Menentukan Panjang Gelombang Laser dengan Metode Difraksi Celah Tunggal Aisyah Rosalia Rosyadi, Fenia, M. Aljabbar Kanie, Nelumbo Nucifera, Nucifera, Yudi Yudi Meidiansyah
Laboratorium Fisika Atom dan Nuklir, Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Matematika, Universitas Diponegoro Jalan Prof. Soedarto, S. ., !embalang, Semarang "#$%"
Abstrak Abstrak. Difraksi Difraksi adala& pen'ebaran pen'ebaran gelombang gelombang karena adan'a adan'a (ela&. (ela&. Semakin Semakin ke(il (ela&, (ela&, pen'ebara pen'ebaran n gelombang semakin besar. Peng&alang itu dapat berupa la'ar dengan (ela& ke(il 'ang mengi)inkan sebagian ke(il muka gelombang datang untuk le*at. asil dari peristi*a difraksi adala& garis+garis terang dan garis garis gelap seperti pada peristi*a interferensi. Praktikum ini menggunakan dua laser 'aitu laser &iau 'ang tela& diketa&ui panang gelombangn'a dan laser L-D 'ang belum diketa&ui panang gelombangn'a. Lebar (ela& dapat diketa&ui dari penggunaan laser &iau, dan panang gelombang laser mera& L-D dapat diketa&ui dengan menggunakan % variasi arak (ela& ke la'ar. Nilai panang gelombang 'ang didapat adala& /#0,0 1 00,#2 nm sedangkan nilai panang gelombang dari ralat bobot adala& 3,0#% 1 #,33#42 5 3#+% m. Jika dibandingkan dengan &asil per(obaan, maka nilai /#0,0 nm &ir mendekati nilai panang gelombang dari nilai referensi, 'aitu /#6, $3 nm.
I.
PENDA!L!AN
Di ak&ir ta&un 374#+an dan sekali lagi di a*a a*al ta&u ta&un n 37/# 37/#++an, fisik isikaa kua kuantum ntum membu membuat at dua konst konstrib ribusi usi 'ang 'ang sangat sangat besar besar kepada kepada teknologi, teknologi, 'akni transistor transistor dan laser. laser. Laser Laser memim memimpin pin alan alan ke ara& ara& bidang bidang baru baru 'ang 'ang kada kadang ng+k +kad adan ang g dina dinama maka kan n foto fotoni nik k photonics) 'ang photonics) 'ang memba memba&as &as intera interaksi ksi pada pada tingkat kuantum2 antara foton dan ba&an 'ang besar. Foton Foton adala& adala& sebua sebua& & partik partikel el dasar dasar 'ang artin'a sebua& partikel 'ang tidak bisa diuraikan lagi2. Foton dikenal uga sebagai unit terke(il terke(il dalam dalam bidang elektroma elektromagnetik gnetik,, 'ang menarik dari foton adala& ia mempun'ai (iri gelombang dan uga mempun'ai (iri partikel. Artin'a, foton bisa dibiaskan ole& lensa, bisa berinterferensi berinterferensi dengan gelombang lain, dan dia uga bisa diteksi ketika dianalisis sebagai sebua& partikel. Dengan demikian, foton uga memiliki sifat dualisme seperti &aln'a (a&a'a.
8ambar 3.3 Difraksi 9ela& !unggal
Apab Apabila ila berka berkass sina sinarr lase laserr deng dengan an panang gelombang : 'ang dile*atkan pada sebu sebua& a& (ela (ela& & semp sempit it deng dengan an leba lebarr f akan akan menga mengalam lamii difra difraksi ksi.. Pola Pola difrak difraksi si ini dapat dapat dili&a dili&att pada pada la'ar la'ar atau atau diukur diukur dengan dengan sensor sensor (a&a'a. Jika antara ( dengan la'ar au& lebi& besar dari pada lebar (ela& maka berkas 'ang sampai di la'ar dapat dianggap paralel.
