LASER EDUCATION KIT CA 1100 DETECTION

BAB I

PENDAHULUAN

1.1  Latar Belakang

LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, dapat diartikan penguatan intensitas cahaya oleh pemancaran radiasi yang terstimulasi. Melalui proses stimulasi ini, cahaya yang dipancarkan oleh laser dapat memiliki karakteristik, yakni:

1. Monokromatik: memiliki satu panjang gelombang yang spesifik.

2. Koheren: memiliki frekuensi yang sama.

3. Menuju arah yang sama (sehingga menempuh garis lurus).

Karakteristik di atas sangat berbeda dengan cahaya dari dari lampu yang cahayanya lemah karena memiliki panjang gelombang dan frekuensi bermacam-macam, cahaya laser memiliki sifat kuat dan terkonsentrasi. Yang dimaksud dengan cahaya dalam istilah laser adalah gelombang elektromagnetik secara umum, sehingga “cahaya” yang digunakan tidak hanya cahaya tampak, namun juga gelombang inframerah, ultraungu, sinar-X dan lainnya.

Saat ini kata laser telah menjadi perbendaharaan kata sehari-hari sehingga laser dapat juga di anggap sebagai alat yang dapat memancarkan cahaya (gelombang elektromagnetik) yang mempunyai sifat monokromatis, koheren, terarah dan mempunyai ingkat kecerahan tinggi. Prinsip yang melandasi mekanisme kerja laser dapat ditelusuri lebih lanjut dengan menelaah sifat elektron yang berada di dalam atom. Mekanisme laser melibatkan tiga proses dasar interaksi radiasi dengan materi yaitu serapan, emisi spontan, dan emisi terstimulasi. Pada kondisi kesetimbangan termal proses serapan dan emisi spontan saling mengimbangi sehingga untuk menghasikan laser maka emisi terstimulasi harus diperbesar.

Di dalam percobaan laser ini, kita akan menggunakan education kit CA 1100 detection.. Sumber cahaya yang digunakan adalah lampu halogen. Dari hasil percobaan ini nantinya kita akan mengetahui panjang gelombang, frekuensi dan tegangan output yang dihasilkan pada masing-masing warna.

1.2  Tujuan

           1.      Untuk mengetahui panjang gelombang, frekuensi dan tegangan output yang dihasilkan pada masing-               masing warna.

2.      Untuk mengetahui prinsip kerja laser.

3.      Untuk mengetahui aplikasi dari laser education kit CA-1100.

BAB II

LANDASAN TEORI

LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission and Radiation. Telah diperkenalkan pada tahun 1958. Sedangkan, MASER adalah singkatan dari Microwave Amplification by Stimulated Emission and Radiation. Telah diperkenalkan pada tahun 1955. Kita akan membatasi pembahasan untuk LASER.

            Laser banyak dipakai dalam bidang-bidang optik, fisika, teknologi dan kedokteran. Laser digunakan untuk menghasilkan suatu berkas cahaya tampak yang intensitasnya kuat, monokhromatis dan koheren (dengan arah tunggal). Untuk mengerti cara kerjanya laser, maka terlebih dahulu harus mengerti istilah-istilah seperti emisi stimulasi/pancaran terangsang (stimulated emission), optical pumping, inversi populasi (population inversion).

            Atom-atom bebas sebagian berada dalam keadaan dasarnya dengan tenaga E₁ dan sebagian lagi dalam keadaan tenaga terinduksi dalam keadaan tenaga tereksitasi E₂. Bila foton dengan tenaga hf = E₂ - E₁ menumbuk atom-atom tadi, maka foton dapat berinteraksi dengan atom-atom dengan cara sebagai berikut ini : foton yang datang diserap oleh suatu atom yang berada keadaan dasar E₁, sehingga menyebabkan atom tadi menjadi tereksitasi pada keadaan E₂. Proses tersebut disebut absorpsi stimulasi/terinduksi. Untuk atom-atom yang berada dalam keadaan tereksitasi ada dua hal yang mungkin terjadi yaitu : (1) atom dapat meluruh dengan mengadakan emisi spontan, atom mengemisikan sebuah foton dengan tenaga hf = E₂ - E₁ dalam arah yang sembarang. (2) atom dalam keadaan tereksitasi E₂ akan meluruh secara emisi terinduksi/stimulasi, dalam hal ini foton yang datang dengan tenaga hf = E₂ – E₁, menginduksi atom untuk meluruh dengan memancarkan sebuah foton yang menjalar dalam arah yang sama dengan foton yang akan datang. Untuk setiap foton yang datang akan ada dua foton yang pergi dalam arah yang sama, sehingga diperoleh seberkas sinar koheren yang searah dan diperkuat. Untuk sinar laser maka harus diusahakan emisi terinduksi/stimulasi yang jauh lebih besar dari pada emisi spontan.

