aplikasi laser untuk menangkap komponen gerak rotasi gempa bumi dengan ring
TRANSCRIPT
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