JURNAL FISIKA DAN APLIKASINYA
VOLUME 3, NOMOR 2
JUNI 2007
Pembuatan Model Laser Nd-YAG Gelombang Kontinyu Daya Rendah Muc:marPuatJt PenelItitm FiaIktJ - Lembago I1mu PengetaJnum lnt:lont!sio Kawasan Pusplptek. Serpong. Tangemng
I
Intisarl Telah dibuat sebuah model laser Nd-YAG geIombang kontinyu day&. rendah. Laser diods (~ == 80S DID) digumdmn sebagai sumber energi pemompanya. Medium aktifuya adaIah kristaI Nd-YAG, diameter 3 mm dan paqjang S mm. Sistem laser ini juga meliputi sistem pengko1imasian dan pemfokusan berkas laser diods. Gelombang emisi kristal Nd-YAG yang dipanearkaD diukur dengan 0pticQI SpecInJm~. hasiInya menunjukkan terdapat 10 punaak emisi diantara rentang 1040 hingga 1140 DID, sesuai dengan prediksi teoritis. PongatunIn c:ermin resomdOr dengan tepat tclah mengbasilkan berkas 1aser dengan paqjang gelombang 1064 om, sesuai dengan barapan. KATA ItUNCI: laser N~YAG, gelmnbang ktmtinyu, laser dioda, n:somdDr phmo Jmnkat
L PENDABlJLUAN
Laser Nd..YAG merupakan sa1ah sam jenis laser zat padat yang disukai, sangat populer dan digunakan seatm luas daIam berbagai bidang. Laser yang menggunakan kristal Nd-YAG sebagai medium Iosing-nya ini, memiJiki Jroherensi yang baik dan spektrom berkas luaran yang sempit, serra dapat diproduksi dengan daya yaug sangat bervariasi, nmJai dari heberspa milliwatt bingga beberapa kilowatt. Semua laser zat padat dipompa secara optik, yang berarti eksitasi dari Ibedium aktifelicapai dengan penyerapan cabaya. Pada peneIitian ini sebagai sumber energi pemompa telah eligunakan laser dioda, sebagai pengganti sumber energi optik yang umum (seperti 1ampu kilat, 1ampu busur, 1ampu lucu. tan). penggunaan laser dioda untuk laser daya rendah akan memberi keuntungan secara teknis dan biaya. TIdak diperlukan sumber daya tegangan tinggi dan sistem pendingin yang mmiL
Penggunaan laser elioda untuk: pemompaan adalah dionmgkinkan, karena kristal Nd-VAG memiliki spektrum sempan energi yang salah satunya berada eli sekitar 790 bingga 820 om. Paojang gelombang ini adalah pads rentang . panjang gelombang yang umum dati laser dioda. Laser elioda yang digunakan pada penelitian ini berkasnya tidak teIkolimasi, sehingga penelitian ini juga menc:akup sistem pengkolimasian dan pemfokusan berkas laser dioda. Berkas yang sudah terkolimasi dan terfokus ini kemudian diarabkao lee pennukaan kristal Nd..YAG, diameter 3 mm dan panjang S mm, yang berada didalam rongga resonator, untuk: proses pemompaan. Luaran berkas laser yang leeluar dati resonator diamati dengao Blat Optical Spectrum Analyzer (OSA). Dati basil pengamatan dan pengUkuran yang telah dilakukan terhadap berkas
emisi kristal Nd-YAG, tanpa meJalui 1mlirnator. daIam rentang panjang ge10mbang 1040 bingga 1140 mn, muncullO bush puncak gelombang ~i, yaitu sekitar 1052, 1061, 1064, 1068,1073,1078, llOS.1l12,I11S,dan 1122 om.
Hasnini
bersesuaian dengan tansisi utama dati kristal Nd-YAG pada tempemtur mang.
Dengan pengaturan kedua cennin resonator, maka 1uaran yang diliasiJbn bisa diperoleh banya pada sam. pmVang gelombang, yaitu 1064 om. Dan hal ini membuktilam bahwa laser elioda dapat digunakan sebagai somber energi optik untuk laser Nd·YAG gelombang kontinyu daya rendab.