            Andaikan suatu material yang atom-atomnya dapat berada dalam tiga keadaan yang berbeda yaitu keadaan dasar E₁ keadaan tereksitasi E₃ di mana atom hanya dapat tinggal diam selama kurang lebih 10^-8 detik, keadaan menstabil E₂ di mana atom dapat tinggal diam selama kurang lebih 10^-3 detik. Andaikan foton-foton yang datang dengan energi hf ' = E₃ – E₁ dapat mengangkat atom-atom dari keadaan dasar E₁ ke keadaan tereksitasi E₃, tapi atom-atom yang tereksitasi tidak meluruh kembali ke E₁, melainkan atom dari keadaan E₃ meluruh ke keadaan menstabil E₂ yang mempunyai umur hidup jauh lebih besar daripada E₃. Atom-atom mencapai keadaan E₂ jauh lebih cepat daripada mereka meninggalkan state/keadaan E₂. Hal tersebut menyebabkan keadaan E₂ mengandung lebih banyak atom-atom daripada keadaan E₁, sehingga terdapat suatu inversi populasi. Proses dimana inversi populasi tercapai disebut pemompaan optic/optical pumping.

            Bila inversi populasi sudah dicapai dank arena atom dalam keadaan menstabil E₂ maka dengan menembaki atom-atom itu dengan foton-foton yang energinya sama dengan hf = E₂ – E₁ akan dihasilkan suatu emisi terinduksi yang memberikan suatu berkas sinar koheren dengan intensitas yang kuat dan searah dengan arah foton-foton yang datang.

            Dua jenis laser yang paling popular adalah laser ruby/batu delima dan laser helium-neon. Laser ruby terdiri dari 0,05% atom-atom Chromium (Cr) dalam aluminiumoxida (Al₂O₃). Diagram tingkatan tenaga dari ion-ion Cr yang menghasilkan laser. Optical pumping akan dihasilkan bila foton-foton datang mempunyai panjang gelombang 5500 Å yang mengangkat ion-ion Cr dari keadaan E₁, ke keadaan E₃, selanjutnya meluruh ke keadaan menstabil E₂, yang menghasilkan inversi populasi (population inversion). Bila keadaan menstabil ini disinari oleh cahaya merah dari ruby yang panjang gelombangnya 6943 Å, maka akan dihasilkan suatu emisi terinduksi dari sinar laser yang koheren dengan intensitas yang kuat. Dalam konstruksi dari laser ruby dipakai sumber cahya eksternal untuk menghasilkan optical pumping. Di samping itu transisi secara spontan sinar merah ruby dari keadaan E₂ digunakan untuk emisi terinduksi pada keadaan E₂ sendiri. Pada ujung dari batang ruby dilapisi lapisan optic sedemikian rupa sehingga berkas dipantulkan beberapa kali sebelum dipancarkan keluar. Dengan demikian maka akan diperoleh berkas sinar laser dengan intensitas yang tinggi.

            Jenis laser lain yang sering digunakan adalah laser dari Helium-neon (He-Ne). Laser tersebut terdiri dari tabung yang berisikan Helium dan Neon. Dalam perbandingan 7:1 pada tekanan 1 mmHg (1 torr). Atom-atom Helium adalah dalam keadaan terksitasi pada state-menstabil akibat tumbukan-tumbukan dengan electron-elektron dalam tabung itu. Atom-atom He yang tereksitasi bertumbukan dengan atom-atom neon yang tidak tereksitasi dan mentransfer tenaganya sehingga menghasilkan suatu inversi populasi dalam atom-atom Neon. Sinar laser terjadi pada atom-atom neon ini dengan transisi yang bersesuaian dengan panjang gelombang 6328 Å, 11523 Å, dan 3,39 µm. Bila system dalam kesetimbangan termal, maka jumlah dari atom-atom dalam masing-masing keadaan tenaga adalah konstan. (Prof. Dr. Muljono, 2003)

Secara umum, untuk gas, perluasan tingkat energi lebih kecil (sedikitnya gigahertz atau kurang), karena perluasan garis mekanik lebih lemah daripada padatan. Untuk gas pada tekanan rendah sering menggunakan laser (sedikit Torr), termasuk tumbukan perluasan sangat kecil, dan lebar garis walaupun secara mendasar ditentukan oleh perluasan Doppler. Untuk alasan ini optical pumping dengan lampu yang digunakan untuk keadaan laser padat tidak digunakan dalam gas.

