Pengukuran Panjang Gelombang Cahaya Laser Dioda Menggunakan Kisi Difraksi Refleksi dan Transmisi G. Lestari 1, Minarni 2, Saktioto 3 1 Mahasiswa Program S1 Fisika 2 Bidang Fisika Laser 3 Bidang Fisika Fiber Optik Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Kampus Binawidya Pekanbaru, 28293, Indonesia. Gita_lestari90@ymail.com ABSTRACT Diode laser is a laser with a semiconductor material. Nowdays, it is available at a relatively low price in different wavelength. The wavelength can be measured using the diffraction method with diffraction grating. In this research there are two types of diffraction grating i.e a reflection grating using a compact disc (CD) and a transmission grating from Phywee with 300 slits/mm. They were used for measuring the wavelength of four diode lasers with different wavelengths. The CD used are two empty CDs with the capacity of 720 MB and 700 MB, respectively. In order to be used as a reflection grating, the distance between pits in the CD must be known as a slit width. The distance was measured using a He-Ne laser light with a stable wavelength of 632,8 nm. The research results showed that the distance between pit width obtained are 1463,6 ± 6,2 nm and 1454,4 ± 4,1 nm for each CD. The measurement using the transmission grating has a lower standard deviation than the measurement using the reflection grating i.e 532,0 ± 0,7 nm and 532,4 ± 1,8 nm; 633,4 ± 1,67 nm and 637,8 ± 3,1 nm; 834,1 ± 3,1nm and 835,3 ± 5,1 nm, in contrast with an infrared laser (Near IR) with standard deviations lower for the reflection grating which are 786,7 ± 1,7 nm and 784,4 ± 2,5 nm. These values are comparable to the values listed on the packaging of each Laser which are Green Laser 532 nm, Red 638 nm, Infrared (Near IR) 785 nm and Infrared 830 nm. Keywords: Wavelength, Compact Disc, Diffraction Grating, He-Ne Laser, Diode laser ABSTRAK Laser dioda adalah laser dengan bahan semikonduktor. Saat ini, tersedia laser dioda yang harganya relalif murah dengan berbagai panjang gelombang. Secara sederhana, panjang gelombang laser dioda dapat diukur menggunakan metode difraksi dengan sebuah kisi difraksi. Pada penelitian ini dua jenis kisi difraksi yaitu kisi difraksi refleksi menggunakan sebuah compact disc (CD) dan kisi difraksi transmisi merk Phywee dengan 300 garis/mm 1
digunakan untuk mengukur panjang gelombang empat laser dioda dengan panjang gelombang yang berbeda. CD yang digunakan adalah CD yang belum diisi data dengan kapasitas 720 MB dan 700 MB. Karena kisi difraksi refleksi yang digunakan adalah CD kosong, dimana jarak antar pit/lubang belum diketahui, maka perlu diukur menggunakan cahaya Laser He-Ne dengan panjang gelombangnya 632,8 nm yang lebih stabil. Dari hasil penelitian, jarak antar pit atau lebar yang diperoleh adalah 1463,6 ± 6,2 nm dan 1454,4 ± 4,1 nm untuk masing masing CD. Pengukuran menggunakan kisi difraksi transmisi mempunyai standar deviasi yang lebih rendah dibanding pengukuran mengunakan kisi difraksi refleksi untuk laser dengan panjang gelombang yaitu 532,0 ± 0,7 nm dan 532,4 ± 1,8 nm; 633,4 ± 1,67 nm dan 637,8 ± 3,1 nm; 834,1 ± 3,1 nm dan 835,3 ± 5,1 nm, berbeda dengan laser infra merah (Near IR) standar deviasi lebih rendah untuk kisi difraksi refkleksi yaitu 786,7 ± 1,7 nm dan 784,4 ± 2,5 nm. Harga ini mendekati harga yang tertera pada masing-masing kemasan Laser yaitu Laser Hijau 532 nm, Merah 638 nm, Infra Merah (Near IR) 785 nm dan Infra Merah 830 nm. Kata kunci: Panjang Gelombang, Compact Disc/CD, Kisi Difraksi,Laser He-Ne, Laser Dioda. PENDAHULUAN Laser adalah sebuah sumber cahaya yang koheren, hampir monokromatik dan searah. 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, selain itu laser dioda mempunyai kekurangan yaitu bentuk berkasnya yang eliptikal dan panjang gelombang mudah berubah karena perubahan lingkungan. Pengukuran panjang gelombangnya perlu dilakukan. Laser dioda merupakan laser yang paling banyak aplikasinya dibanding laser jenis lainnya. karena laser dioda tersedia secara komersial dengan berbagai panjang gelombang, daya yang besar dan harga yang relatif murah. Laser dioda memiliki bermacam-macam aplikasi, disamping itu 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 wavemeter. Secara sederhana, panjang gelombang cahaya baik itu laser maupun lampu dapat diukur menggunakan metode difraksi dengan sebuah kisi difraksi (Tellinghuisen, 2002). Metode ini dapat digunakan sebagai modul praktikum optik dalam pengenalan konsep difraksi. Kisi difraksi ada dua jenis yaitu kisi difraksi refleksi dan transmisi (Black, 2005). Kedua jenis ini dibedakan berdasarkan hasil pola difraksi yang dihasilkan. Pada kisi 2
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 (Kiel, 2007). 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 (Kiel, 2007). Sebelum Compact Disc digunakan sebagai kisi difraksi, jarak celah (Pits) dalam CD diukur menggunakan 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 menggunakan 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. Laser yang digunakan ada lima 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, 785 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. 4 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 dipantulkan atau ditransmisikan tersebut akan berinterferensi membentuk pola difraksi yang berupa titik terang yang mempunyai jarak y 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 (y). Pada pengukuran ini titik yang diukur adalah untuk orde n=1 dan n=-1. Jika d adalah jarak antara guratan maka panjang gelombang ditentukan menggunakan rumus mλ = d sin θ, sin θ = y/a (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, 3
