ANALISA SPEKTRUM CAHAYA LASER He-Ne MENGGUNAKAN SPEKTROMETER DIGITAL

ANALISA SPEKTRUM CAHAYA LASER He-Ne MENGGUNAKAN SPEKTROMETER DIGITAL Wawan Kurniawana,* dan Ahmad Marzukib a

Jurusan Pendidikan Fisika, IKIP PGRI Semarang Jl. Lontar no. 1 Semarang, Indonesia b PS Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Jl. Ir.Sutami 36A Surakarta, Indonesia *Corresponding author. Tel : 081.326.010.848; Email: [email protected] ABSTRAK Penelitian ini mencoba mengungkap karakter dari laser He-Ne produksi Uniphase dengan panjang gelombang 632,8nm. Penelitian ini menggunakan spektrometer digital yang telah kami buat sebelumya dengan fasilitas dapat kami kontrol pergeseran sudutnya. Penelitian ini kami melewatkan cahaya laser pada kisi transparan dengan 600garis/mm yang menghasilkan pola interverensi gelap terang sebagai data penelitian. Pola gelap terang kami baca per 1,8o dan 0,9o yang kami tampilkan di komputer. Data penelitian kami sajikan dalam bentuk sudut terhadap intensitas cahaya yang kami sajikan dalam bentuk voltase. Kami memperoleh data penelitian bahwa laser He-Ne yang kami gunakan tidak mengeluarkan cahaya monokromatik tetapi mempunyai panjang gelombang lain yang saling berdekatan sekitar 650nm dan 616,1nm yang menurut prediksi kami cahaya laser yang kami gunakan berbentuk bulat utama sebagai intensitas utama dan bulatan kedua atau dalam bentuk ring dengan panjang gelombang sama tetapi kami tidak dapat memastikan berapa tepatnya panjang gelombang yang lainnya itu. Kata kunci: Analisa Spektrum, Laser He-Ne, Spektrometer PENDAHULUAN Laser adalah salah satu sumber cahaya yang banyak digunakan dalam penelitian diberbagai bidang [1,2,3]. Laser He-Ne salah satu jenis laser gas yang sering kita jumpai di laboratorium optik dan fotonik. Sifat cahaya laser yang mempunyai tingkat monokromatik tinggi, koheren dan mempunyai sifat cahaya yang sejajar pada jarak yang jauh [4,5,6,7] membuat cahaya laser dapat diaplikasikan untuk berbagai macam penelitian. Penelitian ini menggunakan laser He-Ne produksi Uniphase dengan panjang gelombang 632,8nm. Dalam penelitian ini kami telah membuat spektrometer digital dengan sudut pergeseran yang dapat diatur. Penelitian ini mencoba menggunakan spektrometer digital yang telah dibuat untuk menganalisa karakter laser He-Ne dilihat dari pergeseran sudut putar dari sensor cahaya (LDR). METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di laboratorium optik dan fotonik jurusan Fisika FMIPA UNS Surakarta pada tahun 2011. Peralatan yang kami gunakan adalah Laser Helium Neon produksi Uniphase

dengan panjang gelombang 632.8nm dan spektrometer digital. Penelitian ini mengikuti alur pada Gambar 1.

Pembuatan Spectrometer Digital Pengambilan Data

Analisa Data Gambar 1. Diagram alur penelitian Spektrometer digital yang kami buat menggunakan motor stepper empat fase untuk mengontrol pergeseran sensor cahaya [8]. Penelitian ini mencoba mengambil dua data utama dengan sudut pergeseran 1,8o dan 0,9o dan menganalisanya berdasarkan proses kerja laser dari berbagai macam literatur.

mengikuti persamaan dari hukum khirchoff tentang pembagi tegangan, perhatikan persamaan 1.

Eksperimental Penelitian ini menggunakan kisi transparan 600 garis/ mm yang kami pasang tegak lurus dengan cahaya laser, perhatikan Gambar 4. Cahaya laser yang menembus kisi akan mengalami difraksi cahaya yang akan kami baca sebagai data penelitian. Motor stepper akan berputar dari 0o sampai 180o dengan pergeseran tiap 1,8o dan 0,9o. Sensor cahaya (LDR) kami pasang pada lengan ayun yang menyatu dengan motor stepper yang dapat berputar dan kembali lagi ke posisi awal. Pola difraksi cahaya yang terbentuk akan dibaca sebagai data penelitian dalam satuan voltase didalam komputer PIII dengan tambahan perangkat lunak. Data penelitian disajikan dalam bentuk grafik xy, dengan sumbu x adalah sudut dan y adalah intensitas cahaya dalam voltase. HASIL DAN PEMBAHASAN

