MENGUKUR LEBAR CELAH DENGAN METODE DIFRAKSI LASER

MENGUKUR LEBAR CELAH DENGAN METODE DIFRAKSILASER

Darmawan1, Diah Alfi Lailatuzuhria1, Faridhatul Khasanah1, IhfadniNazwa1,

Imroatul Magfiroh1, Vina Puji Lestari1, Winda Puji Lestari1

1 Laboratorium Optik dan Aplikasi Laser

Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Airlangga2014

Abstrak

Percobaan difraksi laser dirancang untuk menunjukkan peristiwa difraksi leser pengukuranlebar celah berukuran kecil, serta mengukur lebar celah berukuran kecil memakai metode difraksilaser. Pada percobaan ini digunakan laser He-Ne dengan panjang gelombang 632,8 nm yangbersifat monokromatis dan memiliki intensitas yang tinggi sehingga saat dilewatkan celah makaakan mengalami difraksi. Adapun prinsip kerja yang dilakukan adalah meletakkan celah tepatdidepan laser He-Ne dan mengatur posisi fotosel pada bangku optik sehingga dapat dihasilkan poladifraksi gelap terang yang tampil pada layar. Pada praktikum ini, data yang diambil adalah secaraberurutan dengan cara menangkap pola difraksi secara berurutan dari celah tunggal denganmenggerakkan bangku optik pada rel sebanyak 3 kali pergeseran dan selisih etiap pergeserannyasebesar 2 mm. Berdasarkan analisis data hasil pengamatan, diperoleh lebar celah yang terjadi padadifraksi laser adalah sebesar (0,7609 ± 0,1904082) mm.

Keyword: difraksi laser, laser He-Ne

PENDAHULUAN

Salah satu piranti optisyang dapat kita gunakan sebagaisumber cahaya adalah laser. Laseradalah perangkat yang memancarkancahaya melalui proses amplifikasioptik berdasarkan emisiterstimulasi dari radiasielektromagnetik. Penggunaan lasersebagai sumber cahaya memilikikeunggulan karena berkas cahayayang dihasilkan bersifatmonokromatis , sangat sejajar danberintensitas tinggi. Jenis suatulaser dapat diklasifikasikanberdasarkan keadaan materi yangdipresentasikan oleh medium laser(dapat berupa: gas, padat dancair). Salah satu contoh laseryang diklasifikasikan sebagailaser gas adalah laser He-Ne(Beesley, 1972). Sebuah helium-neon laser, adalah jenis laser gasyang medium gain terdiri daricampuran helium dan neon dalamsebuah tabung kapiler small bore,biasanya senang dengan debitlistrik DC. Yang paling terkenaldan paling banyak digunakan He-Nelaser yang beroperasi pada panjanggelombang 632,8 nm di bagian merahdari spektrum yang terlihat.Contoh laser yang tergolong laserzat cair adalah Dye laser,sedangkan laser yang tergolong zatpadat adalah laser dioda GaAlAs.

Berkas cahaya laser yangsangat sejajar bila dilewatkansuatu celah yang sangat kecil(misal lubang lingkaran kecil ataucelah sempit) secara tegak lurusakan mengalami peristiwa difraksi.Difraksi adalah penyebarangelombang, contohnya cahaya,karena adanya halangan. Semakinkecil halangan, penyebarangelombang semakin besar. Peristiwadifraksi dapat diklasifikasikanmenurut jauh dekatnya medanpandangan terhadap sumber cahayaatau menurut jenis sumber cahayayang mengalami difraksi.Berdasarkan jauh dekatnya medanpandangan terhadap sumber cahaya,difraksi dibedakan atas DifraksiFresnel dan Difraksi Franhoufer.Difraksi Fresnel yaitu difraksiyang terjadi ada jarak dekat,sedangkan Difraksi Franhouferadalah difraksi yang terjadi padajarak jauh.

