Pembuatan Laser Karbon Dioksida Pulsa

Pembuatan Laser Karbon Dioksida Pulsa ( M.M. Suliyanti ) Akreditasi LIPI Nomor: 377/E/2013 Tanggal 16 April 2013

Pembuatan Laser Karbon Dioksida Pulsa M. M. SULIYANTI Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Komplek PUSPIPTEK Tangerang, Banten E-mail: [email protected] KOO HENDRIK KURNIAWAN Maju Makmur Mandiri Research Center, Jl. Srengseng Raya 40 Jakarta Barat. Diterima: 29 Maret 2013

Revisi: 1 Mei 2013

Disetujui: 15 Mei 2013

INTISARI: Telah dibuat laser gas TEA (Transferly excited atmosphere) karbon dioksida (CO2) pulsa dengan rangkaian kapasitor transfer dan rangkaian pemicu spark gap. Laser ini menggunakan elektroda tipe Rogouski yang bekerja pada tekanan gas yang tinggi, dimana arah berkas laser tegak lurus dengan arah medan listrik eksitasi. Bagian yang penting dalam pembuatan laser TEA CO2 ini yaitu laser head yang terdiri dari sumber pre-ionisasi, elektroda utama dan resonator. Gas yag digunakan adalah campuran antara gas Helium, Nitrogen dan karbon dioksida dengan perbandinga n tertentu. Laser ini bekerja pada daerah infrared yang mempunyai panjang gelombng 10,6 mikron dengan energi maksimum 1,4 Joule dengan kestabilan pulsa  5%. Laser ini beroperasi pada tegangan 27-30 kV dengan tekanan 1,04 1,2 atm. KATA K UNCI: Laser TEA CO2, Elektroda Rogouski, spark-gap, Helium, Nitrogen, karbon dioksida. ABSTRACT: A TEA (Transferly excited atmosphere) CO2 gas laser have been done with transfer capacitor and spark gap triggering. The electrode type Rogouski used for these laser which operated on high pressure gas, beam laser perpendicular with excitation electric field. The important part when constructed these CO2 gas laser is laser head which consist of pre- ionization source, main electrode and resonator. The gas mixtures used for this laser are Helium, Nitrogen and Carbon Dioxide. These laser have wave length (λ) 10,6 m and energy 1,4 Joule with stability  5% with power consumption 27-30 kV and pressure 1.04 -1.2 atm . KEYWORDS: TEA CO2 laser, Rogouski electrode, spark-gap, Helium, Nitrogen, Carbon Dioxide.

1 PENDAHULUAN Dewasa ini semakin banyak orang mengenal laser baik dari segi jenis dan aplikasinya baik yang bersifat komersial terutama di bidang industri dan kedokteran maupun yang berkembang di bidang pendidikan maupun di bidang penelitian.[1,2,3] Sejak tahun 1970 dimana pertama kali Beaulien melaporkan laser yang beroperasi pada tekanan atmosfer, yang kemudian disebut laser Transfer Excited Atmosferic (TEA). Pada saat ini laser dengan jenis ini banyak digunakan dan penting terutama di bidang ilmu pengetahuan dan teknologi maupun di bidang aplikasi industri, seperti pada penggunaan di bidang spektroskopi, surface engineering maupun dibidang lainnya seperti deposisi lapisan tipis dan studi tentang sifat-sifat kimia hasil dari penguapan dengan laser[4,5,6]. Penguatan cahaya yang disebabkan oleh emisi yang tersimpan dan kemudian dipancarkan keluar sebagai sinar laser ini . Pada hakekatnya bisa dikatakan bahwa laser adalah suatu alat atau piranti untuk mengubah energi dari suatu bentuk menjadi energi cahaya laser yang mempunyai kualitas tertentu sehingga bisa dimanfaatkan untuk berbagai keperluan. Sebagai bahan aktif atau bahan untuk lasing adalah bahan yang dapat menghasilkan inversi populasi. Dua cermin pemantul akan menyebabkan cahaya di dalam laser melintasi bahan lasing berulang-ulang sehingga mendapat penguatan yang cukup untuk mengatasi rugi cahaya sehingga akhirnya akan diperoleh keluaran sinar laser. Untuk laser CO 2 bahan aktif yang dipakai adalah gas CO2 yang kemudian dari bahan aktif ini akan menghasilkan emisi yang terstimulasi. Emisi terstimulasi dari gas CO2 diperoleh akibat adanya perubahan energi vibrasi dari molekul CO2 sehingga diperoleh panjang gelombang tertentu[7,8,9]. Pada makalah ini akan dibahas mengenai pembuatan laser karbon dioksida yang mempunyai daya tinggi dan kestabilan energi pulsa yang cukup baik. Untuk mencapai hal tersebut diatas digunakan rangkaian kapasitor transfer . Gas yang digunakan dalam pembuatan laser ini adalah campuran gas Helium, Nitrogen dan Karbon dioksida dengan perbandingan tertentu. Campuran gas ini yang kemudian akan menjadi medium aktif dari laser karbon dioksida. Laser ini terdiri dari laser head (resonator), system aliran gas, rangkaian trigger, spark gap dan system tegangan tinggi.

