praktikum teknik optik

BAB II
DASAR TEORI

2.1 Optical Device
Optical device adalah semua peralatan yanhg bisa merekam, membaca, maupun menghasilkan cahaya. Di zaman yang serba modern ini, tak bisa dipungkiri bahwa pentingnya kebutuhan peralatan optic ini. Mulai dari peralatan rumah tangga sampai ke peralatan dalam system komunikasi.
Beberapa contoh peralatan optic yang sering dijumpai yaitu :
a. kamera, lensa, teropong, teleskop, mikroskop, prisma
b. laser, LED
c. CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM, DVD-RW
d. monokromator, attenuator, polarisator

2.2 Prisma
Prisma adalah suatu peralatan optic yang dapat memisahkan cahaya polikromatis menjadi berkas-berkas cahaya monokromatis penyusunnya. Fenomena ini dikenal dengan istilah Dispersi.
Dispersi yaitu peristiwa penguraian cahaya polikromarik (putih) menjadi cahaya-cahaya monokromatik (me, ji, ku, hi, bi, ni, u) pada prisma. Peristiwa dispersi ini terjadi karena perbedaan indeks bias tiap warna cahaya. Cahaya berwarna merah mengalami deviasi terkecil sedangkan warna ungu mengalami deviasi terbesar.



Gambar 2.1 Dispersi pada prisma
Berdasarkan peneletian para ahli, panjang gelombang dari masing-masing spektrum cahaya matahri atau cahaya putih adalah sebagai berikut

Gambar 2.2 Spektrum Cahaya Tampak (Visible Light)
Sudut dispersi
 = u - m ……………………………..………………..2.1

 = (nu - nm)β2.2
Di mana :
m = sudut deviasi merah
u = sudut deviasi ungu
nu = indeks bias untuk warna ungu
nm = indeks bias untuk warna merah
2.2 LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
Berbeda dengan sinar biasa, sesuai dengan kepanjangan diatas, bahwa laser adalah cahaya yang dikuatkan yang disebabkan oleh suatu pancaran dari emisi yang terangsang. Untuk memudahkan bayangan tentang laser, tabel di bawah ini menggambarkan perbedaan pancaran cahaya biasa dengan yang di hasilkan oleh laser.

Gambar 2.3 Perbedaan laser dengan cahaya biasa
Dari arah pancaran cahaya pada gambar di atas, terlihat bahwa laser mempunyai arah yang lurus dan tidak melebar sedangkan sinar biasa tidak teratur dan melebar. Dalam kehidupan sehari-hari kita sudah biasa melihat sinar berwarna putih yang dihasilkan oleh matahari lampu dan sebagainya. Sebenarnya, warna putih tersebut dihasilkan oleh campuran beberapa warna cahaya . Panjang Gelombang laser merupakan salah satu dari sekian campuran cahaya tersebut atau yang lebih popular disebut dengan cahaya monochromatic. Ciri khas laser yang lain adalah mempunyai gelombang cahaya yang fasenya sama, sehingga saling memperkuat yang menyebabkan laser mempunyai pancaran yang kuat.
Laser terjadi akibat adannya rangsangan. Rangsangan (excitation) adalah kata kunci untuk membahas teori laser. Ilustrasi yang gampang adalah sebagai berikut. Komposisi atom atau molekul pada suatu benda bila dinaikan suhunya, maka atom-atom tersebut akan saling bertabrakan. Dengan cara menyerap cahaya, energi atom tersebut semakin besar. Keadaanlah yang disebut dengan terangsang. Dengan memberikan rangsangan yang lebih besar (rangsangan berupa cahaya lain), radiasi yang dihasilkan juga akan semakin besar. Rangsangan tersebut diberikan dengan kondisi tertentu, sehingga yang dihasilkan adalah cahaya monochromatic. Teori paling dasar dan laser telah dijelaskan diatas, yaitu dengan rangsangan/eksitasi akan menghasilkan cahaya dengan energi yang kuat atau disebuit laser. Dan untuk menghasilkan laser diperlukan suatu resonator cahaya. Gambar di bawah menjelaskan resonator cahaya (laser cavity) untuk menghasilkan laser.