Contoh difraksi yangdiklasifikasikan menurut sumbercahaya adalah difraksi microwave,difraksi sinar-X dan difraksilaser. Di dalam laboratorium,peristiwa difraksi dimanfaatkansebagai dasar metode suatupengukuran. Sebagai contoh:peristiwa difraksi sinar-Xdimanfaatkan untuk pengukuranparameter struktur Kristal. Contohlain di bidang Fisika Optik,

difraksi laser digunakan untukmenentukan diameter objek kawatyang berukuran sangat kecil ataudapat pula dimanfaatkan sebagaimeter panjang gelombang(wavelength meter) bagi sumber –sumber cahaya laser pada daerahtak tampak.

Tujuan dari percobaan iniadalah untuk menunjukkan peristiwadifraksi leser pengukuran lebarcelah berukuran kecil. Sertamengukur lebar celah berukurankecil memakai metode difraksilaser.

Adapun alat dan bahan yangkita gunakan dalam percobaan yaitulaser He-Ne, detektor optis fotosel (BPY 47), bangku optik, multiclamp, kebel – kabel penghubung,celah serta multimeter.

METODE PENELITIAN

Pada eksperimen inibertujuan untuk menunjukkanperistiwa difraksi laser untukpengukuran lebar celah berukurankecil, juga mengukur lebar celahberukuran kecil memakai metodedifraksi laser. Pada eksperimenini, menggunakan suatu rangkaianrakitan yang terdiri daridiafragma, resistor, sinar laserHe-Ne dengan panjang gelombang632,8 x 10-9m, fotosel, danmikrovoltmeter. Meletakkan fotosel

pada pemegang (holder) yang dapatbergerak bebas pada rel penggerakdetector optis. Meletakkan celahdidepan laser He-Ne dan hidupkanlaser sehingga dapat dihasilkanpola difraksi. Mengatur posisifotosel pada bangku optic sehinggadapat menangkap pola difraksi yangterjadi. Kemudian mengatur posisidari fotosel sehingga berada padaujung pola difraksi (garis gelapterang). Menggeser fotosel kehingga ke ujung rel denganpergeseran 2 mm dan mencatattegangan keluaran yang ditunjukkanpada mikrovoltmeter setiappergeserannya.

DASAR TEORI

Peristiwa difraksi cahaya olehcelah tunggal yang lebarnya dsecara geometris digambarkanpada gambar 1.a dan bentukdistribrusi intensitas difraksipada layar sejauh L dan celahditunjukkan oleh gambar 1.b

Perbandingan kuat penerangan dititik P yaitu E terhadap kuatpenerangan di titik O yaitu E0

memenuhi persamaan :

kuat penerangan minimum diberikanoleh titik nol fungsi distribusipersamaan (1). Titik nol fungsidistribusi tersebut adalahmemenuhi persamaan berikut :

Atau

(n = ±1, ±2, ±3,…)

Kuat peneranngan maksimum orde ke-n memenuhi hubungan sebagaiberikut:

Berdasarkan persamaan (4), makaperbandingan kuat penenranganmaksimum orde ke-n yaitu En

terhadap kuat penerangan maksimumpusat E0 nilainya adalah

Bila dalam pengukuran poladifraksi digunakan Fotosel makavariabel E0 dan En masing-masindapat diganti dengan teganganmaksimum pusat (V0) dan teganganmaksimum orde ke–n yaitu Vn.Dengan demikian berlaku:

Kembali ke persamaan (2) tentangposisi titik-titik yangberintensitas minimum.Posisititik-titik berintensitas minimumorde pertama (n=1) memenuhi

Untuk orde ke (n=2) memenuhi

.

Karena

dan .

Maka persamaan:

dan .

Jarak antara minimum berurutan (

) adalah sebagai berikut

atau

Karena dalam eksperimen

dan L dapat diukur,dan apabilapanjang gelombang laser λ yangdigunakan diketahui,maka ukurancelah d dapat ditentukan.Menurutprinsip Babinet juga akanmenghasilkan difraksi mirippersamaan (9) dengan demikianpersamaan (9) inilah yangdigunakan untuk mengukur diameterkawat berorde panjang gelombang.

