SODIUM LASER GUIDE STAR

Qanun Miladial Hikmah – 13312088, Dhea Rineka Ramdhini – 13312093

Program Studi Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung (ITB)

Jl. Ganesha 10 Bandung 40132 Jawa Barat – Indonesia Tel & Fax: +62-22-250 0935

Email : qanun_miladial@rocketmail.com , dhearineka@gmail.com

Abstrak- Optik adaptif adalah sebuah metode untuk mengoreksi penglihatan real time

dengan membuat penyetelan cepat pada deformable mirror untuk memperjelas hasil citra bintang

yang ditangkap teleskop. Agar sistem ini bekerja, sinyal referensi harus terang dan cukup dekat

jaraknya dari langit ke sumber astronomis yang diamati sehingga kedua sinyal lewat pada atmosfer

dan jalur optik yang sama. Namun, ada sedikit sekali bintang terang di langit yang berada dekat

dengan sumber astronomi. Sehingga dibuatlah Laser Guide Stars sebagai pemandu teleskop dalam

menangkap citra bintang. Laser guide star terbagi 2 yaitu Rayleigh laser guide star dan Sodium

laser guide star. Pencitraan dengan sodium laser guide star diperoleh melalui penembakan cahaya

laser pada lapisan mesosfer di ketinggian 80-100 km dari permukaan bumi. Laser yang digunakan

adalah Nd-YAG Dye Laser dengan panjang gelombang 589 nm dan daya sekitar 20 watt memiliki

kualitas sinar yang sangat baik sehingga menghasilkan citra bintang yang sangat baik.

Keywords— optik adaptif, sodium laser guide stars, dye laser, ND-YAG

I Pendahuluan

Optik adaptif adalah sebuah metode untuk mengoreksi penglihatan real time dengan

membuat penyetelan cepat pada deformable mirror. Setelah melewati apartur teleskop, sinyal

bersama dengan sinyal referensi dari sebuah sumber titik, dicerminkan dari sebuah deformable

mirror. Sinyal referensi ini kemudian memisah menuju ke sebuah sensor muka gelombang

(wavefront sensor) yang mengambil sampel muka gelombang dalam jangka waktu mili detik.

Sensor muka gelombang memecah sinyal referensi menjadi banyak citra lewat lensa-lensa. Bila

muka gelombangnya planar, maka citra sinyal referensi dipasang dengan jarak yang sama di

detektor, namun jika muka gelombangnya menyimpang, maka citra dipasang tidak dalam jarak

yang sama.

Setelah analisa ruang, sebuah sinyal dikirim ke aktuator di ujung deformable mirror yang

menyetel bentuk cermin untuk mengkompensasi distorsi muka gelombang. Karena sinyal

astronomis juga tercermin dari cermin yang sama, citranya kemudian terkoreksi. Agar sistem ini

bekerja, sinyal referensi harus terang dan cukup dekat jaraknya dari langit ke sumber astronomis

yang diamati sehingga kedua sinyal lewat pada atmosfer dan jalur optik yang sama. Namun, ada

sedikit sekali bintang terang di langit yang berada dekat dengan sumber astronomi.

Solusinya adalah dengan membuat sebuah laser guide star (LGS). Sebuah sinar laser

dipancarkan ke langit dan merangsang atau menghamburkan partikel di atmosfer pada ketinggian

sekitar 80-100 km, dan membentuk sumber mirip titik yang berfungsi sebagai referensi. Bintang

yang alami tetap dipakai untuk informasi posisi mutlak, namun tidak harus terang atau dekat

dengan sumber target.

Dengan optik adaptif bintang buatan ini, astronom bisa mengambil gambar planet ataupun

tata surya lain dengan lebih jelas. Biasanya ketajaman gambar yang diperoleh dari teleskop di bumi

amat terbatas karena efek turbulensi atmosfer. Teknologi ini memungkinkan teleskop bumi

menghasilkan gambar setajam teleskop antariksa, seperti Hubble. Artinya, detail halus obyek

astronomi bisa dipelajari, begitu pula pemantauan terhadap obyek yang lebih redup. Keuntungan

lainnya, cahaya buatan ini bisa diarahkan kapan saja dan kemana saja.