jarak antar guratan dapat ditentukan. Untuk penelitian ini adalah 300 garis/mm dengan d = 3,3 µm. Untuk Kisi difraksi refleksi yaitu CD, d adalah jarak antara pit (lokasi dimana data direkam menggunakan sinar laser) seperti diperlihatkan pada Gambar 2. Pada umumnya d pada CD mempunyai harga 1,6 µm (Coan, 1999). Gambar 1. Struktur CD penyimpan data, jarak antar pit (Coan, 1999). a. Prosedur Pengukuran Jarak Track/pits pada CD dan Panjang Gelombang Laser Gambar 2. Skema pengukuran d pada CD dan Pengukuran panjang gelombang laser dioda. Sebelum CD digunakan sebagai kisi difraksi refleksi, jarak antar pits atau guratan diukur menggunakan 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 (y). Pada pengukuran ini titik yang diukur adalah untuk orde m=1 dan m=-1. Jarak d ditentukan menggunakan Persamaan 1, sehingga didapat: d = m λ/ sin θ, sin θ = y/a (2) 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), Laser infra merah (Near IR) dan Laser IR (830 nm). Skemanya sama seperti Gambar 3 akan tetapi laser He-Ne diganti dengan laser yang akan diukur. 4
b. Prosedur Pengukuran Panjang Gelombang Laser Menggunakan Kisi Difraksi Transmisi Gambar 3. 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. Kemudian pola difraksi di tangkap oleh layar yang sudah ada skalanya. Pengukuran dilakukan menggunakan rumus dan cara yang sama dengan yang digunakan untuk mengukur panjang gelombang beberapa laser dioda dengan kisi difraksi refleksi. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada penelitian ini diperoleh jarak antar pits/lubang pada CD kosong kapasitas 700 MB dan 720 MB. Pengukuran panjang gelombang empat laser dioda dari masing-masing metode kisi difraksi transmisi dan refleksi. Tabel 1: Hasil Pengukuran d rata-rata pada CD kosong Kapasitas CD d (nm) Standar Diviasi (σ) 700 MB 1454,5 4,1 720 MB 1463,3 6,2 referensi 1600,0 - untuk nilai standar deviasi menggunakan Persamaan sebagai berikut: (3) Gambar 4. Histrogram perbedaan d rata-rata dari setiap kapasitas CD kosong 5
Tabel 1 dan Gambar 4 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 µm (Coan, 1999). Tabel 2: Hasil Pengukuran panjang gelombang rata-rata empat laser dioda λ (nm) Jenis Laser Transmisi Refleksi Data sheet Laser hijau 532,0 532,4 532,0 Laser merah 633,4 637,8 638,0 Laser infra merah (Near IR) 787,4 786,7 785,0 Laser IR 834,1 835,3 830,0 Tabel 2 adalah hasil pengukuran panjang gelombang laser hijau, merah, Infra Merah (Near IR) dan laser IR dengan pengukuran sebanyak 3 set. Hasil pengukuran dengan kisi difraksi refleksi (CD) dengan kapasitas 720 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 µm sedangkan CD 1,6 µm. Jarak guratan yang kecil menyebabkan sudut difraksi yang besar, jika jarak ke layar dibuat tetap maka y jadi lebih besar. KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan antara lain, jarak antar 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 µm yang lebih kecil dari referensi yaitu 1,6 µm. Pengukuran menggunakan kisi difraksi transmisi mempunyai standar deviasi yang lebih rendah dibanding pengukuran menggunakan kisi difraksi refleksi untuk laser dengan panjang gelombang yaitu 532,0 ± 0,7 nm dan 532,4 ± 1,8 nm; 633,4 ± 1,67 nm dan 637,8 ± 3,1 nm; 834,1 ± 3,1 nm dan 835,3 ± 5,1 nm. Laser infra merah (Near IR) standar deviasi lebih rendah untuk kisi difraksi refleksi yaitu 786,7 ± 1,7 nm dan 784,4 ± 2,5 nm. Harga ini mendekati harga yang tertera pada masing-masing kemasan Laser yaitu Hijau 532 nm, Merah 638 nm, Infra Merah (Near IR) 785 nm dan Infra Merah 830 nm. 6
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Dr. Minarni M.Sc. yang telah sabar dalam membimbing penelitian ini, memberikan saran dan masukan demi kesempurnaan penulisan karya ilmiah ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Saktioto, M.Phil. yang juga memberikan saran demi kesempurnaan penulisan karya ilmiah ini. DAFTAR PUSTAKA Black, T. C. 2005. Measuring wavelengths with a diffraction grating. http://www.amhslions.com. Physics 102 Lab 8. Diakses Tanggal 3/1/13 Coan, T.E. 1999. Diffraction and Compact Discs. Phys 1301. Hecht, E. 1987. Optics. 2nd Ed, Addison Wesley. Kiel, J. K. 2007. Experiment with CDROMS. http://astro.ustrasbg.fr/~koppen/spectro/expermtse.html. Diakses Tanggal 3/1/13 Tellinghuisen, J. 2002. Exploring the Diffraction Grating Using a He-Ne Laser and CD- ROM. Journal of Chemical Education 79:703-704. Pedrotti, L. M. 1999. Photon Statistics of A Single Atom Laser. Jounal of Physics and Computer Science 60:4. Wiley, et. al. 2009. Scientific, Technical, Medical, and Scholarly (Wiley-Blackwell). John Wiley & Sons, Inc. Wieman, et. al. 1991. Using Diode Laser for Atomic Physics. Scientific Intrumens 62:100-102 7