ALAT DAN BAHAN

a. Laser He-Ne

b. Detektor optis fotosel (BPY 47)

c. Bangku optik

d. Multi clamp

e. Kabel-kabel penghubung

f. Celah

g. Mikrovoltmeter

PROSEDUR EKSPERIMEN

a. Merakit fotosel,resistor 10 kΩdan mikrovolmeter sepertigambar-2 dengan menggunakankabel penghubung.

b. Metakkan fotosel padapemegang (holder) yang dapatbergerak bebas pada relpenggerak detektor optis.(seperti pada gambar)

c. Metakkan celah didepan laserHe-Ne dan hidupkan lasertersebut sehingga dihasilkanpola difraksi (seperti gambar)

d. Mengatur posisi fotosel padabangku optik sedemikian hinggadapat menangkap pola difraksiyang terjadi.

e. Mengatur posisi fotoselsedemikan hingga beradadiujung pola difraksi (garisgelap terang)

f. Menggeser posisi fotoselsampai ke ujung yang lain

sambil mencatat tegangankeluaran fotosel yang terbacapada mikrovoltmeter untuksetiap jarak pergeseran 2mm,dan masukkan hasilnya dalambentuk tabel.

g. Mengukur jarak antara detektordengan celah

h. Mengukur lebar celah yangdigunakan dalam eksperimen inimenggunakan mikroskop.

i. Menentukan lebar celah (d)yang digunakan di dalameksperimen ini denganmenggunakan persamaan (9).

j. Membandingkan hasil yangdiperoleh dari langkah (h) dan(i).

DATA HASIL PENGAMATAN

Pengamatan I

No.

Pergeseran (cm)

Tegangan(mV)

0 0 11 0.2 0.9

2 0.4 0.83 0.6 0.64 0.8 15 1 1.16 1.2 1.17 1.4 1.18 1.6 19 1.8 110 2 1.111 2.2 112 2.4 113 2.6 114 2.8 115 3 116 3.2 1.117 3.4 1.118 3.6 1.119 3.8 1.220 4 1.121 4.2 1.222 4.4 1.123 4.6 1.124 4.8 1.125 5 1.126 5.2 1.127 5.4 1.128 5.6 1.129 5.8 1.130 6 1.131 6.2 1.132 6.4 1.133 6.6 1.134 6.8 1.435 7 1.336 7.2 1.337 7.4 1.4

38 7.6 1.439 7.8 1.540 8 1.541 8.2 1.542 8.4 1.443 8.6 1.444 8.8 1.245 9 1.546 9.2 1.747 9.4 1.748 9.6 1.749 9.8 1.350 10 1.251 10.2 1.752 10.4 2.753 10.6 3.154 10.8 2.655 11 1.556 11.2 1.357 11.4 3.258 11.6 5.459 11.8 8.160 12 6.861 12.2 2.762 12.4 1.663 12.6 6.464 12.8 21.165 13 33.966 13.2 28.767 13.4 9.268 13.6 3.469 13.8 44.570 14 261.171 14.2 55072 14.4 91673 14.6 121374 14.8 1359

75 15 120876 15.2 95877 15.4 61878 15.6 330.879 15.8 79.680 16 4481 16.2 28.682 16.4 53.583 16.6 53.384 16.8 54.985 17 10.386 17.2 1.887 17.4 9.388 17.6 15.889 17.8 15.390 18 9.891 18.2 2.792 18.4 1.693 18.6 3.994 18.8 6.495 19 6.296 19.2 3.497 19.4 1.798 19.6 1.699 19.8 2.7100 20 3.8101 20.2 3.4102 20.4 2.1103 20.6 1.4104 20.8 1.7105 21 2.5

106 21.2 3.6107 21.4 2.8108 21.6 2.1109 21.8 1.5110 22 2111 22.2 2.5112 22.4 2.5113 22.6 2.1114 22.8 1.6115 23 1.5116 23.2 1.7117 23.4 1.9118 23.6 2.2119 23.8 2120 24 1.5121 24.2 1.4122 24.4 1.5123 24.6 1.712 24.8 1.7