Gambar 1. Diagram sederhana sistem optika adaptif

Gambar 2. Citra tanpa optika adaptif (kiri) dan citra dengan menggunakan optika adaptif (kanan)

II Sejarah

Laser guide star ditembakkan dari teleskop di bumi. Deretan teleskop radio yang bekerja

menggunakan teknik interferometri ini ternyata memungkinkan para ilmuwan mewujudkan

bintang buatan. Bintang buatan ini memberi cahaya yang cukup terang bagi para ahli astronomi

untuk mempelajari alam semesta dengan detail lebih sempurna. Laser yang menciptakan bintang

pemandu buatan ini memungkinkan para astronom menggunakan sistem optik adaptif, yang

menghapus efek kabur atmosfer yang ada di langit.

Pada 28 Januari 2006 pukul 23.07 waktu setempat, sinar laser berkekuatan beberapa watt

itu dipancarkan dari Yepun, teleskop unit very large array keempat yang berdiameter 8,2 meter.

Cahaya laser selebar 50 cm ini menghasilkan sebuah bintang buatan (artificial star), 90 km di

atmosfer. Cahaya bintang buatan ini 20 kali lebih redup dibandingkan dengan bintang paling suram

yang dapat terlihat mata tanpa perlu alat bantu. Meski begitu, sinarnya cukup terang sehingga alat

optik adaptif ini bisa mengukur dan mengoreksi efek blur atmosfer.

Bintang buatan ini adalah titik kulminasi kerja kolaborasi selama lima tahun antara tim ilmuwan

dan insinyur dari European Southern Observatory dan Max Planck Institutes for Extraterrestrial

Physics in Garching and for Astronomy di Heidelberg, Jerman.

III Pengertian dan Fungsi

Jika kita menaiki pesawat, kita pasti pernah merasakan turbulensi udara. Pesawat

terguncang, yang terkadang memaksa kita harus kembali ke tempat duduk dan mengenakan

kembali sabuk pengaman. Begitu juga dengan cahaya bintang yang turun ke bumi. Dalam

perjalanannya, cahaya itu terdistorsi oleh adanya turbulensi di atmosfer bumi. Itulah yang

menyebabkan kita melihat bintang selalu berkedip.

Satu alasan mengapa teleskop Hubble ditempatkan di luar angkasa adalah untuk

menghindari efek yang mengaburkan itu. Sedangkan di permukaan bumi, pakar astronomi

menyiasatinya dengan memperbesar dimensi diameter teleskopnya. Semakin besar diameter,

sejatinya semakin mampu mendeteksi obyek-obyek luar angkasa yang lebih redup dan jauh.

Namun, semakin besar dimensi teleskop, ongkos perawatan cermin teleskop, pemeliharaan suhu

di kubah teleskop, dan penggunaan kaca berdaya muai rendah menjadi sangat tinggi. Kualitas

gambarnya juga masih dibatasi oleh ketajaman, resolusi sudut, dan sensitivitas teleskop. Hingga

pada pertengahan 1980-an berkembang teknik optik adaptif untuk mengoreksi gambar yang

terdistorsi turbulensi atmosfer itu. Teknik itu terdiri atas tiga elemen utama yaitu sensor muka

gelombang yang mengukur variasi fase, instrumen pengoreksi muka gelombang (biasanya berupa

deformable mirror), dan sebuah komputer kendali yang harus berkinerja sangat cepat untuk

mengoreksi berbagai variasi secara real time.

Prinsipnya, ketiga elemen itu akan bahu-membahu menangkap cahaya bintang,

menentukan bagaimana atmosfer membengkokkannya, lalu menggunakan deformable mirror

meluruskannya kembali. Bintang-bintang buatan yang menjadi referensi bagi bintang-bintang asli

yang diamati, hanya mungkin berkembang lewat teknik optik adaptif ini. Bintang buatan ini dapat

dibuat dengan menembakkan laser.

Laser guide star adalah laser pemandu untuk menciptakan bintang buatan yang digunakan

untuk pencitraan optik adaptif pada bidang astronomi. Laser guide star terbagi 2 yaitu rayleigh

laser guide star dan sodium laser guide star. Rayleigh laser guide star hanya bekerja pada

ketinggian kurang dari 20km sedangkan sodium laser guide star bekerja pada ketinggian 80-100

km dari permukaan bumi. Sehingga untuk memperoleh citra bintang yang lebih jelas digunakanlah

sodium laser guide star.