Gambar 2.4 Proses terjadinya laser
Pada laser cavity terdapat 2 cermin yang saling berhadapan. Yang satu bisa memantulkan sempurna (A), dan satunya memantulkan sebagian (B) dan memungkinkan cahaya untuk menerobos. Penempatan cermin harus dihitung dengan teliti yang sesuai dengan karateristik bahan medium serta bahan cermin itu sendiri. Setelah mendapat rangsangan, atom yang dirangsang tersebut pada saat tertentu mengeluarkan cahaya dan didalam medium tersebut memantul dan cermin ke cermin secara berulang-ulang. Karena didalam kondisi tertutup, akan semakin kuat hingga pada saatnya mencapai titik jenuh. Energi yang besar berupa cahaya tersebut akan keluar lewat cermin B, pada saat itulah lasing (peristiwa pelaseran) terjadi. Laser yang dihasilkan mempunyai satu arah dan panjang gelombang tunggal atau monokromatis yang stabil / koheren.
berdasarkan medium, pulsa, cara rangsangan dibagi menjadi 3 macam yaitu laser padat, cair, dan gas. Untuk membedakan secara gampang yaitu dengan melihat mediumnya. Kalau mediumnya benda padat adalah laser padat, mediumnya zat cair berarti laser cair, dan medium-nya berupa gas berarti laser gas.
2.3 Spektroskopi
Konsep dasar dari spektroskopi adalah penguraian (dekomposisi) suatu berkas sinyal/gelombang menjadi sebuah kumpulan/berkas sinyal-sinyal fundamentalnya (sinyal-sinyal harmoniknya atau bisa juga dikatakan sebagai kebalikan dari prinsip superposisi.

Gambar 2.5 Dekomposisi suatu berkas sinar
spektroskopi cahaya
Spektroskopi cahaya adalah penguraian (dekomposisi) suatu berkas cahaya (polikromatik) menjadi sebuah kumpulan/ berkas gelombang cahaya fundamentalnya (monokromatik). Penguraian tersebut biasanya menggunakan komponen optik sehingga sering disebut juga sebagai spektroskopi optik. Misal, penguraian berkas cahaya dengan prisma.
Beberapa macam teknik spektroskopi cahaya dasar:
Spektroskopi emisi : pengukuran spektrum frekuensi suatu sumber cahaya
Spektroskopi absorbsi : pengukuran spektrum serapan cahaya dari suatu atom, molekul atau bahan.

Gambar 2.6 Spektrum cahaya tampak
Misal: lampu tungsten, lampu tungsten banyak dipakai dimana spektrumnya mirip dengan spektrum radiasi kotak hitam (black body radiation, BBR; Hukum Radiasi Planck) Sumber cahaya lain memiliki spektrum yang berbeda tergantung pada mekanisme dari proses emisi yang terjadi.
2.4 Monokromator
Monokromator adalah perangkat optik yang mentransmisikan sebuah panjang gelombang secara mekanis yang dipilih dari cahaya polikromatis yang tersedia pada masukan. Monokromator merupakan perangkat yang dapat menghasilkan cahaya monokromatik dan memiliki banyak kegunaan dalam sains maupun teknologi fotonoka. Hal ini disebabkan karena banyak karakteristik dari suatu material yang bergantung pada warna. Sehingga dengan mudah seseorang dapat mengetahui karakteristik dari suatu materi hanya dengan melihat spektrum warna yang dihasilkannya.
Monokromator menggunakan salah satu fenomena optic, yaitu dispersi pada prisma. Ketika cahaya polikromatis sudah terdispersi oleh prisma, cahaya-cahaya monokromatis yag di hasilkan akan diarahkan. Sehingga hanya panjang gelombang tertentu yang dapat keluar melalui lubang output.

Gambar 2.7 Prinsip monokromator dalam menyaring beberapa panjang gelombang

2.5 Beam Splitter
Beam splitter adalah suatu perangkat optic yang dapat membagi berkas cahaya menjadi 2 (dua). Beam splitter merupakan bagian penting dari sebagian besar interferometers. Seperti interferometer Michelson, Mach-Zender, maupun interferometer lainnya.
Dalam bentuk yang paling umum sebuah beam splitter dibuat berbentuk kubus yang terdiri dari dua buah prisma, pada prisma tersebut, dipakai lapisan resin yang disesuaikan sedemikian sehingga (untuk panjang gelombang tertentu) setengah dari cahaya bisa melewatinnya dan juga sebagian lagi dibiaskan.
Pembuatan beam splitter yang lain adalah dengan menggunakan cermin setengah perak. Cermin setengah perak ini merupakan sebuah piringan kaca dengan lapisan tipis berupa aluminium (biasanya disetorkan dari aluminium uap) dengan ketebalan lapisan aluminium biasanya setengah, cahaya insiden pada sudut 45 derajat ditransmisikan, dan sisanya dipantulkan. Daripada lapisan logam, dielektrik lapisan optik dapat digunakan. Seperti cermin biasa digunakan sebagai output laser skrup dalam konstruksi

Gambar 2.8 Beam splitter

2.6 Attenuator
Attenuator optik adalah alat yang digunakan untuk mengurangi tingkat kekuatan atau daya dari sinyal optik, baik dalam ruang kosong atau dalam serat optik. Attenuator optik biasanya digunakan dalam komunikasi serat optik.
Dalam jaringan fiber optic, diperlukan suatu attenuator untuk mengurangi dan menjaga keseimbangan kekuatan cahaya yang ditransmisikan dari satu perangkat ke perangkat lain, attenuator optik digunakan dalam kasus-kasus seperti itu, karena mampu mengendalikan output dari serat tingkat daya cahaya yang besar menjadi lebih lemah. Apabila daya dari cahaya tidak dikurangi, akan mengkibatkan kurang maksimalnya pembacaan pada receiver.