Vo =

R X 12V . . . . . . . . (1) R x R LDR

Jika intensitas cahaya yang mengenai LDR bertambah akibatnya menambah jumlah elektron yang lompat ke band konduksi sehingga besarnya nilai konduktifitas dari RLDR jadi berkurang dan ini mengakibatkan Vo meningkat begitu juga ketika intensitas cahaya berkurang. Oleh sebab itu besarnya intensitas cahaya dapat di setarakan dengan besarnya Vo yang mempunyai satuan voltase. Sistem difraksi dengan menggunakan transparan kisi akan membentuk pola interverensi cahaya konstruktif dengan mengikuti persamaan 2 sebagai berikut :

d sin θ = mλ . . . . . . . . . . . . (2)

Hasil Hasil penelitian ini berupa pembacaan data intensitas cahaya yang direpresentasikan dalam bentuk teganan pada tiap pergeseran sudut pada spektrometer. Data pergeseran sudut 1.8o ditampilkan dalam bentuk tabel 1 dan gambar 6, sedangkan pergeseran sudut 0.9o dalam tabel 2 dan gambar 7. Pembahasan Data penelitian disajikan dalam bentuk grafik sudut terhadap intensitas cahaya dalam voltase. Sensor yang kami gunakan tipe LDR dengan bahan Cadmium Sulphida. Dalam tabel periodik unsur Cadmium termasuk logam transisi dengan nomor atom 48, periode 5 dan mempunyai konfigurasi elektron:

Dimana d adalah jarak antar kisi, m adalah orde terang dilihat dari terang utama. Data penelitian yang didapatkan pada orde 2 dari pergeseran sudut 1,8o setelah dihitung menggunakan persamaan 2 menghasilkan panjang gelombang yang terdekat adalah 624,8nm dari referensi panjang gelombang 632,8nm. Sedangkan pada pergeseran 0,9o menghasilkan panjang gelombang yang paling mendekati adalah 633,4nm. Pergeseran sensor tiap 0,9o menghasilkan data yang lebih akurat, hal ini karena data dibaca sangat halus, dari data terungkap bahwa intensitas utama terdiri dari panjang gelombang yang tidak monokromatik tetapi juga ada panjang gelombang lain yang letaknya sangat dekat.

1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10 5s2 Sedangkan Sulfur merupakan unsur non logam dengan nomor atom 16, periode 3 dan mempunyai konfigurasi elektron : 1s2 2s2p6 3s2p4 Dua elektron valensi pada unsur Cadmium dan enam elektron valensi pada unsur Sulfur akan membentuk ikatan ionik dengan nama Cadmium Sulphida dengan band gab sekitas 2,4 eV. Jika ada cahaya dengan energi sekitar 2,4eV atau diatasnya maka elektron pada ikatan ionik Cadmium Sulphida akan lompat ke band konduksi, jika sistem LDR dipasang seperti gambar 5 maka besarnya Vo

Gambar 2. Proses lasing Perhatikan gambar 2, proses awal dimulai ketika Helium dan Neon pada posisi ground state atau energi terendah. Berikutnya atom Helium dipanasi dengan menggunakan heater atau pemanas kawat tungseng yang mengakibatkan atom Helium yang awalnya pada posisi ground state akan

