APLIKASI LASER UNTUK MENANGKAP KOMPONEN GERAK ROTASI GEMPA BUMI DENGAN RING LASER

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.

 

 

1.3 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.

 

 

 

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.

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. 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.

 

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). 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 2.4 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.

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 10-8 radian 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.

 

 

 

Gambar 2.6 Konstruksi untuk PFO baru  lemari besi dengan menggunakan Ring

 Laser adalah di ruang kanan atas.


 

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. Pada prinsip kerja ring laser  diperoleh bahwa semakin besar keliling ring lasernya, semakin sensitif alat ini dapat menangkap gerak rotasi gempa bumi.

 

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.                                  

 

 

 

 

 

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s