IV Cara Kerja Laser

Laser yang digunakan merupakan laser dengan panjang gelombang 589.2 nm (kuning).

Sodium laser bekerja pada ketinggian 80-100 km dari permukaan bumi dengan ketebalan

mencapai 10 km dan daya sebesar 20 Watt. Sodium laser tidak dapat menggunakan material laser

yang umum karena daya yang sangat besar. Laser dengan daya tersebut memiliki potensi bahaya

yang besar karena dapat membakar kulit dan merusak mata sehingga dibutuhkan prosedur safety

yang ketat. Laser-laser yang dapat digunakan antara lain :

1. Raman Laser terdiri dari bulk crystal, dipompa dengan double frekuensi Q, switch

neodymium dan berdasar solid- state laser

2. 1178 nm Raman fiber laser (Raman MOPA), dipompa dengan ytterbium-doped fiber laser

3. Penggabungan frekuensi dari 2 buah sumber laser

4. Dye laser

Pada umumnya laser yang saat ini digunakan adalah dye laser karena lebih powerfull, lebih

murah dan lebih efisien. Dye laser unik karena dapat diatur keluaran frekuensinya. Dye laser

merupakan laser yang menggunakan pewarna organik sebagai media penguat biasanya disebut

solusi cair, meskipun saat ini juga terdapat pula solid laser dye dan vapor dye. Dibandingkan

dengan medium gas atau padat, dye dapat digunakan untuk lebar panjang gelombang yang lebih

luas hingga 50 sampai 100nm lebih lebar. Laser dye ditemukan oleh PP Sorokindan FP Schafer

pada tahun 1966.

Karakteristik dye laser antara lain :

1. Memiliki bandwidth gain yang luas yang memungkinkan untuk distel panjang

gelombangnya dan generasi ultrashort pulse dengan passive mode locking

2. Life time pada upper-state biasanya hanya beberapa nanodetik

3. Gain per unit panjang sangat tinggi terutama untuk pompa pulsa

4. Efisiensi konversi daya biasanya antara 10% dan 30% untuk pompa laser dan

memungkinkan lebih rendah untuk lampu kilat pompa.

Pemompaan dye laser

Dye biasanya dipompa pada panjang gelombang yang relatif singkat. Laser dapat dipompa dengan

menggunkan berbagai macam proses pemompaan antara lain :

1. Green laser seperti laser argon atau dobel frekuensi solid-state laser.

2. Dye laser untuk emisi panjang gelombang yang pendek ( missal : exalite, stilbene dan

coumarin) harus dipompa dengan panjang gelombang yang lebih pendek biasanya dengan

sinar ultraviolet. Sebagai contoh salah satu dapat menggunakan Q-switched dan frekuensi-

tiga kali lipat Nd: YAG laser pada 355 nm, atau frekuensi-empat kali lipat Nd: YAG laser

pada 266 nm.

3. Laser excimer, laser nitrogen atau laser uap tembaga

4. lampu flash. Pulsa yang terbentuk memiliki efisiensi konversi daya yang rendah tetapi

energy pulsa sangat tinggi

5. Diode laser

Pemompaan menyebabkan terjadinya proses eksitasi besar-besaran menuju state yang lebih tinggi

sehingga selanjutnya akan terbentuk inversi populasi yang nantinya akan turun dan memancarkan

emisi dengan panjang gelombang tertentu.

Nd-YAG Dye laser

Gambar 3 Pemompaan Nd-YAG

Salah satu proses pemompaan dye laser adalah dengan laser Nd-YAG. Laser infrared

Neodymium yang digunakan ada dua yaitu yang beroperasi pada 1.064 micron dan 1.319 micron

yang terkombinasi dengan Non-linier Crystal dan membentuk cahaya kuning sebagai pemicu

cahaya pada dye laser.