IL BASAlt TmRl
Kristal Nd·YAG (Neodymium-yttrium Aluminum Gamet) merupakanjenis medium laser zat padat yang sangat populer. YAG (YSAl 6 0 12 ) yang eli doping dengan Neodymium (Nd), mengbasiJbn kristal dengan leekuatan dan kekemsan cukup tinggi, secara optik kristal ini merupakan kristal isotropik dengun struktur kubik, memilildfluorescent linewidth yang scm-pit, mengbasUkan penguatan yang tioggi, dan ambang yang rendab untulc: opemsi laser.
-.·E-MAlL:
[email protected]
@ Jurusan FisikaFMIPA ITS
Gambar 1: Speldrom sempan Nd-YAG
070211-1
J. Fls. DAN APL., VOL. 3, No.2, JUNI 2007
MuClllAR
Diameter berkas pada titik fokusnya. dengan peIS8.1DIUI1l
Dr, dapat ditentukan (2)
dengan A = panjang gelombang berkas yang tiba pada Iensa, f= paqjang fukus Iensa, Db =diaIileter berkas yang tiba pada lensa. Pada penelitian ini, laser yang dibuat menggunakan resonator p1ano-ltonka( yang terdiri dari sebuah eermin datar (sebagai cermin be1akang) dan sebuah eermin cekung (sebagai eermin depan).
.....
H--~--
...I..
4, '112
m.
METODOLOGI PENELITIAN
~---~--~--41~f
Gambar 2: Diagmm sederbana ams-energi dati laser empat-ams.
Kristal Nd-YAG memih1ci beberapa daemb spektmm serapan eilergi (Gambar 1), dua diantaranya adaIah pada daerah dari (730 - 760) om dan (790 - 820) om, daemb memh-intia debt Laser Nd-YAG merupakan laser sistem empat-aras (Gambar 2), dengan aras dasar 419 / 12 • Tmnsisi laser dengan ~g gelombang 1064 om berasal dati komponen R2 aras FS/2 dan berakbir pada komponen Ys dari aras 41u / 2 • Salah satu leekumngan dari laser semi-konduktor adaIah berkasnya sangat divergen dan penampangnya berbentuk elips. PengkoJimasiannya dapat diJakukan dengan sepasang lensa positi£ Dan untuk mendapatkan bintikfokus beIpenampang bondar, pemfokusan dapat menggunakan sepasang lensa silindris cembung-datar, dipasang dengan sumbu lensa saling tegak lunJs, dan titik fukus keduanya berimpit (Gambar 3). Lensa Le berfimgsi mensejajarkan berkas asH laser eliods, dan mengbasilkan berkas terkolimasi dengan penampang berbentuk eHps. Selanjutnya, berkas ini da1am. arab vertikal akan difokuskan oleh lensa silindris LI pada titik F. dan da1am. arab b.orisontal akan difokuskan oleh lensa si1indris L2 pada titik yang sama, titik F. Paqjang fokus lensa silindris LI (= fl) dan La (== f 2 ) ditentukan berdasarkan rasio sudut divergensi daJam arab jari-jari penampang teIbesar; 0" dan arab jari-jari penampang terkecil, 62. (1)
I.e
~
L,
f--
-
l-
f-"
...
,.
