MAKALAH FISIKA LASER

APLIKASI LASER UNTUK MENANGKAP KOMPONEN GERAK

ROTASI GEMPA BUMI DENGAN RING LASER

DISUSUN OLEH :

1. MARTHA RIANNA

2. SILVIA NOVIANA

3. WIDYA NORA NASUTION

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

PEKANBARU

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Allah Swt., berkat rahmat dan hidayah-Nya

penulis dapat menyelesaikan makalah Fisika Laser yang berjudul “Aplikasi Laser Untuk

Menangkap Komponen Gerak Rotasi Gempa Bumi dengan Ring Laser”.

Makalah ini dibuat berdasarkan tugas yang telah ditetapkan. Makalah ini diajukan

sebagai salah satu tugas kelompok mata kuliah “Fisika Laser”. Penulis mengucapkan terima

kasih kepada Dosen Pembimbing mata kuliah Fisika Laser Ibu Dr. Minarni, M.Sc.

Penulis sadar dalam penyusunan makalah ini masih banyak terdapat kekurangan. Hal

ini tidak lain karena penulis adalah manusia biasa yang tidak luput dari kekurangan dan

kesalahan. Untuk itu diharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari semua pihak

demi tercapainya kesempurnaan untuk makalah berikutnya.

Akhirnya penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah berperan

serta, semoga Allah Swt. memberikan balasan yang berlipat ganda atas bantuan yang telah

diberikan. Amin.

Pekanbaru, 21 April 2013

Penulis

i

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR................................................................................................... i

DAFTAR ISI................................................................................................................. ii

BAB I PENDAHULUAN............................................................................................. 1

1.1. Latar Belakang......................................................................................... 1

1.2. Rumusan Masalah...................................................................................... 1

1.3. Batasan Masalah ........................................................................................ 2

1.4. Tujuan ........................................................................................................ 2

1.5. Metode Penulisan ...................................................................................... 2

BAB II PEMBAHASAN .............................................................................................. 3

2.1. Prinsip Kerja Laser ..................................................................................... 4

2.2. Seismologi .................................................................................................. 6

2.3. Prinsip Kerja Ring Laser............................................................................. 8

2.4. Hasil yang diperoleh untuk mengukur gerak rotasi gempa bumi

dengan ring laser ....................................................................................... 9

BAB III PENUTUP

3.1. Kesimpulan ................................................................................................ 10

3.2. Saran .......................................................................................................... 10

DAFTAR PUSTAKA.................................................................................................... iii

ii

BAB I

 PENDAHULUAN

 

1.1.  Latar Belakang

Kata LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation, yang artinya perbesaran intensitas cahaya oleh pancaran terangsang. Kata kuncinya

adalah “perbesaran” dan “pancaran terangsang” yang akan menjadi jelas kemudian. Dewasa

ini, 30 tahun setelah ditemukan, kata laser telah menjadi perbendaharaan kata sehari-hari.

Peralatan yang menggunakan komponen laser dapat ditemukan dimana-mana, seperti pembaca

kode harga di kasir pasar swalayan, laser printer, compact – disk player, pemandu pesawat jet

dan pertunjukan laser dalam festival musik.

Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan amat lurus. Cara

kerjanya mencakup optika dan elektronika. Para ilmuwan biasa menggolongkannya dalam

bidang elektronika kuantum. Sebetulnya laser merupakan perkembangan dari MASER, huruf

M disini singkatan dari Microwave, artinya gelombang mikro. Cara kerja maser dan laser

adalah sama, hanya saja mereka bekerja pada panjang gelombang yang berbeda. Laser bekerja

pada spektrum infra merah sampai ultra ungu, sedangkan maser memancarkan gelombang

elektromagnetik dengan panjang gelombang yang jauh lebih panjang, sekitar 5 cm, lebih

pendek sedikit dibandingkan dengan sinyal TV – UHF. Laser yang memancarkan sinar tampak

disebut laser – optik.