Gambar 4 Proses eksitasi electron

Sinar keluaran dari kedua laser akan memicu proses pemompaan pada dya laser . Proses

pemompaan bekerja dengan proses :

1. Eksitasi cepat dari tingkat vibrasi rotasi S1

2. Konversi internal ke tingkat vibrasi terendah S1

3. Emisi laser pada level rotasi vibrasi S0 jauh diatas keadaan groundnya

Setelah terjadi inversi populasi pada pada s1 selanjutnya akan terjadi emisi pada state yang lebih

rendah.

Tahapan Proses Dye Laser

Gambar 5 Proses dye laser

Susunan keseluruhan laser Nd-YAG sebagai pemompa dye laser tergambar pada gambar 5. Pada

sistem ini, keluaran panjang gelompang (warna) pada laser dapat distel sesuai keinginan. Sinar

keluaran dari laserNd-YAG akan melalui prisma polarisasi. Prisma polarisasi digunakan untuk

mengontrol cahaya yang terfilter melalui prisma tersebut. Inilah yang disebut dengan tunable

laser. Selanjutnya sinar akan melalui lensa silindris yang berfungsi untuk menfokuskan sinar

menuju media dye. Keberadaan cahaya pemicu yang masuk pada dye laser mengyebabkan elektron

tereksitasi ketingkat yang lebih tinggi dan terjadi proses emisi terangsang secara cepat dimana

elektron akan turun ke level yang lebih rendah dan memancarkan emisi pada besar yang

diharapkan yaitu 589.2 nm. Selanjutnya sinar akan mengalami penguatan akibat proses

pemantulan pada 2 buah cermin yang memiliki factor refleksi 100% dan factor refleksi yang

mendekati 100% agar nantinya meloloskan sinar pada saat tertentu. Sinar yang lolos merupakan

sinyal dengan panjang gelombang 589.2 nm dan daya 20 W dapat mencapai ketinggian hingga 80-

100 km dari atas permukaan bumi. Sinar inilah yang selanjutnya akan digunakan sebagai pemandu

bintang pada teleskop.

V Cara Kerja Sodium LGS

Gambar 6 Struktur lapisan atmosfer

Pencitraan dengan sodium laser guide star diperoleh melalui penembakan cahaya laser

pada lapisan mesosfer (lihat gambar 6) di ketinggian 80-100 km dari permukaan bumi dengan

mengggunakan panjang gelombang 589.2 nm. Pada lapisan mesosfer mengandung berbagai

material seperti alkali metal, sodium, potassium dan calcium. Laser dengan panjang gelombang

589.2 nm akan menumbuk atom sodium/natrium yang terdapat pada lapisan mesosfer dan

berpendar. Pemodelan dari transisi atom pada lapisan sodium terlihat pada gambar 7.

Gambar 7 Model Transisi Na D2 pada dua level atom

Hyperfine splitting adalah electron valensi dari spin dan nucleus apakah berada pada satu

arah atau tidak. Perbedaan pada tiga buah hyperfine masih sangat kecil tetapi perbedaan antara dua

buah ground state sangatlah besar yaitu sekitar 1.8GHz. Kerapatan atom sodium relative kecil

yaitu kurang dari 600 kg di seluruh lapisan sodium bumi. Ketika sinar laser ditembakan hanya

sebagian yang akan tertangkap oleh teleskop dan sebagian besar dari sinar terus bersinar ke atas.

Lifetime dari transisi D2 sangatlah cepat yaitu sekitar 16nec.

Akibat dari transisi atom pada lapisan sodium maka akan timpul pendaran yang akan

menciptakan suatu cahaya bintang baru (artificial star) yang akan membuat pencitraan pada

bintang sesungguhnya akan lebih jelas untuk direkam oleh teleskop dan dicitrakan. Laser dengan

panjang gelombang 589 nm dengan daya sekitar 20 watt dan kualitas beam yang sangat baik

diperlukan untuk memperoleh sinar laser dengan kecerahan yang cukup. Kecerahan dari LGS

tergantung pada hal lainnya yaitu seperti fisis atom pada lapisan sodium.

VI Cara Kerja Teleskop

Cahaya yang ditangkap oleh teleskop akan diproses lebih lanjut untuk selanjutnya

dicitrakan oleh komputer.