II.
DA"A# TE$#I ;;.3. Difraksi
Difraksi adala& pen'ebaran gelombang kare karena na adan adan' 'a &ala &alang ngan an.. Sema Semaki kin n ke(i ke(ill &alang &alangan, an, pen'eb pen'ebara aran n gelomb gelombang ang semak semakin in besar. Peng&alang itu dapat berupa la'ar la'ar dengan (ela& (ela& ke(il 'ang mengi)inka mengi)inkan n sebagian sebagian ke(il muka gelombang datang untuk le*at. Selain itu uga dapat berupa benda ke(il, (onto&n'a ka*at atau atau (akra (akram. m. Difra Difraksi ksi (a&a'a (a&a'a dapat dapat terad teradii ketika ketika (a&a'a (a&a'a mele* mele*ati ati suatu suatu (ela& (ela& sempit sempit lebar (ela& lebi& ke(il dari panang
gelombang2, se&ingga gelombang (a&a'a tampak melebar pada tepi (ela&. -fek 'ang sama teradi ketika gelombang (a&a'a beralan melalui medium dengan indeks bias bervariasi. Difraksi teradi pada semua gelombang, termasuk gelombang suara, gelombang air, dan gelombang elektromagnetik seperti (a&a'a tampak, sinar+< dan gelombang radio. Sebagai obek fisik 'ang memiliki sifat seperti gelombang pada tingkat atom2, difraksi uga teradi dengan materi dan dapat dipelaari sesuai dengan prinsip+prinsip mekanika kuantum.
men'inggung gelombang ke(il sekunder, atau 'ang dinamakan pembungkus dari gelombang itu.
. 8ambar 3.0 Prinsip u'gens menelaskan peman(aran gelombang (a&a'a
8ambar 3.$. Proses teradin'a difraksi pada gelombang asil dari peristi*a difraksi adala& garis+garis terang dan garis garis gelap seperti pada peristi*a interferensi. Difraksi (a&a'a sulit untuk diamati karena biasan'a sumber (a&a'a polikromatik, se&ingga pola difraksi 'ang ditimbulkan setiap gelombang (a&a'a saling tumpang tindi& dan sumber (a&a'a terlalu lebar se&ingga pola difraksi 'ang ditiimbulkan masing masing bagian akan saling tumpang tindi& dan (a&a'a tidak selalu ko&eren 'ang men'ebabkan polan'a beruba&+uba& sesuai beda fasen'a=3>.
;;.$. Prinsip u'gens Prinsip u'gens menerangkan ba&*a tiap+tiap titik dari sebua& muka gelombang dapat ditinau dari sebua& muka gelobang dapat ditinau sebagai sumber gelombang+gelombang ke(il sekunder 'ang men'ebar keluar ke segala ara& dengan lau 'ang sama degnan lau perambatan gelombang itu. Muka gelombang 'ang baru pada suatu *aktu kemudian akan didapatkan dengan membangun sebua& permukaan 'ang
Dari gambar 3.0 dapat dili&at bagaimana prinsip u'gens menelaskan perpinda&an posisi dari A? ke posisi 9D. Setiap titik pada muka gelombang A? berperan sebagai sumber gelombang titik 'ang sangat ke(il 'ang meman(ar ke ara& 9D. Muka gelombang 9D merupakan pembungkus atau permukaan gelombang A?. Prinsip u'gens bisa dipakai untuk menerangkan teradin'a difraksi (a&a'a pada (ela& ke(il. Pada saat mele*ati (ela& ke(il, muka gelombang akan menimbulkan *avelet baru 'ang umla&n'a tak ter&ingga se&ingga gelombang tidak mengalir lurus saa, tetapi men'ebar =$>.