            Ini seharusnya, dalam faktanya, sangat tidak efisiensi karena spektrum pemancaran lampu ini lebih atau kurang berlanjut, dimana tidak ada penyerapan dari luar dalam material aktif. Hanya kasus yang mana aksi laser membuat suatu gas ole rata-rata optical pumping jenis ini bahwa Cs dipompa oleh suatu lampu linier mengandung He. Dalam kasus ini situasi menenagkan baik untuk optical pumping karena beberapa pemancaran garis He diteruskan dengan penyerapan garis Cs. Betapapun, pentingnya laser ini terbaring lebih dalam prosedurnya secara nyata : Cs, yang mana menguap pada suatu suhu 175 ^oC, merupakan suatu zat reaktif yang sangat tinggi.

            Untuk pemberhentian arus, banyaknya proses eksitasi ini dan deksitasi akhirnya menjalani beberapa distribusi kesetimbangan populasi di antara tingkat energi terbangun. Dengan demikian ini dapat dilihat bahwa produksi duatu inversi populasi dalam suatu gas lebih rumit prosesnya daripada keadaan laser padatan, berhutang bilangan besar fenomena yang rumit. Pada umumnya kita dapat mengatakan bahwa suatu inversi populasi antara dua tingkat akan terjadi ketika keduanya terjadi mengikuti lingkungan sekitar: (i) laju eksitasi lebih besar untuk tingkat laser tertinggi daripada untuk tingkat laser terendah, dan (ii) peluruhan tingkat laser tertinggi lebih lambat daripada untuk tingkat laser terendah. Kita mengulang lagi yang terakhir bahwa sebuah kondisi yang penting untuk operasi cw. Jika kondisi ini tidak memuaskan, namun, aksi laser masih dapat terjadi operasi pulsa terendah menyediakan kondisi (i) dipenuhkan (kesudahan laser itu sendiri). (Orazio Svelto, 1982) 

Setiap atom/molekul memiliki tingkat-tingkat energi, elektron hanya diperbolehkan berada di tingkat energi tersebut. Jika elektron berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi lain maka kita mengatakan atom/molekul mengalami transisi. Transisi ke tingkat energi lebih tinggi disebut eksitasi dan transisi ke tingkat energi lebih rendah disebut deeksitasi.

Proses-proses transisi dalam atom/molekul antara lain serapan imbas (induction absorption), pancaran spontan (Spontaneous Emission) dan pancaran terstimulasi (Stimulated Emission). Jika sebuah atom/molekul melakukan transisi dari keadaan E1 ke keadaan E2 yang aras energinya lebih tinggi maka atom menyerap foton berenergi hv. Energi serap ini sama dengan selisih kedua aras energi. Proses ini disebut serapan terimbas.

Proses sebaliknya dapat pula terjadi yaitu atom atau molekul yang berada di keadaan E2 melakukan transisi ke keadaan E1 dengan memancarkan foton berenergi sama dengan selisih kedua aras energi. Ada dua kemungkinan terjadinya transisi dari keadaan E2 ke keadaan E1.

Kemungkinan pertama adalah atom/molekul yang berada di keadaan E2 melakukan transisi secara spontan ke keadaan E1. Proses demikian disebut pancaran spontan. Kemungkinan kedua adalah transisi terjadi karena dirangsang oleh foton yang datang pada atom/molekul. Proses demikian disebut pancaran terstimulasi. Dalam Laser proses pancaran terangsang harus dominan. Misalkan populasi atom/molekul yang berada pada tingkat energi E1 adalah N1. Lalu sebuah atom menyerap foton berfrekuensi 𝑣.

Populasi N1 akan berkurang seiring dengan atom-atom yang mengalami eksitasi, jumlah atom yang tereksitasi sebanding dengan intensitas foton datang. Cacah atom/molekul yang mengalami transisi dapat dituliskan 𝐵12 𝐼 𝑣 dengan 𝐼 𝑣 adalah intensitas foton yang diserap dan 𝐵12 adalah koefisien serapan Einstein.

Misalkan populasi atom/molekul yang berada pada keadaan tereksitasi di tingkat energi E2 adalah N2. Atom/molekul ini akan mengalami transisi deeksitasi ke tingkat energi dasar E1 dan memancarkan radiasi foton (karena E2 > E1). Proses ini terjadi tanpa pengaruh dari luar (lingkungan sistem) dan disebut sebagai emisi spontan.