75

TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi

Volume 31 (1) 2013: 75-80 ISSN: 0125-9121

2. METODOLOGI PENELITIAN Pada pembuatan laser ini dibagi dalam beberapa bagian antara lain pembuatan laser head/resonator, rangkaian trigger, spark gap, sistem aliran gas dan system tegangan tinggi. Sedangkan mekanisme hasil penguatan/gain pada panjang gelombang 10,6 m dan diagram dari level energi dalam CO2 dan N 2 diGambarkan pada Gambar 1.[9, 10]

Gambar 1. Diagram dari level energi dalam CO2 dan N 2 sistem [9,10].

Laser head ini terdiri dari :

i. Sepasang plat aluminium dengan ukuran 14cmx14cm, yang dilengkapi dengan kapasitor tegangan tinggi type N470,591K,30 kV,305A yang berjumlah 2x7 pasang sebagai sumber pre-ionisasi. ii. Elektroda utama yang dibuat dari sepasang Aluminium dengan ukuran 15 cmx46 cm dengan tebal 2 cm yang membentuk sudut 45o dengan jarak antara elektroda bawah dan atas  1.5 cm. iii. Sepasang cermin datar sebagai resonator dengan diameter 50mm untuk cermin belakang dan diameter 40 mm untuk cermin depan dengan bahan coating Berilium Cupron sebagai anti refleksinya sampai 10,6 mikron Sebagai sumber eksitasi digunakan listrik tegangan tinggi yang menggunakan rangkaian kapasitor transfer yang terdiri dari: variable A/C yang disearahkan dengan rectifier; eksternal trigger sebagai switch dan spark gap sebagai sumber pengapian.

Gambar 2. Disain Elektroda Utama dan kapasitor pre-ionisasi.

76

Pembuatan Laser Karbon Dioksida Pulsa ( M.M. Suliyanti )

Sebagai medium laser digunakan gas campuran yang terdiri dari gas karbon dioksida (CO2) gas nitrogen (N2) dan Helium (He) dengan prosentase tertentu. Kemudian disain dari keseluruhan system laser ini ditunjukkan pada Gambar berikut:

Gambar 3. Desain spark-gap.

Laser CO2

Mix gas

Kapasitor Maxwell

Pressure gauge Spark-gap Gas N2

DC source

trigger

Gambar 4. Blok diagram laser Karbon dioksida pulsa.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN Sebagai sumber pre-ionisasi gas dan elektroda utama yang dibuat dari plat Al dan kapasitor seperti terlihat pada Gambar 5 dan 6. Untuk ruang medium gas dibuat dari Acrilik dengan tebal 1.5 cm yang dilengkapi dengan pemegang cermin untuk bagian depan dan belakang dan bagian atas dilengkapi dengan kabel untuk transfer tegangan tinggi. Ruangan ini juga dilengkapi dengan lubang untuk saluran gas masuk

77

TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi

Volume 31 (1) 2013: 75-80 ISSN: 0125-9121

dan keluar yang tekanannya dapat dimonitor dengan pengukur tekanan (pressure gauge). Tegangan tinggi yang dipakai menggunakan variable A/C yang disearahkan dengan rectifier dan eksternal trigger sebagai switch dan spark gap sebagai sumber pengapian, seperti terlihat pada Gambar 7 dan 8. Gambar 9 menunjukkan sususnan laser CO2 yang terdiri dari rectifier, head laser dan Capasitor Maxwell.

Gambar 5. Elektroda utama yang terdiri dari 2 lembaran Al dan Elektroda Pre-ionisasi yang terdiri dari 7x2x2 kapasitor.

Gambar 6. : Elektroda tempat proses terjadinya preionisasi dan ionisasi setelah ada medium gas.

Gambar 7. Kotak akrilik tempat untuk medium laser (gas) dan elektroda.

Gambar 8. Rangkaian sumber Elektrik dan Maxwell capasitor.

78

Pembuatan Laser Karbon Dioksida Pulsa ( M.M. Suliyanti )

Maxwell Capasitor

Head laser Rectifier

Gambar 9. Susunan laser karbon dioksida (CO2) pulsa yang terdiri dari Rectifier, Head Laser dan Maxwell Capasitor.