;;.0. Difraksi 9ela& !unggal Pada difraksi (ela& tunggal, apabila (ela& lebi& lebar daripada gelombang tunggal (a&a'a, maka akan teradi efek seperti interferensi pada (ela&. al ini dapat dielaskan dengan menganggap ba&*a (ela& bertindak sebagai sumber dari ban'ak titik 'ang terpisa& se(ara merata. Difraksi menga(u pada pen'impangan deviasi2 dari perambatan garis lurus 'ang teradi ketika suatu gelombang bergerak mele*ati suatu peng&alang parsial. ;ni biasan'a sesuai dengan pembengkokan atau pen'ebaran gelombang pada tepi+tepi lubang dan peng&alang. ?entuk paling seder&ana dari difraksi (a&a'a adala& difraksi Fraun&ofer atau far+field. Difraksi ini diamati pada sebua& la'ar 'ang sangat au& dar lubang atau peng&alang 'ang mengganggu arus gelombang+gelombang
datar 'ang datang.
gelombang se&ingga (a&a'a dari bagian (ela& dapat mengalami superposisi pada suatu titik ' pada la'ar dengan gelombang (a&a'a 'ang lainn'a. =3>
;;.4. ;nterferensi 8elombang
8ambar 3.4. Proses difraksi pada (ela& tunggal S'arat teradin'a garis gelap ke m adala& @ d.sin B m:CCCCCCCCCCCCC3.32 dengan m B 3, $, 0C Untuk sudut 'ang ke(il berlaku @
pd =m : CCCCCCCCCCCCC... l 3.$2 S'arat teradin'a garis terang ke m adala& @
Sala& satu dari sifat (a&a'a adala& interferensi. ;nterferensi merupakan perpaduan dua gelombang atau lebi& 'ang memiliki beda fase konstan dan amplitudo 'ang &ir sama. ;nterferensi dapat bersifat membangun dan merusak. ?ersifat membangun ika beda fase kedua gelombang sama se&ingga gelombang baru 'ang terbentuk adala& penumla&an dari kedua gelombang tersebut. ?ersifat merusak ika beda fasen'a adala& 36# deraat, se&ingga kedua gelombang saling meng&ilangkan. Prinsip u'gens menerangkan ba&*a setiap *ave front muka gelombang2 dapat dianggap memproduksi *avelet atau gelombang+ gelombang baru dengan panang gelombang 'ang sama dengan panang gelombang sebelumn'a. Eavelet bisa diumpamakan gelombang 'ang ditimbulkan ole& batu 'ang diatu&kan ke dalam air. =3>
1
d sin B m
2
2 : CCCCCCCCC.
3.02 dengan mB #, 3, $,C.
8ambar 3./. Pembentukan pita terang dan pita gelap pada la'ar
untuk sudut 'ang ke(il berlaku @
pd =( m+ 1 ) : CCCCCCCCC...C 2 l 3.42
8ambar 3.". Proses difraksi (ela& tunggal ditinau se(ara matematis ?erkas+berkas (a&a'a 'ang mele*ati (ela& tunggal, akan dibelokkan dengan sudut tertentu Ѳ2. 9a&a'a 'ang memasuki suatu (ela& terdiri dari berkas+berkas (a&a'a. Setiap bagian (ela& berfungsi sebagai sumber
;nterferensi (a&a'a meng&asilkan suatu pola interferensi terang+gelap2. Pada inteferensi, berlaku prinsip superposisi, 'aitu ?ila dua atau lebi& gelombang tumpang tindi&, maka pergeseran resultan di sembarang titik dan pada sembarang saat, dapat di(ari dengan menamba&kan pergeseran sesaat 'ang akan di&asilkan di titik itu ole& gelombang+
gelombang itu seandain'a setiap gelombang itu &adir sendirian.