Akibat adanya emisi spontan ini maka populasi atom/molekul yang berada pada keadaan E2 berkurang. Laju pancaran spontan tergantung pada populasi atom/molekul di E2. Jika laju pancaran spontan adalah 𝐴21 (disebut juga koefisien pancaran spontan Einstein) sedang N2 adalah populasi atom/molekul yang berada pada keadaan E2. Atom/molekul yang mengalami deeksitasi tidak hanya terjadi secara spontan, bisa juga terjadi karena ada foton yang mengenai atom/molekul tersebut. Jika atom/molekul yang berada pada keadaan tereksitasi (tingkat energi E2).

Laser bisa dibuat hanya jika N2 > N1 yang tentu saja tidak alamiah, keadaan terbalik seperti ini disebut inversi populasi. Inversi populasi ini harus dipertahankan selama laser bekerja. Cara untuk memperoleh inversi populasi disebut pemompaan (pumping) antara lain dengan cara Pumping Elektris (memasang tegangan tinggi) dan Pumping Optis (disinari dengan cahaya). Pemompaan elektris adalah penembakan elektron melalui lucutan listrik, sedang pemompaan optis dengan cara penembakan foton. Untuk menuju keadaan inversi populasi pemompaan ini harus melakukan pemindahan atom ke tingkat eksitasi dengan laju yang lebih cepat dibandingkan dengan laju emisi spontannya. Hal ini dapat dilakukan jika menggunakan medium laser yang atom-atomnya memiliki tingkat energi yang metastabil. Keadaan metastabil ini waktunya relatif lebih lama sebelum terdeeksitasi dibandingkan dengan umurnya di tingkat eksitasi yang lain. Dengan demikian pada saat pemompaan terus berlangsung, terjadi penumpukan di tingkat metastabil, populasinya akan lebih padat dibandingkan dengan populasi tingkat energi di bawahnya.

Bila suatu saat secara spontan dipancarkan satu foton saja yang berenergi sama dengan selisih energi antara tingkat metastabil dengan tingkat dasar, ia akan memicu dan mengajak atom-atom lain di tingkat metastabil untuk kembali ke tingkat dasar. Akibatnya atom-atom itu melepaskan foton-foton yang energi dan fasenya persis sama dengan foton yang mengajaknya tadi, terjadilah laser. Proses demikian inilah yang banyak terjadi pada jenis laser seperti laser ruby dan laser-laser gas. Pada laser cara pemompaan optis ini laser ini dihasilkan melalui transisi atom dari tingkat metastabil ke tingkat energi dasar. Pemompaan optisnya dilakukan dengan menempatkan batang ruby di dalam tabung yang dapat menghasilkan kilatan cahaya. Foton-foton yang dihasilkan tabung ini akan bertumbukan dengan atomatom/ molekul dalam ruby, mengakibatkan eksitasi besar-besaran ke pita tingkat energi tinggi. Dengan cepat ion-ion itu meluruh ke tingkat metastabil, di tingkat ini mereka berumur kira-kira 0,005 detik, suatu selang waktu yang relatif cukup panjang dibanding dengan waktu rata atom mengalami eksitasi. sebelum mereka kembali ke tingkat energi dasar. Tentu saja pemompaan terjadi dengan laju yang lebih cepat dibanding selang waktu tersebut sehingga terjadi inversi populasi. Setelah terjadi satu saja pancaran spontan, maka beramai-ramailah atom yang lain melakukan hal yang sama, dan mereka semua memancarkan foton dengan energi dan fase yang sama, yaitu laser.

Jika pada laser ini dibuatkan rongga resonansi optis maka cacah foton yang dipancarkan dapat dibuat banyak sekali. Rongga resonansinya adalah batang ruby itu sendiri. Batang tersebut harus dipotong dan digosok rata di kedua ujungnya. Kedua ujung juga harus betul-betul sejajar, yang satu dilapisi tebal dengan perak dan satunya lagi tipis- tipis saja. Akibatnya rapat energi foton makin lama makin besar dengan terjadinya pemantulan berulang-ulang yang dilakukan kedua ujung batang ruby, sampai suatu saat ujung yang berlapis tipis tidak mampu lagi memantulkan foton yang datang, sehingga tumpahlah foton-foton dari ujung tersebut sebagai sinar yang kuat, monokromatik dan koheren yang tidak lain adalah laser. Pada saat pancaran terangsang berlangsung, tentu saja tingkat metastabil akan cepat sekali berkurang populasinya. Akibatnya keluaran laser terdiri dari pulsa-pulsa berintensitas tinggi yang selangnya masing-masing sekitar beberapa nanodetik sampai milidetik.