Penemuan laser sebagai sumber daya primer yang merupakan salah satu peristiwa yang

penting dalam abad ini. Sejak pengumuman laser pertama, subjek fisika laser telah berkembang

dengan laju yang pesat dan berbagai jenis laser telah dibangun.. Suatu bidang baru yaitu optika

nonlinear sekarang ini maju ke depan dan dalam tingkat perkembangan yang cepat.

 

1.2  Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah dikemukakan di atas, maka rumusan masalah

dari makalah fisika laser ini adalah bagaimana sistem kerja laser dalam menganalisa sebuah

gempa bumi.

1

1.3 Batasan Masalah

            Pada makalah ini batasan masalah menggunakan metode Ring Laser dalam menangkap

gerak rotasi gempa bumi.

1.4  Tujuan

      Tujuan dari makalah ini adalah untuk mempermudah pembaca sehingga mengetahui

pengertian laser dalam aplikasi laser terhadap gempa bumi dengan ring laser.

 

1.4 Metode Penulisan

Metode penulisan yang dipakai pada pembuatan makalah fisika laser ini adalah metode

studi  literature, yaitu penulis membaca buku-buku literature dan informasi dari internet yang

berhubungan dengan permasalahan makalah ini.

 

 

2

BAB II

PEMBAHASAN

 

Laser merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation (penguat cahaya dengan stimulasi emisi radiasi), upaya yang dilakukan untuk

meningkatkan intensitas pancaran cahaya pada spektrum tertentu sehingga mampu mencapai

jarak yang jauh dan terarah tepat dengan suatu perangkat. Selanjutnya kata LASER menjadi

suatu kata yang baku, ‘laser’.

Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan amat lurus. Cara

kerjanya mencakup optika dan elektronika. Para ilmuan biasa menggolongkan dalam bidang

elektronika kuantum. Sebenarnya, laser merupakan perkembangan dari MASER, huruf  M

disini adalah singkatan dari microwave yang artinya gelombang mikro. Cara kerja maser dan

laser adalah sama, hanya saja keduanya bekerja pada gelombang yang berbeda. Laser bekerja

pada spektrum inframerah sampai ultra ungu, sedangkan maser memancarkan gelombang

elektromagnetik dengan panjang gelombang yang jauh lebih panjang. Laser yang

memancarkan sinar tampak disebut laser optik.

Laser memiliki banyak bidang terapan dan manfaat. Banyaknya bidang terapan dan

manfaat laser itu terutama karena berkas laser memiliki sifat – sifat khas yaitu tingkat

kemonokromatisan yang tinggi, koherensi ruang dan waktu yang tinggi, tingkat keterarahan

(directionality) yang tinggi, intensitas (brightness) yang tinggi, dan durasi yang pendek (short

time duration) untuk laser pulsa.  Laser banyak digunakan di dunia komunikasi, perbankan,

kesehatan, industry, manufaktur, elektronika, instrumentasi iptek, sistem pengaman bank dan

gedung, sampai sistem militer.

Gambar 2.1 Contoh bentuk sinar laser yang berwarna merah.

3

2.1  Prinsip Kerja Laser

Terjadinya laser sudah diramalkan jauh hari sebelum dikembangkannya mekanika

kuantum. Pada tahun 1917, Albert Einstein mempostulatkan pancaran imbas pada peristiwa

radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yang sedang menyerap dan

memancarkan radiasi. Menurut dia ada 3 proses yang terlibat dalam kesetimbangan itu, yaitu

serapan, pancarn spontan disebut fluorensi dan pancaran terangsang  atau lasing dalam bahasa

Inggrisnya, artinya memancarkan laser. Proses yang terakhir biasanya diabaikan terhadap yang

lain karena pada keadaan normal serapan dan pancaran spontan sangat dominan.