Seaua gads besar model Laser Nd:YAG yang akan dibuat dapat dibagi menjadi dua bagian utama, yaitu sistem pemompam dan sistem resonator. Semua komponen yangdiperlukan adaIah yang bisa diperoleh eli p8!I8I' bebas. A. Sistem Pemompaan
Sistem pemompa terdiri dari laser dioda, lensa kolimator untuk mmgiUarkan berkas laser eliod&, dan sepasang sepasang c:emIin si1indris untuk memfoknskan berkas yang terkotimasi menjadi bintik folms yang bundar (lihat Gambar 3). Laser elioda yang diguDakan sebagai somber eneIgi optik ditempatkan pada heatsinIc, sehingga panas yang timbol dapat segem terbuang lee udara bebas. Peodinginan mengguoakan heatsink dianggap cukup memadai mengiDgat daerah k.erja laser elioda berldsar antara 2S bingga 500C. Laser elioda yang eliguuakan pada peneIitian ini memiliki panjang gelombang mta-mta 804 om, banya memerlukan cato daya dengan tegangan 12 Volt dan suplai arus konstan 1,2 A. Untuk kolimator, pertimbangannya adalah bahwa panjang fokusnya sependek mungkin. untukmengumngi mgi-mgi optile. Pada penelitian ini digunakan kolimator, dengan NA 0;1.67 dan panjang fukns 15,0 mm. Untuk mendapatkan berkas yang sejajar atau terkolimasi, titik fokus lensa kolimator barus berimpit dengan smnber eabaya. Untuk pemfokusan berkas yang sudah terkolimasi, digunakan sepasang lensa silindrls cembungoodatar .yang ditempatkan sedemikian mpa hingga titik fokusnya .berimpit Masing-masing leosa iDi hanya memfo1mskan berkas dalam arah yang searah dengan pemmkaan lengknng lensa, sehiDgga gabungan kedua lensa iDi akan mengbasilkan bintik fukus yang berbentuk reJatifbundar. B. S1stem Resonator
"""
.II I~
'-
jj
.,
Gambar 3: Sistem pengkolimasian dan pemfokusan berkas laser sqnjlmndtddo&
Dudukan resonator digunakan Iogam mga taban karat, yang mempunyai koefisien muai panjang relatif keeil. Selurub komponen resonator, yaitu kedua bush cermin, medium laser (krista1 Nd-YAG) beserta heatsink ditempatkan pada chu:lukan ini. Dudukan untuk laistal serta pendinginnya d1lJuat dari
070211-2
I
J. FIS. DAN API.., VOL. 3, No. 2, JUNI 2007
, 1
MUCIDAR
logam tem.baga, agar mudah menyalurkan panas yang timbu1, sedangkan dudubn komponen Jainnya dlbuat dati paduan 10gam aluminium. Resonator yang dipilib untuk sistem laser ini adalah resonator plano-~ yang memiliki sebuah cermin da1ar (cemain belakang) dan seboah cennin cekung (c:ermin depan &tau cermin transmist). Ceunin be1akang diberi 1apisanlapisan yang meloloskan panjang gelombang berkas laser dioda dan memantu1kan sempuma (Rl 100%) berkas laser NdYAG yang dihasilkan, pada paryang gelombang 1064 nm. Cermin depan diberilapisan yang bersifu.t memantulkan sebagian besar (Rl 90%) berkas dengan panjang gelombang 1064 DID dan meloloskan sisanya. Pemiliban cennin seperti ini dimaksUdkan agar sebagian besar berkas laser yang dihasilkan oleh kristaI berosilasi dan beresonansi, sebingga mengbasilkan penguatan energi optik: yang besar didalam resonator. Sedangkan sebagian berkas yang 10los adalah merupakan luaran dati laser Nd:YAG. Kedua buah cermin penempatannya sedemilrianmpa hingga sumbunya berimpit.
lensa silindris yang diperlukan adalah
PatYang fokus lensa yang sesuai dengan peIbandingan eli atas adalah cukup sulit, sehingga perlu diJalmkan penyesuaian. Untuk ito, elipilib lensa sillndris penama, Llo panjang fokusnya, f1 = 150 nun. dan lensa silindr:is kedua, L.a. panjang fokusnya, f2= 25 mm. Berdasarkan niJai-niJai eli afas, akan eliperoleh diameter bintik: fokus terbesar sebesar
D/1 =
(~) (~b)
= (4x802!d0-6 mm) (150 mm)
3,7mm
11"
= 41,5pm
dan diameter bintik: fokus terkecil sebesar D/2=
Pengamatan dan pengokuran yang dilakukan pada peneIitim ini di1almkan dua tabap. Patta pengukuran tabap pertama, akan dilihatapakah transmisi-transmisi utama kristaI Nd-YAG akan muncul &tan terjadi seteIah proses pemompaan berlangsung. Tabapao ini bertqjoan memastikan bahwa proses pe. mompaan berIangsung dengan baik. Pada tahap kedua, iliamati dan diukur luaran daD resonator. Tahapan ini bertujuan
untuk memastikan bahwa cermin-cermin resonator sudah. terpasang dengan baik dan panjang rongga resonator S1ldah tepat untuk menghasillmn resonansi maksimum. . Dengan data-data. pengamatan yang diperoleh dapat elilakukan penyesuaian-penyesuaian yang diperlukan terhadap sisteIil pemompaan dan kedua cermin resonator bingga didapatkan rongga resonator yang mengbasilkan berkas yang diinginkan. yaitu laser dengan panjang gelombang 1064 nm. Pengamatan dan pengokuran yang dilakukan dengan alat ukut Optical Spectrum Analyzer (OSA). Alat ukur ini digunakan karerul dua besaran sekaligus dapat diukur, yaitu intensitas relatif dan spektrum pargang gelombang laser.