Sistem laser dengan pemompaan elektris menggunakan gas sebagai media. Gas yang dipakai bisa terdiri dari satu atau lebih jenis gas yang ditempatkan dalam tabung. Kedua ujung tabung dipasangi elektroda yang diberi tegangan listrik tinggi. Tegangan listrik tinggi ini membuat lucutan elektron yang bergerak dari katoda ke anoda melewati atom-atom gas. Elektron yang menumbuk atom gas memberikan energi ke atom tersebut. Dalam keadaan normal atom gas berada di tingkat energi dasarnya, pada saat elektron lucutan menumbuk atom gas ia mendapatkan energi untuk tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi. Kedua ujung tabung juga dapat dipasangi cermin agar foton yang teremisi dapat mengalami pemantulan bolak-balik yang tentunya juga dapat mengeksitasi atom gas lainnya. Dengan demikian inversi populasi akan bisa diperoleh dan kondisi untuk menghasilkan laser terpenuhi.

(http://docslide.net/documents/konsep-dasar-laser.html.#sthash.GST35xgi.dpuf.)  

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Peralatan Dan Fungsi

1.   Rel Datar

      Fungsi : sebagai tempat dudukan komponen percobaan.

2.   Lampu Halogen

      Fungsi : sebagai sumber cahaya.

3.   Collimating dan fokus optik

      Fungsi : sebagai alat untuk memfokuskan sinar yang masuk.

4.   Panjang gelombang pemisah

      Fungsi : sebagai pemisah gelombang dan pengatur panjang gelombang tiap warna yang 

                    dihasilkan.

5.   Beam pembentuk dan optik

      Fungsi : sebagai pembentuk cahaya pada optik.

6.   Light chopper

      Fungsi : untuk memfokuskan dan memaksimalkan cahaya.

7.   Fotodetektor termoelektrik

      Fungsi : sebagai pendeteksi jumlah tegangan dari tiap warna yang dihasilkan.

8.   Amplifier

      Fungsi : sebagai pengatur intensitas cahaya dari lampu halogen.

9.   Kontrol elektronik

      Fungsi : sebagai pengatur frekuensi pada light chooper.

10. Multimeter

      Fungsi : sebagai pengukur tegangan dari tiap warna yang dihasilkan.

11. Filter holder

      Fungsi : sebagai tempat dudukan filter BG 39.

12. Filter BG 39

      Fungsi : untuk menyaring frekuensi dalam bentuk long pass filter.

13. Kabel penghubung

      Fungsi : untuk menghubungkan fotodetektor termoelektrik ke multimeter.

3.2 Prosedur Percobaan

 3.2.1 Foto Detektor Termoelektrik tanpa Menggunakan Filter

1. Disediakan peralatan.

2. Dirangkai peralatan seperti pada gambar berikut ini:

3. Dihubungkan fotodetektor termoelektrik ke multimeter dengan kabel penghubung.

4. Dihubungkan peralatan ke arus PLN dan dihidupkan semua peralatan.

5. Dihidupkan lampu halogen.

6. Diatur frekuensi pada light chooper agar cahaya difokuskan dan dimaksimalkan.

7. Diatur panjang gelombang pada panjang gelombang pemisah.

8. Dideteksi cahaya dan ditentukan panjang gelombang masing-masing.

9. Dihitung tegangan yang keluar.

            10. Dicatat data. 

      3.2.2 Foto Detektor Termoelektrik dengan Menggunakan Filter

1. Disediakan peralatan.

2. Dirangkai peralatan seperti pada gambar berikut ini:

 3. Dihubungkan fotodetektor termoelektrik ke multimeter dengan kabel penghubung.

 4. Diletakkan filter BG 39 pada filter holder.

 5. Dihubungkan peralatan ke arus PLN dan dihidupkan semua peralatan.

 6. Dihidupkan lampu halogen.

 7. Diatur frekuensi pada light chooper agar cahaya difokuskan dan dimaksimalkan.

 8. Diatur panjang gelombang pada panjang gelombang pemisah.

 9. Dideteksi cahaya dan ditentukan panjang gelombang masing-masing.

                  10. Dihitung tegangan yang keluar.

                  11. Dicatat data. 

 DAFTAR PUSTAKA

Muljono, Prof. Dr. 2003. “FISIKA MODERN”. Yogyakarta : ANDI.

            Halaman : 87-91

Svelto, Orazio. 1982. “PRINCIPLES OF LASERS”. Second Edition. New York : Plenum Press.

          Pages : 205-207

http://docslide.net/documents/konsep-dasar-laser.html.#sthash.GST35xgi.dpuf

        Diakses pada tanggal : 13 November 2014

        Pukul : 21.09 WIB