Gambar 8 Tahapan pencitraan objek pada teleskop

Gambar 8 diatas merupakan komponen standar yang ada pada teleskop guna untuk menangkap

gelombang dari pencintraan bintang. Masing-masing komponen memiliki fungsinya masing-

masing yaitu :

1. Tip-tilt mirror : merupakan cermin datar yang dipasang secara miring untuk membelokkan

cahaya 900. Cermin ini memiliki kemiringan sebesar 450

2. Kolimator :merupakan perangkat yang digunakan untuk mengarahkan cahaya agar lebig

selaras. Kolimator dapat berupa cermin cekumg atau lensa dengan berbagai jenis sumber

cahaya. Perangkat ini dapat digunakan untuk mereplika target yang infinit tanpa adanya

kesalahan paralaks.

3. Deformable mirror : merupakan cermin yang

dapat diubah-ubah bentuknya sehingga dapat

menyeleksi cahaya yang diteruskan. Cermin ini

terbentuk dari segemen-segmen cermin datar

yang independen yang digerakkan oleh suatu

aktuator. Setiap segmennya dapat bergerak

perlahan dengan menggunakan actuator agar

mendekati nilai rata-rata muka gelombang.

Gambar 9 Deformable mirror

4. Beam Splitter : merupakan pembelah berkas menjadi

berada pada 2 sisi lainnya. Bentuk yang paling umum

berupa kubus yang terdiri dari 2 buah gelas prisma segitiga

yang direkatkan bersama. Ketebalan lapisan disesuaikan

untuk panjang gelombang tertentu sehingga setengah dari

cahaya masuk melalui satu ‘port’ akibar refleksi ( wajah

kubus) dan setengahnya ditransmisikan karena refleksi

internal total penghalang. Beam splitter terdiri dari

piringan kaca dengan lapisan dielektrik yang memeberikan pergesaran fasa 0 atau π.

Menurut persamaan Fresnel pergeseran fasa hanya terjadi ketika cahaya masuk dari indeks

bias rendah ke indeks bias tinggi. Tetapi hal ini tidak berlaku untuk refleksi parsial oleh

pelapis konduktif (logam), dimana pergeseran fasa terjadi pada semua sisi (dipantulkan dan

ditransmisikan).

5. Wafe Front sensor : merupakan alat untuk mengukur penyimpangan muka gelombang

optic. Alat ini akan memberikan analisis penyimpangan kepada supercomputer yang

selanjutnya akan memberikan koreksi pada deformable mirror detik ke detik.

6. Tip tilt mirror

7. Kamera : kamera digunakan untuk menangkap cahaya yang masuk untuk selanjutnya

digambarkan pada computer

8. Komputer : kmputer digunakan untuk melihat citra dari bintang yang menjadi objek. Pada

mulanya bentuk dari bintang tidak sempurna akibat adanya turbulensi atmosfer tetapi

selang beberapa waktu akan dikoreksi oleh cermin-cermin penangkap pada teleskop

sehingga akan dihasilakan gambar yang jelas.

Tahapan proses teleskop

Telescope menangkap cahaya dari objek dan yang mengalami hamburan akibat adanya

turbulensi pada atmosfer sehingga menyebabkan gambar yang didapat kurang jelas. Lalu cahaya

dari objek akan memasuki sistem telescope dimana mula-mula cahaya akan dibelokkan 900 dengan

mengguanakan tip-tilt mirror dan diperbesar dengan kolimator. Cahaya yang masuk merupakan

cahaya yang mengalami ganggungan sehingga akan dikoreksi dengan wafe front sensor yang

terhubung dengan supercomputer dan selanjutnya akan menggerakkan deformable mirror agar

menghilangkan semua gangguan dari atmosfer. Cahaya yang diterukan akan dibelokkan sebagian

Gambar 10 Beam Splitter

menuju wave front sensor dan sebagian menuju kamera menggunakan beam splitter. Pada

akhirnya gambar yang ditangkap oleh kamera terhubung pada computer sehingga objek yang

diinginkan tergambar dengan jelas di computer setelah selang waktu tertentu.