Sebuah atom pada keadaan dasar dapat dieksitasi ke keadaan tingkat energi yang lebih

tinggi dengan cara menumbukinya dengan elektron atau foton. Setelah beberapa saatberada di

tingkat tereksitasi ia secara acak akan segera kembali ke tingkat energi yang lebih rendah, tidak

harus ke keadaan dasar semula. Proses acak ini dikenal sebagai fluoresensi terjadi dalam selang

waktu rerata yang disebut umur rerata, lamanya tergantung pada keadaan dan jenis atom

tersebut. Kebalikan dari umur ini dapat dipakai sebagai ukuran kebolehjadian atom tersebut

terdeeksitasi sambil memancarkan foton yang energinya sama dengan selisih tingkat energi

asal dan tujuan. Foton ini dapat saja diserap kembali oleh atom yang lain sehingga mengalami

eksitasi tetapi dapat pula lolos keluar sistem sebagai cahaya. Sehingga atom – atom yang

tereksitasi tidak perlu menunggu terlalu lama untuk memancar secara spontan, asalkan terdapat

foton yang merangsangnya. Syaratnya foton itu harus memiliki energy yang sama dengan

selisih tingkat energi asal dan tujuan.

Cahaya laser terhasilkan dengan mengeksitasi elektron menggunakan sumber energi

yang lemah. Ketika banyak elektron yang tereksitasi, pulsa energi lainnya akan memicunya

sehingga semua jatuh ke tingkat yang sama secara bersamaan. Ini berarti mereka akan

memancarkan cahaya dengan panjang gelombang yang sama dalam bentuk pancaran yang

terkonsentrasi.

Tinjauan dua tingkat energi dalam sebuah atom E1 dan E2, dengan E1 < E2. Cacah atom yang

berada di masing-masing tingkat energi adalah N1 dan N2. Untuk menggambarkan distribusi

energi pada atom-atom itu dalam kesetimbangan termal berlakulah statistik Maxwell –

Boltzmann :

N1 / N2 = exp ( E2 – E1 ) / kT

  Persamaan ini menunjukkan bahwa dalam keadaan stimbang N1 selalu lebih besar

daripada N2, tingkat energi rendah selalu lebih padat populasinya dibandingkan dengan tingkat

yang lebih tinggi.

4

Dalam keadaan tak setmbang terjadilah perpindahan populasi melalui ketiga proses serapan

dan pancaran tersebut di atas.

 

Gambar 2.2 Serapan, pancaran spontan dan pancaran terangsang

Laser bisa dibuat hanya jika N2 > N1 yang tentu saja tidak alamiah, keadaan terbalik

seperti ini disebut inversi populasi. Inversi populasi ini harus dipertahankan selama laser

bekerja, dan cara-caranya akan dijelaskan di bagian berikut cara-cara untuk mencapai keadaan

inversi populasi ini antara lain adalah pemompaan optis dan pemompaan elektris. Pemompaan

optis adalah penembakan foton sedangkan pemompaan elektris adalah penembakan elektron

melalui lucutan listrik. Untuk menuju keadaan inversi populasi pemompaan ini harus

melakukan pemindahan atom ke tingkat eksitasi dengan laju yang lebih cepat dibandingkan

dengan laju pancaran spontannya. Hal ini dapat dilakukan jika dipergunakan medium laser

yang atom-atomnya memiliki tingkat energi yang metastabil. Sebuah tastabil memerlukan

waktu yang relative lebih lama sebelum terdeeksitasi dibandingkan dengan umurnya di tingkat

eksitasinya yang lain.

Dengan demikian pada saat pemompaan terus berlangsung, terjadilah kemacetan lalu

lintas di tingkat metastabil ini, populasinya akan lebih padat dibandingkan dengan populasi

tingkat energi di bawahnya. Populasi tingkat energi dasar kini sudah terlampaui populasi

tingkat metastabil. Bila suatu saat secara spontan dipancarkan satu foton saja yang berenergi

sama dengan selisih energi antara tingkat metastabil dengan tingkat dasar, ia akan memicu dan

mengajak atom-atom lain di tingkat metastabil untuk kembali ke tingkat dasar.