Setelah bagian demi bagian kita selesaikan kemudian kita rangkai menjadi satu system laser CO2 dengan gas mix yang terdiri dari gas CO2, Helium dan Nitrogen seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10. Setelah kita lakukan pengecekan ada tidaknya kebocoran gas pada ruang utama laser hal ini harus dilakukan karena tidak boleh terjadi kebocoran sedikitpun diruang utama laser ini. Untuk mengetahui system laser ini berjalan atau tidak maka setelah kita aliri gas akan terjadi pre-ionisasi dan ionisasi pada laser head. Laser ini ada pada daerah infrared maka output laser tidak dapat dilihat secara visual dan harus dengan menggunakan bantuan kertas fax atau karbon blok seperti pada Gambar 11. Hasil pengukuran energi laser karbon dioksida yang diukur menggunakan energi meter dan Digital osiloskop seperti contoh yang ditunjukkan pada Gambar 12 yang kemudian dikonversi kedalam besaran Joule sesuai dengan alat yang kita pakai. Dari hasil pengukuran energi maksimum yang pernah dicapai adalah 1.4 Joule.

Gambar 10. Sistem laser CO2 dengan gas mix yang terdiri dari gas CO2, helium dan nitrogen.

Cara Pengoperasian laser CO2 pulsa: i. Spark gap sebagai sumber pengapian kita pastikan terlebih dulu berfungsi dan kita aliri dengan gas N2 ii. Kita isi gas mix ke tabung laser sebagai medium laser dan kita beri sumber listrik dengan mengatur tegangan tinggi sampai terjadi pre-ionisasi yang homogen. Hal ini dapat kita pastikan dengan melihat langsung pada elektroda pre-ionisasi dengan sinar UV yang sangat homogen. Apabila pada saat pre ionisasi timbul arck/pengapian maka tabung laser kita vaccuumkan untuk menyedot udara yang terjebak

79

TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi

Volume 31 (1) 2013: 75-80 ISSN: 0125-9121

pada tabung laser atau dengan cara menunggu sampai terjadi pemanasan terlebih dahulu pada tabung laser. iii. Selanjutnya Kita naikkan tegangan tinggi secara perlahan sampai terjadi lasing dan kita pastikan output laser dengan menggunakan carbon blok dan kita dapat mengukur Energi laser dengan menggunakan energi meter. iv. Karena pada laser ini membutuhkan tegangan tinggi sekitar 34 Kvolt (tegangan operasi laser i 27-30 kV) maka sebelum menyalakan dan setelah mematikan laser kita harus terlebih dulu mengosongkan muatan yang ada pada system dengan cara di-ground-kan dengan system grounding yang bagus.

Gambar 11. Output laser CO2 yang dilihat dengan karbon blok.

Gambar 12. Pengukuran Energi laser CO2 yang dilihat dengan Osiloskop.

4. KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil yang telah dilakukan dalam pengetesan laser karbon dioksida yang telah dibuat : masih perlu ditingkatkan kestabilan dari laser sedang untuk energi maksimum yang pernah dicapai sebesar 1.4 Joule. Dengan keberhasilan dalam pembuatan laser karbon dioksida ini diharapkan kita dapat membuat laser lain dan meningkatkan pengetahuan dalam bidang laser khususnya pada bidang teknologi laser. Sebagai saran perlu dilakukan penyempurnaan dan karakterisasi lebih lanjut.

DAFTAR PUSTAKA [1] H. Kurniawan, M. Barmawi, M.O.Tjia, T. Kobayashi, K. Kagawa; Compact N2 Laser OscillatorAmplifier System for Laser Microbeam Application, opt. Laser Tech., 23,2, (1991) p.115 [2] K. Kagawa, H. Kurniawan, T. Kobayashi; Twin N2 Laser for Time Resolved Absorption Spectroscopy and Dye Laser Oscillator Amplifier Pumping, Opt. Laser & Laser Tech., 23,4, (1991) p. 233. [3] H. Kurniawan, T.Yamada, T. Kobayashi, K. Kagawa; High Brightness TE Nitrogen Oscillator Amplifier Laser, Jpn. J. Appl. Phys.32,2,6A (1993) p.785. [4] W. Hardjoutomo, H.Munechika, H. Kurniawan, I. Hattori, K. Kagawa; Compact TEA CO2 Laser for field Based Analysis on Geological Samples, Opt. & Laser Tech., 24, 5 (1992) p. 273. [5] H. Kurniawan, T. Manda, Z. Li, T. Kobayashi and K. Kagawa;Time Resolved Spectroscopic Study on the Shock Wave Plasma Induced by the bombardment of TEA CO2 laser, J. Int. Shock Wave, (1993) [6] H. Kurniawan, T. Kobayashi, K. Kagawa; Effect of Different Atmospheres on the Excitation Process of TEA CO2 Laser Induced Shock Wave Plasma, Appl. Spec. 46,4, (1992) p.581 [7] T.P. Hughes; Plasma and Laser Light (Adam Hilger, London, 1975) [8] J.F. Ready; Effect of High Power Laser Radiation (Acaemic Press, New York, 1971) [9] Anthony E. Siegman; Lasers ;University Science Books Mill Valley, California, copyright 1986. [10] N. U. Wetter and W. de Rossi “ICS Lectures on Industrial Applications of Lasers” UNIDO, Vienna, 2000

80