mengeksitasi elektronnya untuk berpindah ke lavel energi yang lebih tinggi sekitar 20,61eV (proses ini kita kenal dengan nama ’pump’). Setelah bertabrakan dengan elektron dari pemanas menyebabkan elektron tereksitasi dari Helium ini akan lebih lama mempertahankan posisinya atau dalam kondisi metastabil. Atom Helium yang telah tereksitasi ini selanjutnya menabrak lagi dengan atom neon dan mengakibatkan elektron pada atom Neon juga ikut tereksitasi ke level energi ke-3 atau sekitar 20,66eV, tetapi elektron pada posisi ini hanya sebentar saja dia langsung turun ke posisi ke-2 dengan melepaskan energi sekitar 632,8nm inilah yang kita baca sebagai sumber cahaya utama dari laser [6]. Cahaya dengan panjang gelombang 632,8nm dari laser He-Ne yang dibaca peneliti dengan menggunakan sudut pergeseran 0,9o ternyata mampu menagkap cahaya dengan dengan panjang gelombang lain yang yaitu pada orde 2 terlihat panjang gelombang utama 633,4nm disamping itu masih mempunyai panjang gelombang lain sebesar 650nm dan 616,1nm pertanyaan yang menarik adalah dari mana datangnya panjang gelombang ini ? Analisa kami ada beberapa penyebab utama, yaitu pada proses tereksitasinya elektron Helium pada posisi metastabil atau disekitar 20,61eV, pada saat proses pengaliran arus ke dalam pemanas yang akan melepaskan elektron yang akan menumbuk Helium tidak merata atau terjadi unregulated current yang menyebabkan energi yang lebih tinggi atau energi yang lebih rendah dari dari energi utama sehingga elektron tereksitasi atom Helium bisa bergeser lebih tinggi atau rendah dari 20,61eV. Hal ini akan menyebabkan proses berantai ketika bertabrakan dengan atom Neon yang dapat bergeser juga ke tingkat energi diatas atau dibawah 20,66eV yang efek terakhirnya adalah panjang gelombang laser tidak betul – betul monokromatik dengan panjang gelombang tunggal. Analisa kami berikutnya adalah ketika terjadi tumbukan antara elektron yang keluar dari pemanas dengan atom Helium tetapi elektron ini juga menumbuk atom Neon yang ikut tereksitas telebih dahulu sebelum bertabrakan dengan atom Helium. Tetapi melihat massa neon yang lebih besar dari massa helium dapat diprediksikan bahwa atom Helium berada pada posisi lebih tinggi dari pada atom Neon tetapi peluang itu masih ada. Analisa kami berikutnya adalah melihat data pada pergeseran sudut 0,9o orde 2 yang mempunyai tiga intensitas puncak dengan panjang gelombang 650nm intensitas 0,78V, 633,4nm intensitas 0,96V dan 616,1nm intensitas 0,82V. Melihat data ini kami mempunyai prediksi cahaya laser yang keluar dalam bentuk seperti Gambar 3.

Gambar 3. Prediksi pola intensitas laser Intensitas utama berada pada panjang gelombang utama 633,4nm dan panjang gelombang disampinya mempunyai intensitas yang lebih rendah. Ketika sensor LDR bergerak 180o maka sensor akan membaca panjang gelombang 650nm lalu panjang gelombang utama berikutnya 616,1nm yang menurut analisa kami ada ketidak akuratan pembacaan data, jadi menurut kami itu adalah panjang gelombang yang sama. KESIMPULAN Laser He-Ne yang mempunyai sifat panjang gelombang tunggal atau monokromatik ternyata laser yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai panjang gelombang lain yang mendekati panjang gelombang utama dan mempunyai bentuk melingkar.

DAFTAR PUSTAKA [1] T.S.Chu, D.C.Hogg, The Attenuation of 3.392µ He-Ne Laser Radiation by Methane in the Atmosphere. The Bell System Technical Journal, 1966, pp. 301-306. [2] S.O. Al-Mashikhi, J. Powell, A. Kaplan, K.T. Voisey, Heat effected zones and oxidation marks in fiber laser – oxygen cutting of mild steel, Journal of Laser Application 23, AIP publising, 2011. [3] Alexander. F, H. Kaplan, Influence of the beam profile formulation when modeling fiber-guided laser welding, Journal of Laser Application 23, AIP publising, 2011. [4] Frank L. Pedrotti, Leno S.Pedrotti, 1993. Introduction to Optics on second edition, Prentice Hall, New Jersey [5] Francis A.J, Harvey E. W, Fundamentals of Optics on fourth edition, 1987, McGRAW-HILL, International edition. [6] D. Halliday and R, Resnick, Fisika Modern, terjemahan P, Silaban, 1999, Erlangga, Jakarta [7] G, Keiser, Optical Fiber Communications on Third Edition, 2000, McGRAW-HILL, International edition. [8] Wawan, K. A, Marzuki, Rancang Bangun Spektrometer Digitital untuk Mengukur Penjang Gelombang Laser He-Ne, Lontar Physics Forum, IKIP PGRI Semarang, pp. 154-157, Juli 2011.

Tabel 1. Data penelitian dengan sudut geser 1.8o Orde (M) 0 +1 -1 +2 -2

Sudut (derajat) 88,2 113,4 68,4 140,4 39,6

Intensitas (Volt) 3,09 2,6 2,17 0,54 0,94

λ (nm) 709,3 564,3 658,1 624,8

Tabel 2. Data penelitian dengan sudut geser 0.9o Orde (M)

Puncak

0

1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 3

+1 +2 -1 -2

Sudut (derajat) 88,2 90 110,7 112,5 139,5 64,8 67,5 36,9 38,7 40,5

Intensitas (Volt) 3,15 3,12 2,75 2,65 0,57 2,06 2,21 0,78 0,96 0,82

λ (nm)

637,5 685,5 650 661,4 588,8 650 633,4 616,1

Gambar 4. Setup alat

Gambar 5. Desain circuit dari sensor cahaya

Gambar 6. Grafik data penelitian dengan sudut geser 1.8o

Gambar 7.Grafik data penelitian dengan sudut geser 0.9o