Gambar 2.3 Komponen utama laser.

 

5

2.2 Seismologi

Ilmu yang mempelajari tentang gempa disebut dengan seismologi. Seismologi berasal

dari dua kata dalam bahasa Yunani yaitu “seismos” yang berarti getaran atau goncangan dan 

“logos” yang berarti risalah atau ilmu pengetahuan. Orang Yunani menyebut gempa bumi

dengan kata – kata seismo tes ges yang berarti bumi bergoncang atau bergetar. Ilmu ini

mengkaji tentang apa yang terjadi pada permukaan bumi disaat gempa, bagaimana energi

goncangan merambat dari dalam perut bumi ke permukaan, dan bagaimana energy ini dapat

menimbulkan kerusakan serta proses tumbukan antar lempeng pada sesar bumi yang

menyebabkan terjadinya gempa. Dengan demikian, secara sederhana seismologi dapat

diartikan sebagai ilmu yang mempelajari fenomena getaran pada bumi, atau dengan kata

sederhana, ilmu mengenai gempa bumi seismologi merupakan bagian dari ilmu geofisika.

Gempa bumi adalah sebuah fenomena alam yang terjadi karena lapisan tanah di bawah

permukaan tanah bergeser secara mendadak. Ketika getaran itu sampai ke permukaan bumi

kita akan merasakan guncangan atau pergerakan tanah yang intensitasnya beragam mulai dari

getaran lunak membuat limbung, bahkan sampai mengakibatkan hancurnya bangunan kokoh.

Kuat atau lemahnya getaran tergantung kekuatan sumber dan jarak titik focus gempanya.

Guncangan itu sebenarnya berupa gelombang – gelombang yang menjalar menjauhi

titik fokus  gempa kesegala arah di bumi. Ada beberapa gelombang yang terbentuk saat gempa

yang utama dibedakan menjadi gelombang badan dan gelombang permukaan. Gelombang

badan terbagi dua yaitu gelombang primer ( gelombang P) dan gelombang sekunder

( gelombang S). Sedangkan gelombang permukaan ada dua jenis, yaitu gelombang love dan

gelombang Rayleigh.

Selanjutnya dengan penjelasan prinsip kerja laser tersebut, maka dilanjutkan dengan

mengenal seismometer sebagai alat untuk mencatat gerakan tanah akibat getaran yang

ditimbulkan oleh gempa bumi. Dengan alat ini maka semua komponen gerak translasi (arah x,

y, z) di permukaan tanah dimana alat tersebut dipasang dan dapat diukur. Dengan bantuan alat

ini, para seismolog dapat menentukan kapan, dimana dan berapa besar energi gempa bumi

yang telah terjadi. Gempa bumi didefinisikan sebagai getaran yang bersifat alamiah, yang

terjadi pada lokasi tertentu, dan sifatnya tidak berkelanjutan. Getaran pada bumi terjadi akibat

dari adanya proses pergeseran secara tiba-tiba (sudden slip) pada kerak bumi. Pergeseran

secara tiba-tiba terjadi karena adanya sumber gaya (force) sebagai penyebabnya, baik

bersumber dari alam maupun dari bantuan manusia (artificial earthquakes).

6

Lebih jauh, dapat menduga struktur perlapisan di bawah permukaan bumi, bahkan

sampai ke inti bumi. Namun demikian, secara fisika, masih ada satu komponen lagi yang larut

dari pengamatan para seismolog, yaitu komponen gerak rotasi. Gerak rotasi adalah gerak

sebuah benda atau partikel yang menempuh lintasan berupa lingkaran. Sehingga dalam

komponen gerak rotasi terdapat sesuatu komponen yang bergerak dalam sebuah benda atau

partikel yang menempuh lintasan berupa lingkaran. Tidak diamatinya komponen gerak yang

satu ini, bukan karena ketidak-sadaran akan adanya gerak rotasi akibat gempa bumi, namun

lebih pada kesulitan di dalam mengukur komponen – komponen ini.