(~) (~J
= 44,1 pm, Se~a dari basil perhitungan bintik fokus eli atas, maka untuk masing-masing diameter ber1ms luaran diperoleh Jreda1aman fokusnya sebesar 82,8 dan 88,2 pm.
Untuk mengetalmi panjang gelombang sesunggulmya dati laser dioda yang digunakan, maim dilakukan pengukunm spektrumnya deogan menggunakan OSA. Basil yang didapat menunjukkan bahwa lebar spektrom berkisarantata sekitar 799 bingga sekilar 807 tun, pada arus masukan maksimum, 1,2 A, sehingga panjang gelombang tata-rata dari laser dioda yang digunakan adalah sekitar 8Q.;1- DID.
10
• •
IV. BASIL DAN DISKUSI
1/
o lIEF Ii. BasIl perldtnngan untuk slstem kolimasi dan pemfiJlmsan
II
dBm
I
-10
Pilihan lensa kolimator dengan panjang fokus 15,3 mm memberikanjamk antam pem1ukaan case kolimator teIbadap titik fokusnya sebesar 6,8 mm. Dati pengukurao, diperoleh jari-jari berkas sejajar dalam arab vertikal sebesar ± 3,70 mm, dan dalam arab horisontal sebesar 0,68 mm. Laser dioda yang digunakan pada penelitian ioi, mempunyai sudut divergeosi berkas terbesar 33 demjat, dan terkecil 5,7 dengat. Dati PeI's.1, maka perbandingan panjang fokus 070211-3
-20
1
V
-30 793.0
,
r"\.
[\ .
~
~
I
Gambar 4: Spektrum luanm laser dioda tipe LN808Nl.
J. FIS. DAN APL., VOL. 3., NO.2, JUNJ 2007
-so 1-
MUCHIAR
-
berpengaruh. karena seluroh berkas masib terfokus pads. permukaan kristal Nd-YAG yang 3 mm. l-
2. Dati pengatnataD terbadap basil pengukuran. spet1lUm emisi dengan GSA, ter1ihat bahwa pada daya
ID"
I R
L"
~
laser dioda yang maksimum, abn diemisi1mn panjangpanjang gelombang yang sesuai dengan ~ seperti ditunjukkan daIam Gambar S(b). Intensitas tertiuggi bemda pada panjang gelombang 1064 DID.
III•
~A
3. Hasil pengamatan terbadap berkas luamn resonator yang menunjukkan bahwa laser yang dipancarkan oIeh sistem hanya mengandung satu puncak panjang gelombang, yaitu 1064 nm, menunjukkan bahwa resonator dati model laser Nd:YAG yang dinmcang telah bekerja dengan baik, sesuai dengan harapan.
l
(8)
o
!
4. Untuk panjang gelombang 1064 nm, tingkat intensitas dari berIms laser luamn model laser Nd:YAG yang diteliti adalah sekitar -II dBm, sooangJcan dari data pengamatan untuk emisi kristal Nd:YAO, pada pmgang gelombang dan tingkat energi pemompaan yang sarna, adalah sekitar -62 dBm. Berdasarkau data ini, untuk panjang gelombaog 1064 nm, telah teIjadi penguatan oleh IeS01I8tor sebesar 51 dOm atau bemrti penguatan daya sekitar 105 ka1i, dengan demikian resonator yang digunakan telah mengbasillcan penguatan yang besar sekaIi.
lit'
10&5.0 l1li
\
II: r.t.II
(b)
S. Apabi1a dibandingkan dengan tingkat intensitas dari luaran laser dioda yang terulrur sebesar 7 dBm, dibandingJcan dengan tingkat intensitas model laser yang diteliti -11dBm, maka terdapat perbedaan sebesar kumng lebib 18 dBm. Data ini menunjukkan bahwa efisien energi dati model1aser yang diteliti adalah 2%.