Gambar 2.9 Atenuator
2.7 Modulator optic
Modulator optik adalah alat yang berfungsi untuk memodulasi cahaya dengan cara mengubah-ubah amplitude, frikuensi, fasa, atau intensitas cahaya sehingga mampu membawa sinyal info.
Berdasarkan tempat terjadinya modulasi, ada 2 macam modulasi optik, sehingga dengan sendirinya ada 2 macam modulator, yaitu :
- Modulator Internal (Sumber Cahaya)
Ada dua sumber cahaya yang dikenal dalam komunikasi optik: Light Emitting Diode (LED) dan Illuminating Laser Diode (ILD) yang lebih sering disebut laser. Perbandingan karakteristik LED dan LASER:
a. Light Emitting Diode (LED):
1. Daya optik keluaran rendah.
2. Penguatan cahaya tidak ada.
3. Stabil terhadap suhu.
4. Disipasi panas kecil.
5. Arus pacu kecil.
6. Lifetime lebih sedikit.
7. Tidak compatible dengan fiber optik single mode sehingga tidak cocok untuk komunikasi jarak jauh (long haul).
b. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER):
1. Daya optik keluaran besar.
2. Terdapat penguatan cahaya.
3. Kurang stabil terhadap suhu.
4. Disipasi panas besar.
5. Arus pacu besar.
6. Lifetime lebih lama.
7. Kompatible dengan fiber optik jenis single mode sehingga sangat cocok digunakan untuk komunikasi jarak jauh.
Dari perbandingan karakteristik di atas, maka diperoleh bahwa LASER mempunyai kriteria yang lebih baik dan lebih cocok untuk sistem yang digunakan daripada LED sebagai sumber cahaya.
- Modulator Eksternal
Berdasarkan interaksi antara sinyal masukan dengan media interaksi optik, maka modulator eksternal dibagi menjadi tiga jenis yaitu elektro-optik, magneto-optik, dan akusto-optik.
Mach Zehnder
Mach Zehnder merupakan jenis modulator eksternal elektro-optik, bekerja mempengaruhi berkas cahaya yang melintas dengan menggunakan medan elektromagnetik tertentu yang dihasilkan oleh pulsa-pulsa listrik. Atau dengan kata lain modulator ini bekerja berdasarkan prinsip perpaduan (interfering) dua berkas cahaya koheren yang menghasilkan pola garis-garis cahaya (fringe) sesuai dengan besarnya beda fasa antara dua berkas cahaya tadi. Gambar 2.10 adalah skema dasar Interferometer Mach Zehnder. Pada gambar tersebut nampak jelas cara kerja alat jika dilihat dari arah rambatan cahayanya

Gambar 2.10 Skema dasar Interferometer Mach Zehnder
Perbedaan fasa yang terjadi bisa disebabkan dua hal, yaitu perbedaan fasa karena pemantulan atau perbedaan karena lintasan. Pada kasus ini perbedaan fasa yang ditimbulkan disebabkan karena perbedaan lintasan yang ditempuh kedua berkas sinar. Perbedaan fasa akibat pantulan tidak terjadi di sini, karena terjadinya pantulan pada masing-masing berkas sinar sama, yaitu tiap berkas sama-sama mengalami dua kali pemantulan. Beda fasa antara dua berkas cahaya pada titik P dapat dinyatakan dalam persamaan :
 = (n.h)2 / 0 ……………………………………...2.3
dimana :
h adalah selisih jarak antara dua berkas cahaya dalam interferometer.
n adalah indeks bias medium perambatan optik.
2.8 Polarisator
Dalam hubungan dengan polarimeter cahaya, maka cahaya dinyatakan sebagai gelombang elektromagnetik yang transversal (tegak lurus dengan arah rambatnya). Cahaya umumnya mempunyai bermacam-macam panjang gelombang, dimana bila dibiaskan melalui prisma kaca akan terurai menjadi beberapa warna cahaya yang dikenal sebagai spectrum. Tiap-tiap warna cahaya disebut sebagai cahaya monokromatik.
Dalam alat polarimeter ini cahaya monokromatik dihasilkan dengan menggunakan sodium lamp (lampu natrium) dimana gas natrium pijar akan menghasilkan lampu warna kuning. Cahaya monokromatik pada dasarnya mempunyai bidang getar yang banyak sekali. Bila dihayalkan maka bidang getar tersebut akan tegak lurus pada bidang datar. Bidang getar yang banyak sekali ini secara mekanik dapat dipisahkan menjadi dua bidang getar yang saling tegak lurus. Pada polarimeter terdapat polarisator dan analisator. Polarimeter adalah Polaroid yang dapat mempolarisasi cahaya, sedangkan anlisator adalah Polaroid yang dapat menganalisa/mempolarisasikan cahaya.