;;.". Laser Gata laser adala& singkatan dari Liht Amplification by !timulated "mission of Radiation, 'ang artin'a perbesaran intensitas (a&a'a ole& pan(aran. Laser merupakan sumber (a&a'a ko&eren 'ang monokromatik dan amat lurus. 9ara keran'a men(akup optika dan elektronika. Para ilmu*an biasa menggolongkann'a dalam bidang elektronika kuantum. Laser 'ang meman(arkan sinar tampak disebut laser H opti( =0>. Pada ta&un 373%, Albert -instein mempostulatkan pan(aran imbas pada peristi*a radiasi agar dapat menelaskan kesetimbangan termal suatu gas 'angsedang men'erap dan meman(arkan radiasi. !erdapat 0 proses 'ang terlibat dalam kesetimbangan itu, 'aitu @ serapan, pan(arn spontan disebut fluorensi) dan pancaran teransan atau lasing dalam ba&asa ;nggrisn'a, artin'a meman(arkan laser2. Proses 'ang terak&ir biasan'a diabaikan ter&adap 'ang lain karena pada keadaan normal serapan dan pan(aran spontan sangat dominan. Sebua& atom pada keadaan dasar dapat dieksitasi ke keadaan tingkat energi 'ang lebi& tinggi dengan (ara menumbukin'a dengan elektron atau foton. Setela& beberapa saat berada di tingkat tereksitasi ia se(ara a(ak akan segera kembali ke tingkat energi 'ang lebi& renda&, tidak &arus ke keadaan dasar semula. Proses a(ak ini dikenalsebagai fluoresensi teradi dalam selang *aktu rerata 'ang disebut umur rerata, laman'a tergantung pada keadaan dan enis atom tersebut =0>.
III. MET$DE PENELITIAN
0.3. Alat dan ?a&an 0.3.3. Sumber (a&a'a Laser e+Ne2. 0.3.$. 9ela& tunggal dengan skala mi(rometer. 0.3.0. Meteran. 0.3.4. La'ar
0.$. Set Up+-ksperimen
0.0. Diagram AlirIFlo*(&art
8ambar 0.$. Diagram Alir Per(obaan Difraksi Pada 9ela& !unggal
;.$.
0.4. Diagram Fisis
8ambar 0.0. Diagram Fisis Per(obaan Difraksi Pada 9ela& !unggal
I%. asil dan Pembahasan ;.3. 8rafik Per&itungan 0.02
0.01
f(x) = 0.02x - 0 R² = 0.98
0.01
0 0.30.40.50.60.70.80.9 1 1.1
8ambar 4.3. 8rafik Pengola&an Data Difraksi 9ela& !unggal
Pemba&asan Pada praktikum Difraksi 9ela& !unggal ini bertuuan untuk mema&ami efek radiasi dan menentukan panang gelombang sebua& sumber (a&a'a. Praktikum ini menggunakan dua laser 'aitu laser &iau 'ang tela& diketa&ui panang gelombangn'a dan laser L-D 'ang belum diketa&ui panang gelombangn'a. Alat dan ba&an 'ang digunakan pada praktikum ini antara lain adala& laser 'ang berfungsi sebagai sumber (a&a'a, meteran 'ang berfungsi untuk mengukur lebar arak (ela& ke la'ar, la'ar 'ang berfungsi sebagai penangkap (a&a'a, dan (ela& tunggal. Proses fisis 'ang teradi pada laser 'aitu ketika tegangan diberikan ole& baterai pada laser men'ebabkan ele(tron ba&an bergerak dari pita konduksi ke pita valensi, 'ang disertai dengan pen'erapan energi. Namun pada pita valensi, ele(tron tersebut kurang stabil se&ingga ele(tron tersebut mengalami deeksitasi 'aitu perpinda&an ele(tron ke keadaan dasar 'ang disertai dengan pelepasan energi. -nergi 'ang terlepas berupa foton dengan energi tertentu, 'ang mana kemudian foton tersebut akan masuk ke resonator. Di dalam resonator, foton+foton