnya perlu dilakukan. Menentukan panjang gelombang cahaya laser dapat dilakukan dengan dua cara yaitu metode difraksi mengunakan kisi difraksi dan interferensi. Metode difraksi digunakan pada alat ukur monokromator dan spektrometer sedangkan metode interferensi digunakan pada interferometer dan Semirata 2013 FMIPA Unila 167
Minarni, dkk: Pengukuran Panjang Gelombang Cahaya Laser Dioda Mengunakan Kisi Difraksi Refleksi dan Transmisi wavemeter. Secara sederhana, panjang gelombang cahaya baik itu laser maupun lampu dapat diukur mengunakan metode difraksi dengan sebuah kisi difraksi [2,3]. Metode ini dapat digunakan sebagai modul praktikum optik dalam pengenalan konsep difraksi. Kisi difraksi ada dua jenis yaitu kisi difraksi refleksi dan transmisi [4]. Kedua jenis ini dibedakan berdasarkan hasil pola difraksi yang dihasilkan. Pada kisi difraksi refleksi, pola difraksi dihasilkan dari pemantulan cahaya datang pada guratan/kisi, sedangkan pada kisi transmisi karena cahaya yang diteruskan. Kisi difraksi transmisi dapat berupa sebuah kaca yang diberi guratan, sedangkan kisi difraksi refleksi berupa guratan pada plat logam atau pada CD [5]. Pada penelitian ini, dua jenis kisi difraksi yaitu refleksi dan transmisi digunakan untuk mengukur panjang gelombang beberapa laser dioda dengan panjang gelombang berbeda. Compact Disc (CD) dapat digunakan sebagai kisi difraksi karena mempunyai track penyimpanan data yang peka cahaya laser [5]. Sebelum Compact Disc digunakan sebgai kisi difraksi, jarak celah (Pits) dalam CD diukur mengunakan pola difraksi yang dibentuk oleh Laser He-Ne pada CD tersebut. Hasil pengukuran panjang gelombang kedua kisi difraksi dibandingkan. METODE PENELITIAN Metode Penelitian yang digunakan adalah metode ekperimen yaitu mengukur panjang gelombang beberapa laser dioda mengunakan kisi difraksi transmisi dan refleksi. Kisi difraksi transmisi yang digunakan adalah kisi difraksi merk Phywee 300 garis/mm sedangkan kisi difraksi refleksi yang digunakan adalah CD kosong dengan dua kapasitas memori yaitu 700 MB dan 720 MB. (a) Laser He-Ne Laser Merah Laser Hijau Laser IR (b) Gambar 14. Jenis Kisi Difraksi dan Laser yang digunakan Laser yang digunakan ada empat yaitu laser He-Ne dengan panjang gelombang 632,8 nm, laser dioda dengan keluaran warna Hijau, warna Merah, dan Laser Dioda Infra Merah. Masing-masing laser dioda mempunyai panjang gelombang puncak 532 nm, 638 nm, dan 830 nm menurut datasheet dari pabriknya. Gambar 1 memperlihatkan bentuk kisi difraksi yang dan laser yang digunakan. Laser Helium Neon digunakan untuk menentukan d pada CD karena panjang gelombangnya terdefenisi dan stabil. 3 laser dioda adalah laser yang akan diukur panjang gelombang sebenarnya. Kisi Difraksi (Difraction Grating) terbuat dari deretan guratan-guratan (groove) yang mempunyai jarak yang sama. Cahaya yang mengenai guratan-guratan tersebut akan dipantulkan atau diteruskan pada lintasan berbeda sehingga mempunyai fase yang berbeda. Sinar-sinar yang 168 Semirata 2013 FMIPA Unila
dipantulkan atau ditransmisikan tersebut akan berinterferensi membentuk pola difraksi yang berupa titik terang yang mempunyai jarak y atau x dari pusat pola difraksi. Titik terang/maximum terjadi pada sudut dimana beda lintasan kedua berkas sinar adalah perkalian bilangan bulat dengan panjang gelombang laser yang digunakan. Sudut yang dibentuk pola difraksi pada layar dapat ditentukan dari jarak layar dari kisi (L) dan jarak titik terang orde ke n dari pusat pola (x). Pada pengukuran ini titik yang diukur adalah untuk orde n=1 dan n=-1. Jika d adalah jarak antara guratan maka panjang gelombang ditentukan mengunakan rumus d sin = n, sin = x/l (1) Kisi difraksi transmisi terdiri dari guratan-gratan yang dibuat pada bahan kaca atau plastik dengan jumlah guratan tertentu per mm. Dari jumlah guratan atau garis per mm, jarak antara guratan dapat ditentukan. Untuk penelitian ini adalah 300 garis/mm dengan d = 3,3 m. Untuk Kisi difraksi refleksi yaitu CD, d adalah jarak antara pit ( lokasi dimana data direkam mengunakan sinar laser) seperti diperlihatkan pada Gambar 2. Pada umumnya d pada CD mempunyai harga 1,6 m. Prosedur Pengukuran Jarak Track/pits pada CD dan Panjang Gelombang Laser Gambar 3. Skema pengukuran d pada CD dan Pengukuran panjang gelombang laser dioda dengan CD Sebelum CD digunakan sebagai kisi difraksi refleksi, jarak antar pits atau guratan diukur mengunakan laser He-Ne karena laser He-Ne mempunyai panjang gelombang terdefenisi yaitu 632,8 nm. Skema alatnya diperliharkan pada Gambar 3. Cahaya laser