Gambar 2.11 Polarisasi
Apabila cahaya melalui polarisator maka bidang getar polarisator akan diserap atau dipadamkan sehingga cahaya yang dapat melalui polarisator adalah cahaya yang mempunyai bidang getar polarimeter. Sebaliknya cahaya yang melalui analisator maka bidang getar polarisator akan dipadamkan dan yang tinggal hanyalah cahaya yang mempunyai bidang getar analisator. Larutan yang akan diperiksa diletakkan antara polarisator dan analisator. Larutan optis aktif adalah larutan yang dapat memutar bidang polarisasi. Apabila diketahui besar sudut putar bidang polarisasi oleh larutan yang diperiksa maka kadar/konsentrasi zat optis aktif dalam larutan yang dipergunakan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
P = Bt . C . L…………..........................................2.4
Dimana :
P = Besarnya sudut antara bidang polarisasi (hasil pengamatan )
Bt= Sudut putar spesifik zat optis aktif yang digunakan pada t0 C
C = Kadar/ konsentrasi zat optis aktif ( gram/cc)
L = Panjang tabung pemeriksa
Catatan :
Bt diperoleh pada tabel (dengan standar temperature 200C )
2.8 LCD
Liquid Crystal Display (LCD): Sebuah teknologi layar digital yang menghasilkan citra pada sebuah permukaan yang rata (flat) dengan memberi sinar pada kristal cair dan filter berwarna.
Telah lama dipakai sebagai layar untuk laptop, komputer desktop juga telah mulai menggunakan monitor yang memakai teknologi LCD ini. LCD memiliki banyak kelebihan dibanding monitor CRT. Mereka mampu menampilkan teks yang jernih dan tidak ada flicker, yang berarti mengurangi kelelahan mata. Karena tebalnya kurang dari 10 inci (± 25 cm), monitor LCD untuk desktop mengambil ruang yang lebih kecil dibanding monitor CRT. Kekurangannya: kualitas warna layar LCD tidak dapat dibandingkan dengan monitor CRT, dan harganya yang mahal membuatnya tak terjangkau bagi kebanyakan orang. Ditemukan tahun 1888, kristal cair merupakan cairan kimia yang molekul-molekulnya dapat diatur sedemikian rupa bila diberi medan elektrik, seperti molekul-molekul metal bila diberi medan magnet. Bila diatur dengan benar, sinar dapat melewati kristal cair tersebut.
sebuah layar LCD terdiri atas banyak lapisan, istilahnya adalah "sandwich". Sebuah sumber sinar flourescent, atau backlight, merupakan lapisan paling bawah. Sinar ini akan melewati filter pertama dari dua filter pengatur (polarizing). Sinar yang telah terpolarisasi kemudian melewati sebuah lapisan yang berisi ribuan bintik kristal cair yang dijajarkan pada sebuah kontainer kecil yang dinamakan cell. Setiap sel, juga dijajarkan membentuk barisan pada layar; satu cell atau lebih akan membentuk satu pixel (ukuran titik terkecil pada sebuah layar). Sumber elektrik di sekeliling LCD membentuk sebuah medan elektrik yang akan menggetarkan molekul kristal, yang akan mengatur sinar yang akan lewat pada lapisan kedua berupa filter yang terpolarisasi dan melewatinya. Pada sebuah layar LCD monokrom, seperti pada sebuah PalmPilot atau jam tangan digital, demikianlah cara kerjanya: Penutup membuka, dan pekerjaan selesai. Tetapi pada LCD berwarna, seperti pada PC laptop, cara kerjanya lebih kompleks. Pada sebuah panel LCD berwarna, setiap pixel terdiri atas tiga buah cell kristal cair. Setiap ketiga cell tersebut memiliki filter merah, hijau, atau biru (red-green-blue/RGB). Sinar yang melewati cell yang terfilter tersebut akan menciptakan warna yang dapat dilihat pada LCD. Kadang-kadang sistem yang mengirimkan arus listrik pada satu cell atau lebih tidak berjalan dengan baik; kejadian tersebut menimbulkan adanya pixel yang gelap dan rusak.


Gambar 2.12 Prinsip LCD