4125 25 1.6126 25.2 1.4127 25.4 1.3128 25.6 1.3129 25.8 1.4130 26 1.4131 26.2 1.3132 26.4 1.3133 26.6 1.3134 26.8 1.3135 27 1.2136 27.2 1.2137 27.4 1.1138 27.6 1.1139 27.8 1.2140 28 1.1141 28.2 1.1142 28.4 1.1

143 28.6 1.1144 28.8 1.1145 29 1.1146 29.2 1147 29.4 1148 29.6 1149 29.8 1.1150 30 1.1151 30.2 1.1152 30.4 1.1153 30.6 1.1154 30.8 1.1155 31 1.1156 31.2 1157 31.4 1.1158 31.6 1.1159 31.8 1.1160 32 1.116 32.2 1.1

1

Pengamatan II

No.

Pergeseran (cm)

Tegangan(mV)

0 0 11 0.2 1.12 0.4 1.13 0.6 1.14 0.8 1.15 1 1.16 1.2 1.17 1.4 1.18 1.6 1.19 1.8 1.110 2 1.111 2.2 1.212 2.4 1.113 2.6 1.114 2.8 1.115 3 1.116 3.2 1.217 3.4 0.718 3.6 0.719 3.8 1.120 4 1.2

21 4.2 2.3

22 4.4 1.1

23 4.6 1

24 4.8 1

25 5 1

26 5.2 1.2

27 5.4 1.2

28 5.6 1.2

29 5.8 1.2

30 6 1.3

31 6.2 0.9

32 6.4 1.3

33 6.6 1.3

34 6.8 1.4

35 7 1.6

36 7.2 1.8

37 7.4 1.7

38 7.6 1.5

39 7.8 1.4

40 8 1.7

41 8.2 2.1

42 8.4 2.2

43 8.6 1.9

44 8.8 1.5

45 9 1.4

46 9.2 1.7

47 9.4 2.3

48 9.6 2.5

49 9.8 2.2

50 10 1.5

51 10.2 1.4

52 10.4 1.8

53 10.6 2.6

54 10.8 2.9

55 11 2.4

56 11.2 1.4

57 11.4 1.4

58 11.6 2.3

59 11.8 3.4

60 12 3.6

61 12.2 2.4

62 12.4 1.3

63 12.6 1.6

64 12.8 4.1

65 13 6.5

66 13.2 6

67 13.4 3.5

68 13.6 1.3

69 13.8 3.9

70 14 10.7

71 14.2 16.6

72 14.4 13.1

73 14.6 4.3

74 14.8 2.1

75 15 13.2

76 15.2 34.7

77 15.4 62.4

78 15.6 48.7

79 15.8 22

80 16 12.7

81 16.2 108.7

82 16.4 353.2

83 16.6 832

84 16.8 1128

85 17 1478

86 17.2 1560

87 17.4 1338

88 17.6 867

89 17.8 565

90 18 268.5

91 18.2 32.2

92 18.4 3.2

93 18.6 28.5

94 18.8 43.1

95 19 44.2

96 19.2 27.1

97 19.4 4.1

98 19.6 1.5

99 19.8 4.5100 20 7.8101 20.2 8.7102 20.4 5.3103 20.6 2.3104 20.8 1.1105 21 1.6106 21.2 2.6107 21.4 2.9108 21.6 2.4109 21.8 1.5110 22 1.3111 22.2 1.4112 22.4 1.8113 22.6 2114 22.8 1.6

115 23 1.4116 23.2 1.2117 23.4 1.3118 23.6 1.3119 23.8 1.2120 24 1121 24.2 1.1122 24.4 1123 24.6 1.1124 24.8 1.2125 25 1.2126 25.2 1.1127 25.4 1128 25.6 0.9129 25.8 1130 26 0.9131 26.2 0.9132 26.4 1.1