mengenai sebuah cermin kemudian dipantulkan ke CD yang akan diukur. Cermin digunakan untuk memudahkan pengaturan berkas laser ke CD. Pola difraksi pantulan dari CD diamati pada layar yang sudah diberi skala. Sudut yang dibentuk pola difraksi pada layar ditentukan dari jarak layar dari kisi (L) dan jarak titik difraksi orde ke n dari pusat pola (x). Pada pengukuran ini titik yang diukur adalah untuk orde n=1 dan n=-1. Jarak d ditentukan mengunakan rumus d = n / sin, sin = x/l (2) Gambar 2. Geometri CD penyimpang data, perbedaan Pit dan Land dan jarak antar Pit (d) [6] Setelah d CD ditentukan, CD digunakan untuk mengukur panjang gelombang beberapa laser dioda dengan panjang gelombang menurut pabriknya (datasheet) yaitu laser hijau (532 nm), Laser merah (638 nm) dan Laser IR (830 nm). Skemanya sama seperti Gambar 3 akan tetapi laser He-Ne diganti dengan laser yang akan diukur. Semirata 2013 FMIPA Unila 169
Minarni, dkk: Pengukuran Panjang Gelombang Cahaya Laser Dioda Mengunakan Kisi Difraksi Refleksi dan Transmisi Prosedur Pengukuran Panjang Gelombang Laser Mengunakan Kisi Difraksi Transmisi Tabel 4. Hasil Pengukuran d pada CD kapasitas CD d (nm) d (nm) 700 MB 1454,5 4,1 720 MB 1463,3 6,2 Gambar 4. Skema pengukuran panjang gelombang laser dioda dengan kisi transmisi Pengukuran dengan kisi diraksi transmisi dilakukan seperti pada Gambar 4. Cahaya Laser dapat mengenai cermin kemudian dikirim ke kisi. Kemudial pola difraksi di tangkap oleh layar yang sudah ada skalanya. Pengukuran dilakukan dengan rumus dan cara yang sama dengan yang digunakan untuk mengukur panjang gelombang beberapa laser dioda dengan kisi difraksi refleksi. HASIL DAN PEMBAHASAN Tabel 1 merupakan hasil pengukuran jarak pits (d) pada CD untuk kapasitas CD yang berbeda menunjukkan jarak/lebar yang lebih besar pada kapasitas yang lebih besar. Akan tetapi, harga d ini yaitu sekitar 1500 nm lebih kecil dari harga d pada CD pada umumnya yaitu sekitar 1600 nm atau 1,6 m [6]. Tabel 2 adalah hasil pengukuran panjang gelombang laser hijau, merah dan Infra Merah (IR) dengan pengukuran sebanyak 17-18 kali. Hasil pengukuran dengan kisi difraksi refleksi (CD) dengan kapasitas 700 MB lebih besar dibanding dengan kisi transmisi dan relatif kesalahannya dua kali lebih besar. Ini diperkirakan karena d yang digunakan lebih kecil dari yang seharusnya. Dari hasil penelitian, jarak antar titik terang untuk setiap panjang gelombang berbeda jika diperoleh mengunakan CD dan kisi difraksi transmisi ini dimana jarak antara orde lebih besar jika CD yang digunakan, ini karena pada kisi difraksi transmisi d nya adalah 3,3 m sedangkan CD 1,6 m. Jarak guratan yang kecil menyebabkan sudut difraksi yang besar, jika jarak ke layar dibuat tetap maka x atau y jadi lebih besar. Tabel 2. Hasil Pengukuran Gambar 5. Pengukuran dengan kisi difraksi Refeksi (atas) dan dengan kisi difraksi transmisi (bawah) mengunakan laser merah. Posisi laser merah berbeda untuk kedua metode. Jenis laser transmisi (nm) refleksi data sheet Laser I 532,0 532,4 532,0 Laser II 633,4 637,8 638,0 Laser III 834,1 835,3 830,0 170 Semirata 2013 FMIPA Unila
KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan antara lain, jarak antara pit atau lebar yang diperoleh adalah 1463,6 6,2 nm dan 1454,4 4,1 nm untuk masing masing CD atau dibulatkan menjadi 1,5 m yang lebih kecil dari referensi yaitu 1,6 m. Pengukuran mengunakan kisi difraksi transmisi mempunyai kesalahan yang lebih rendah dibanding pengukuran mengunakan kisi difraksi refleksi masing masing yaitu 532,0 0,7 nm dan 532,4 1,8 nm, 633,4 1,67 dan 637,8 3,1, 834,1 3,1 dan 835,3 5,1. Harga ini mendekati harga yang tertera pada masing-masing kemasan Laser yaitu Hijau 532 nm, Merah 638 nm, dan Infra Merah 830 nm. DAFTAR PUSTAKA [1]. E. Hecht, (1987). Optics, 2nd Ed, Addison Wesley [2]. A. Harper, G. Isoardi, and K. Nickels. (2008). Measuring wavelength of light (Teacher worksheet), Queensland University of Technology. [3]. Tellinghuisen, Joel. (2002). Exploring the Diffraction Grating Using a He-Ne Laser and CD-ROM. Journal of Chemical Education 79:703-704. [4]. T. C. Black. (2005). Physics 102 Lab 8: Measuring wavelengths with a diffraction grating, http://www.amhslions.com Diakses Tanggal 3/1/13 [5]. J.K.Kiel. (2007). Experiment with CDROMS. http://astro.ustrasbg.fr/~koppen/spectro/e xperimtse.html. Diakses Tanggal 3/1/13. [6]. A. Tippie and T. Lee (2008). Exeriments with Diffraction, http://www.optics.rochester.edu /workgroups/berger/.../eday2008_diffr action.pdf. Diakses Tanggal 3/1/13 Semirata 2013 FMIPA Unila 171