Secara terpisah, ternyata para peneliti di bidang earthquake engineer justru

menganggap komponen gerak rotasi ini sangat penting. Peneliti menduga bahwa komponen ini,

meskipun dengan amplitude yang kecil dapat menyebabkan kerusakan struktur bangunan. Hal

ini terutama untuk bangunan dengan bentuk memanjang seperti jembatan atau saluran pipa –

pipa. Untuk itu, meskipun tanpa bantuan alat yang dapat mengukur gerak rotasi ini secara

langsung, bisa mendapatkan komponen gerak rotasi ini dengan cara merekam komponen gerak

translasi di beberapa lokasi sekaligus. Secara matematis, dalam batas – batas tertentu, memang

dapat menurunkan komponen gerak rotasi dari pengamatan gerak translasi di beberapa titik

lokasi pengukuran sekaligus (seismic array).

Dengan demikian, pengukuran gerak rotasi secara langsung dengan menggunakan

sensor rotasi merupakan alternatif terbaik untuk bisa mendapatkan hasil pengukuran yang

akurat. Sampai saat ini, sensor gerak rotasi yang dianggap memiliki tingkat akurasi yang tinggi

adalah ‘ring laser’.

 

Gambar 2.4a. Ring Laser

7

Gambar 2.4b Komponen Ring Laser.

2.3. Prinsip kerja ring laser

Sebenarnya ring laser bukan merupakan alat yang baru ditemukan. Sejak tahun 60-an,

alat ini sudah digunakan untuk keperluan navigasi terutama pada pesawat komersial maupun

militer dan kapal laut. Ring laser bekerja berdasarkan prinsip Sagnac, sesuai dengan nama

ilmuan Perancis G.Sagnac yang melakukan eksperimen ini dalam gambar 2.5 pertama kali

pada tahun 1913.

Gambar 2.5. Prinsip kerja alat ring laser yang terdiri dari pemancar laser yang memancarkan

laser pada dua arah yang berlawanan dan detektor untuk mengkombinasikan sinar laser dari

kedua arah rambat tersebut.

Sinar laser dipancarkan dalam dua arah perambatan yang saling berlawanan, yang satu

searah dengan jarum jam dan yang lain berlawanan arah jarum jam. Oleh sebuah detektor,

kedua gelombang tersebut ditangkap dan dikombinasikan. Jika alat ini tidak mengalami gerak

rotasi, maka panjang lintasan gelombangnya akan sama sehingga akan menghasilkan output

berupa interferensi output berupa interferensi yang destruktif.

8

Jika alat tersebut mengalami rotasi, maka panjang lintasan gelombangnya akan berbeda,

menghasilkan perbedaan fase sehingga menimbulkan fenomena layangan gelombang.

Frekuensi layangan gelombangnya (beating frequency) ini akan sebanding dengan gerak

rotasinya, dimensi dari instrumen ini dengan keliling ring laser, luas penampang ring laser dan

panjang gelombang sinar laser yang digunakan. Semakin besar keliling ring lasernya, semakin

sensitif alat ini dapat menangkap gerak rotasi.

Ring laser terbesar yang telah beroperasi berada di Negara bagian Bayern, Jerman dan

mempunyai dimensi panjang dan lebar 4m x 4m. Dengan dimensi sebesar itu, alat tersebut

mampu mengukur gerak rotasi dengan ketelitian 7,3 x 10-14 radian per detik. Sebagai gambaran

saja, gempa bumi yang terjadi tanggal 26 Mei 2006 di Yogyakarta kemaren (Magnitudo 6.3),

seandainya diukur dengan sensor rotasi di Jakarta yang berjarak sekitar 500 km akan

mempunyai amplitude sebesar 10-8radian per detik.