s:
Gambar (a). SpekIrum emisi kristaI Nd-YAG, (b)spektrmn Iuaran laser model laser Nd-YAG
C. Bull peng8".....n dan pengukuran terhadap speIdnun emlsl krIstaI Nd-YAG
Pengukuranterbadap berkas emisi krlstal Nd-YAG dengan OSA, pada tingkat daya pemompaan maksimum (1,2 A), JIlelllU\iukkan muncuJnya 10 buab puncak gelombaog emisi, yaitu disekitar 1052, 1061, 1064, 1068, 1073, 1078, 1105, 1112, 1115, dan 1122 om.
D. IIasD pengamatan dan peuguImran terbadap luaran resonator Basil pengukuran terbadap luamn model laser Nd-YAG yang te1ah dibJmt dengan mengguuakan OSA JIlelllU\iukkan pada arus pem.otnpaan laser dioda yang maksimum (1,2 A) telah menghawillmn berkas laser Nd-YAO dengan paqjang 1064 om dengan tingkat intensitas temkur sekitar ± (-11) dOlO. (Oambar S(b»
V. SlMPlJLAN Dari penelitian ini dapat disimpuJkan bahwa model laser Nd-YAG yang te1ah dibuat dan diteliti, umwnnya, telah bek· erja sesuai dengan ~ mengbasilkan laser dengan panjang gelombang 1064 DID. Resonatoryang digunakanjuga audab bekerja cutup baik dengan menghasiJlmn pengua1an terhadap emisi kristaI Nd-YAG sekitar 100 kali. Alqm tetapi dilibat dari scsi efisiensi energi optik terlibat masib agak rendab, yaitu hanya 2 % dati energi optik laser dioda dengan panjang gelombang 804 nm yang diubah menjadi energi optik laser Nd-YAG dengan panjang gelombang 1064 DID. Berdasarkan basil yang didapat ada beberapa saran yang perlu disampaikan untuk meningkatkan efisiensi, yaitu:
E. DIsImsi 1. Benfasarkan basil perhitungan eli' atas,terdapat perbedaan sebesar 2,7 pm (sekitar 6,%) diantara kedua bintik fokus yang dibasi11mn lensa sillndris. Untuk Icepentingan pemompaan perbedaan sekecil ini tidak abn
070211-4
1. DuduJmn.dudukan komponen optik lebib disempurnakan lagi., dibuat dengan ketelitian yang lebih tinggi.
2. Dudukan cennin belalmng resonator dilengkapi dengan mikrometer yang balus agar pengatonmnya dapat lebib teliti. A1mn lebih baik I .....: blla _......... Juga . . UI6" rue;u-..... dilengkapi dengan piezo..elecric.
•
1
l. Fls. DAN APL., VOL. 3, No.2, lUNI 2007
MUCHIAR
[1] Walter Koechner, Solid-State Loser Engineering (Berlin-Heidel beIg-New York-Loudon-Paris-Tokyo, Springer-Verlag, 1988). [2] U. loban, et al.,·l W CW diocJe..pumped N laser for coherent space communication system, Optical Communication n, SPffi 1552 (1991). [3] MELLES GRlOl', Fundomental Optics, Bagian dari Katalog Manufiwtun:rs ofOptics, Opto-MechaDics, Laser and Instrumentation.
[4] William M. swen. Loser Material Proc:&rsing(London-BerlinHeidelbetg-New York-Paris-Tokyo-Hongkong-Barcel~-Buda pest. Springer-Verlag, 1994). [5] Muchiar. Penelitian Pembuatan Sistem PemDmpa Loser Nd: YAG Menggunalcan Daya Po~ Optilc Loser dJoda, .Lapomn Penelitian, Puslitbaog Fisika Tempan-LIPI
070211-5
--------,
~o~--~~~".--.--;~'
, 9 DEc
: ~-
_lL"i'
"0Cf.~
/
,-
"'!
",--
~,
.i':C
:,.-~
I
/
!
':'~:"-'
/
I
I
I
.t, I
I
.,
I
I
;',
,
(,
", ,f
, "
"Ii
!
':..
:'J
,
.~
"
..
'1\ ,-
,.
~,;"
,~
'--
----------
I
.. . 'J
/
"