saling berosilasi dan menumbuk satu sama lain se&ingga energi 'ang terakumulasi (ukup dan teradi peman(aran (a&a'a terang energi2 'ang ak&irn'a terbentuk berkas sinar. ?erkas sinar dari laser kemudian dile*atkan pada (ela& sempit, pan(aran ini berupa muka gelombang elektromagnetik primer 'ang menadi muka gelombang sekunder setela& mele*ati (ela& sempit, 'ang mana peristi*a ini disebut dengan difraksi. Muka gelombang sekunder akan bertemu satu sama lain atau teradi interferensi 'ang kemudian membentuk pola destruktif dan konstruktif, 'ang apabila ditangkap la'ar akan berbentuk pola gelap dan terang. Pola terang terbentuk apabila interferensi 'ang teradi adala& interferensi konstruktif, atau gelombang 'ang bertemu sefase. Sedangkan pola gelap terbentuk apabila interferensi 'ang teradi adala interferensi destruktif atau gelombang 'ang bertemu tidak sefase. Saat menggunakan laser &iau 'ang tela& diketa&ui panang gelombangn'a, maka
akan didapat nilai (ela& d2 'aitu sebesar #,###30 m. Nilai d ini selanutn'a digunakan untuk men(ari nilai panang gelombang dari laser mera& L-D denganbeberapa variasi arak l2 'aitu 4#, "#, /#, %#, 6#, 7#, dan 3## (m. Maka didapatkan panang gelombang rata+ ratan'a 'aitu sebesar /,#00 1 #,00#2 5 3#+% m atau /#0,0 1 00,#2 nm dan ika di&itung menggunakan ralat bobot, nilai panang gelombang 'ang didapat adala& 3,0#% 1 #,33#42 5 3#+% m. ?erdasarkan referensi, panang gelombang laser diode mera& adala& /#6,$3 nm. Jika dibandingkan dengan &asil per(obaan, maka nilai /#0,0 nm &ir mendekati nilai panang gelombang dari nilai referensi, namun ika menggunakan nilai ralat bobot, maka &asiln'a sangatla& au&. al ini dapat disebabkan beberapa &al, 'aitu sebagai berikut. Peletakan laser pada (ela& 'ang tidak pas Geseaaran arak ke (ela& tidak sesuai Faktor lebar (ela& Jenis laser 'ang digunakan
• • • •
%.
&E"IMP!LAN DAN "A#AN .3. Gesimpulan .3.3. Difraksi adala& pen'ebaran gelombang karena adan'a &alangan. Semakin ke(il &alangan, pen'ebaran gelombang semakin besar. Peng&alang itu dapat berupa la'ar dengan (ela& ke(il 'ang mengi)inkan sebagian ke(il muka gelombang datang untuk le*at.
.3.$.
Nilai panang gelombang 'ang didapat adala& /#0,0 1 00,#2 nm sedangkan nilai panang gelombang dari ralat bobot adala& 3,0#% 1 #,33#42 5 3#+% m. Jika dibandingkan dengan &asil per(obaan, maka nilai /#0,0 nm &ir mendekati nilai panang gelombang dari nilai referensi, 'aitu /#6, $3 nm, namun ika menggunakan nilai ralat bobot, maka &asiln'a sangatla& au&.
.$. Saran .$.3. Praktikan &arus teliti dalam menentukan pola gelap dan terang 'ang terbentuk, mengukur arak (ela& ke la'ar, dan nilai ' 'ang didapatkan. .$.$. Pengambilan data sebaikn'a dilakukan pada ruang 'ang (a&an'an'a redup agar pola interferensi 'ang terbentuk terli&at elas dan muda& terba(a.
#E'E#EN"I
=3> Grane, Gennet& S. 377$. Fisi#a Modern. Jakarta@ U; Press =$> !ipler, Paul A. $##3. Fisi#a $ntu# !ains dan %e#ni# . Jakarta@ -rlangga =0> Alfred. 376%. Fisi#a Modern dan &pti#a. Jakarta@ -rlangga