 

2.4 Hasil yang diperoleh untuk mengukur gerak rotasi gempa bumi dengan ring laser

Prototipe pertama ring laser untuk aplikasi geofisika dibuat pada tahun 1990 di

Universitas Catenbury Cristchurch New Zeeland. Alat ini kemudian diberi nama C-1. Ring

laser ini mempunyai luas penampang , yang pada mulanya digunakan untuk mengukur

parameter – parameter dalam gerak rotasi bumi (sudut rotasi bumi, panjang hari, gerak kutub

bumi, dan fenomena gerak presisi dan nutasi). Secara konvensional, parameter-parameter

tersebut biasanya diamati dengan menggunakan teknik radio astronomi, seperti VLBI (Very

Long Baseline Interferometry).  

Secara singkat, dengan diketahuinya gerak rotasi ini, dapat dilakukan studi mengenai

parameter gelombang seismik (gelombang gempa) dengan lebih ekonomis. Mengapa demikian,

karena selama ini untuk dapat mengetahui parameter gelombang seperti kecepatan gelombang

gempa, arah rambatan gelombang dari sumber gempa, serta kecepatan gelombang gempa

sebagai fungsi dari frekuensi gelombangnya, perlu memasang beberapa sensor translasi

(seismometer) dalam radius beberapa kilometer. Tentu saja hal ini memerlukan biaya yang

sangat besar. Sementara dengan mengunakan sensor rotasi ini, hanya perlu komplemen satu

buah sensor translasi di tempat yang sama, untuk dapat mengetahui parameter-parameter di

atas. Sehingga dilakukan studi yang intensif untuk mengetahui kemungkinan diaplikasikannya

gerak rotasi ini untuk memperbaiki pemahaman tentang proses rupture di dalam patahan yang

menyebabkan terjadinya gempa bumi.

 

9

BAB III

PENUTUP

 

3.1  Kesimpulan   

Makalah mengenai aplikasi laser dalam menangkap komponen gerak rotasi gempa

bumi dengan ring laser pada Fisika Laser mempunyai beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan amat lurus untuk

meningkatkan intensitas pancaran cahaya pada spektrum tertentu sehingga mampu

mencapai jarak yang jauh dan terarah tepat dengan suatu perangkat.

2. Berkas laser memiliki sifat – sifat khas yaitu tingkat kemonokromatisan yang tinggi,

koherensi ruang dan waktu yang tinggi, tingkat keterarahan (directionality) yang tinggi,

intensitas (brightness) yang tinggi, dan durasi yang pendek (short time duration) untuk

laser pulsa.

3. Cahaya laser terhasilkan dengan mengeksitasi elektron menggunakan sumber energi

yang lemah.

4. Pada prinsip kerja ring laser  diperoleh bahwa semakin besar keliling ring lasernya,

semakin sensitif alat ini dapat menangkap gerak rotasi gempa bumi.

5. Frekuensi layangan gelombangnya (beating frequency) ini akan sebanding dengan

gerak rotasi, dimensi dari instrumen ini dengan keliling ring laser, luas penampang ring

laser dan panjang gelombang sinar laser yang digunakan.

3.2     Saran

Berdasarkan uraian diatas, ada beberapa saran yang dapat disampaikan seperti

penyusunan makalah Fisika Laser tentang “Aplikasi Laser dalam Menangkap Komponen

Gerak Rotasi Gempa Bumi dengan Ring Laser”. Dengan metode-metode yang telah ditentukan

masih jauh dari kesempurnaan untuk memperlengkap makalah ini.

Pengembangan analisis ini dapat dihasilkan visualisasi solusi dengan metode – metode

yang digunakan dalam analisis yang diterapkan untuk jumlah waktu update yang lebih besar.

Dengan demikian, penyusun sangat mengharapkan agar pembaca dapat memahami 

makalah ini agar kedepannya dapat bermanfaat dan lebih menerapkan “Aplikasi Laser dalam

Menangkap Komponen Gerak Rotasi Gempa Bumi dengan Ring Laser” dalam kehidupan

sehari-hari. 

10

DAFTAR PUSTAKA

http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1153053431

http://iwanps.wordpress.com/category/artikel-sains/

iii