133 26.6 1.1134 26.8 1.2135 27 1.2136 27.2 1.2137 27.4 1.2138 27.6 1.2139 27.8 1.2140 28 1.2141 28.2 1.2142 28.4 1.1143 28.6 1.1144 28.8 1.2145 29 1.3146 29.2 1.3147 29.4 0.9148 29.6 0.9149 29.8 0.9150 30 1

151 30.2 0.9152 30.4 0.7153 30.6 0.9154 30.8 0.7155 31 1156 31.2 0.9157 31.4 0.9158 31.6 0.9159 31.8 0.9160 32 0.5161 32.2 0.5

Pengamatan III

No.

Pergeseran (cm)

Tegangan(mV)

0 0 11 0.2 0.92 0.4 0.93 0.6 0.94 0.8 0.75 1 0.76 1.2 1.27 1.4 1.28 1.6 1.19 1.8 1.1

10 2 1.111 2.2 1.112 2.4 1.113 2.6 1.314 2.8 115 3 116 3.2 1.117 3.4 118 3.6 119 3.8 1.220 4 121 4.2 122 4.4 1.323 4.6 1.224 4.8 1.225 5 1.226 5.2 1.127 5.4 128 5.6 1.129 5.8 1.330 6 1.231 6.2 1.132 6.4 1.133 6.6 1.334 6.8 1.135 7 1.136 7.2 1.437 7.4 1.338 7.6 1.339 7.8 1.340 8 1.541 8.2 1.442 8.4 1.343 8.6 1.644 8.8 1.545 9 1.446 9.2 1.7

47 9.4 2.148 9.6 2.249 9.8 1.950 10 1.551 10.2 1.652 10.4 2.153 10.6 2.954 10.8 3.555 11 3.156 11.2 1.857 11.4 2.958 11.6 5.759 11.8 8.460 12 7.461 12.2 4.262 12.4 1.963 12.6 7.664 12.8 20.965 13 33.766 13.2 31.367 13.4 20.768 13.6 3.569 13.8 70.870 14 26471 14.2 52672 14.4 93773 14.6 120274 14.8 151075 15 120776 15.2 92677 15.4 59178 15.6 22979 15.8 64.480 16 7.381 16.2 30.682 16.4 54.383 16.6 54.8

84 16.8 33.785 17 10.486 17.2 587 17.4 10.288 17.6 16.889 17.8 17.290 18 1191 18.2 6.292 18.4 4.793 18.6 0.594 18.8 995 19 8.596 19.2 6.697 19.4 4.798 19.6 4.899 19.8 6100 20 6.8101 20.2 6.1102 20.4 3.1103 20.6 4.4104 20.8 4.5105 21 5.4106 21.2 5.8107 21.4 5.5108 21.6 4.7109 21.8 4.311 22 4.6

0111 22.2 5.1112 22.4 5.4113 22.6 5.2114 22.8 4.6115 23 4.4116 23.2 4.5117 23.4 4.9118 23.6 5119 23.8 4.8120 24 4.4121 24.2 4.3122 24.4 4.4123 24.6 4.6124 24.8 4.7125 25 4.6126 25.2 4.4127 25.4 4.2128 25.6 4.3

129 25.8 4.3130 26 4.3131 26.2 4.2132 26.4 4.2133 26.6 4134 26.8 4135 27 4136 27.2 3.9137 27.4 3.9138 27.6 4139 27.8 4140 28 3.9141 28.2 3.8142 28.4 3.8143 28.6 3.8144 28.8 4145 29 4146 29.2 3.914 29.4 3.9

7148 29.6 3.9149 29.8 3.9150 30 3.9151 30.2 3.9152 30.4 3.9153 30.6 3.9154 30.8 3.9155 31 4156 31.2 4157 31.4 3.9158 31.6 3.9159 31.8 3.9160 32 4161 32.2 4