VII Kesimpulan

Laser guide star adalah laser pemandu untuk menciptakan bintang buatan yang digunakan

untuk pencitraan optik adaptif pada bidang astronomi. Laser guide star terbagi 2 yaitu rayleigh

laser guide star dan sodium laser guide star. Rayleigh laser guide star hanya bekerja pada

ketinggian kurang dari 20km sedangkan sodium laser guide star bekerja pada ketinggian 80-100

km dari permukaan bumi. Sehingga untuk memperoleh citra bintang yang lebih jelas digunakanlah

sodium laser guide star.

Pada umumnya laser yang saat ini digunakan untuk sodium laser guide stars adalah dye

laser karena lebih powerfull, lebih murah dan lebih efisien. Dye laser ini membutuhkan proses

pemompaan salah satunya dengan menggunakan Nd-YAG laser. Keluaran dari dye laser akan

menghasilkan cahaya kuning yaitu dengan panjang gelombang 589.2 nm. Sinar keluaran dari laser

akan ditembakan ke atmosfer menyebabkan lapisan sodium pada mesosfer berpendar. Pendaran

dari sodium menciptakan suatu cahaya bintang baru (artificial star) yang akan membuat pencitraan

pada bintang sesungguhnya akan lebih jelas untuk direkam oleh teleskop dan dicitrakan.

Cahaya yang datang merupakan cahaya yang mengalami gangguan akibat turbulensi

sehingga ketika dicitrakan hasil citra menjadi blur. Maka dari itu proses pencitraan pada teleskop

menggunakan sistem optik adaptif. Sistem optik adaptif mengguanakan wavefront sensor sebagai

pengukur penyimpangan gelombang yang ditangkap. Hasil dari pengukuran akan digunakan untuk

mengoreksi cahaya yang datang dengan mengatur deformable mirror menggunakan suatu

aktuator. Sehingga akan dihasilkan citra bintang yang jelas pada computer.

VIII Daftar pustaka

Al-Assadi Wael , Mangwiza Irvin.2002. Pulsed Laser & Dye Laser diakses dari

http://www.slideshare.net/nobugss/

Goncharov, A. V., Owner-Petersen, M., Andersen, T., & Beckers, J. M., 2002, Optical

Engineering 41, 1065–1072, Donald C. O’Shea, Ed,

http://www.faktailmiah.com/2010/08/22/optika-adaptif.html (diakses pada tanggal 22 November

2015 pukul 10.20 WIB)

http://www.adaptivephotonics.com/laserguidestars.html (diakses pada tanggal 22 November 2015

pukul 11.00 WIB)

http://www.airspacemag.com/space/how-things-work-laser-guide-stars-3916929/?no-ist

(diakases pada tanggal 19 November 2015 pukul 20.02 WIB)

http://www.ctio.noao.edu/~atokovin/tutorial/part4/lgs.html (diakses pada tanggal 22 November

2015 pukul 12.15 WIB)

http://www.nature.com/news/astronomy-laser-focus-1.16741 (diakses pada tanggal 22 November

2015 pukul 10.23 WIB)

http://www.phy.davidson.edu/stuhome/sethvc/laser-final/dye.htm (diakses pada tanggal 22

November 2015 pukul 12.00 WIB)

https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_guide_star (diakses pada tanggal 22 November 2015 pukul

09.14 WIB)

https://www.eso.org/sci/publications/messenger/archive/no.139-mar10/messenger-no139-12-

19.pdf (diakses pada tanggal 22 November 2015 pukul 09.17 WIB)

https://www.rp-photonics.com/dye_lasers.html

Irwin, J. 2007. Astrophysics: Decoding the Cosmos. Wiley,

http://www.faktailmiah.com/2010/08/22/optika-adaptif.html (diakses pada tanggal 22 November

2015 pukul 10.20 WIB)

Koran Tempo. 2006. http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1141319436

(diakses pada tanggal 22 November 2015 pukul 09.18 WIB)

Max ,Claire. 2013. Introduction to Laser Guide Stars. Astro 289, UC Santa Cruz

http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/07/24/why-observatories-shoot-lasers-at-the-

universe (diakses pada tanggal 19 November 2015 pukul 19.30 WIB)

University of California Regents Center of Adaptif Optics. 2003. How Does an Adaptive Optics

System Work? , http://www.faktailmiah.com/2010/08/22/optika-adaptif.html (diakses pada

tanggal 22 November 2015 pukul 10.20 WIB)

Lampiran