PEMBAHASAN

Pada praktikum/percobaankali ini akan membahas tentangdifraksi laser. Pada percobaan inibertujuan untuk menunjukkan adanyagejala difraksi laser dan mengukur

lebar celah yang digunakan yangberukuran kecil dengan menggunakanmetode difraksi laser. Pengertianatau definisi dari difraksi itusendiri adalah peristiwapelenturan dari gelombang cahayaketika melewati celah yang sempitdalam arti celah yang dilewatilebih kecil daripada panjanggelombang cahaya yang melewaticelah tersebut. Akibat melewaticelah yang sempit itumengakibatkan gelombang cahayatidak lagi merambat menurut garislurus dan menyebabkan terjadinyainterferansi sehingga tepi tepibayangan menjadi kabur. Akibatdari peristiwa inilah muncul polagelap dan pola terang yang lebihdikenal dengan fringe. Pola gelapterang ini disebabkan karenaadanya distribusi intensitascahaya yang tertangkap pada suatulayar dimana fringe atau polagelap terang terjadi. Selainadanya distribusi intensitas ,pola gelap dan pola terang yangterjadi karena adanya kuat terangpemusatan minimum dan kuat terangpemusatan maksimum sehinggaterjadi terang pusat yangmerupakan pola yang paling terangdiantara terang yang lainnya.

Pada percobaan inimenggunakan laser merah yangmemiliki panjang gelombang sebesar632,8 nm. Laser yang digunakan ini

dilewatkan celah yang sempitkurang lebih setengah dari panjanggelombang dari laser yangdigunakan. Kemudian laser yangtelah dilewatkan celat sempittersebut ditepatkan pada suatudetektor yang dinamakan denganfotosel yang telah dihubungkandengan tegangan output atautegangan keluaran sehinggadetektor mampu menangkap poladifraksi yang terjadi. Tegangankeluaran ini sebanding denganintensitas yang dihasilkan olehlaser berdasarkan distribusinya.Jadi tegangan keluaran tersebutmewakili distribusi intensitasdari laser akibat melewati celahkecil tersebut. Kemudian setelahitu menggeser posisi fotoseldengan pergeseran sebesar 2 mmsambil mengamati tegangan keluaranyang ditunjukkan padamikrovoltmeter. Dari tegangan yangdihasilkan dapat dibuat grafikbentuk distribusi intensitas poladifraksi yang terjadi. Pada puncaktertinggi yang dihasilkanmerupakan terang pusat dari poladifraksi yang dihasilkan. Kemudianpuncaknya semakin lama semakinturun yang menujukkan intensitassemakin berkurang karenaterjadinya pergeseran yang lebihjauh dari terang pusat.

Dari data yang diperolehtersebut dapat digunakan untuk

menentukan lebar celah yangdigunakan dalam percobaan denganmenggunakan persamaan sebagaiberikut :

Dengan d = lebar celah = panjang gelombang

laser yang digunakan

L =jarak antara celahdengan detektor/layar

S = jarak anata polagelap atau pola terangberurutan

Adapun grafik yang diperolehdari eksperimen mengenai difraksilaser adalah:

1. Pengamatan I

2. Pengamatan II

3. Pengamatan III

4. Hasil Rata-rata

Grafik rata-rata diatasmenunjukkan distribusi intensitaspola difraksi laser yang digunakanpada eksperimen.

Pada percobaan ini belumdiketahui literatur atau lebarcelah yang digunakan sehinggatidak dapat mencantumkanprosentase kesalahan dan faktorfaktor yang menyebabkan kesalahanyang terjadi dalam eksperimen kaliini.

KESIMPULAN

Dari percobaan ini dapatdisimpulkanbahwa :1. Lebar celah yang digunakan

sebesar (0,7609 ± 0,1904082) mm.2. Pola difraksi yang dihasilkan

ditunjukkan ada pola gelapterang yang ditujukkan padadetektor dan distribusiintensitas yang dihasilkan

DAFTAR PUSTAKAgeronimo2012.vv.si/difraksi-cahayaphys.unpad.ac.id/wp-conten.