LAPORAN RESMI PRAKTIKUM TEKNIK OPTIK
P1
–
KARAKTERISASI SPEKTRUM SUMBER CAHAYA
Disusun Oleh :
KELOMPOK 7/LJ
Nama :
Reza Maliki Akbar (02311745000017)
Asisten :
Kayi Mahdy Yattaqi (02311440000102)
DEPARTEMEN TEKNIK FISIKA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
LAPORAN RESMI PRAKTIKUM TEKNIK OPTIK
P1 - KARAKTERISASI SPEKTRUM SUMBER CAHAYA
Disusun Oleh :
KELOMPOK 7/LJ
Nama :
Reza Maliki Akbar (02311745000017) Asisten :
Kayi Mahdi Yattaqi (02311440000102)
DEPARTEMEN TEKNIK FISIKA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
i ABSTRAK
Perkembangan di dunia industri yang memanfaatkan devais optik bukanlah hal baru lagi, hal ini dikarenakan penggunaan devais optik mampu meningkatkan kecepatan dan keakuratan dalam produksi. Teknologi optik yang sudah digunakan dalam dunia industri salah satunya adalah alat potong menggunakan laser pada benda kerja. Oleh karena itu, pemahaman mengenai karakteristik cahaya utamanya dari masing-masing sumber cahaya agar dapat direkayasa dan dimanfaatkan untuk mempermudah kehidupan manusia sangat diperlukan. Salah satu hal yang penting dalam karakter cahaya adalah spektrum dan lebar spektrum sumber cahaya antara lain laser He-Ne, lampu halogen, dan LED. Dari percobaan ini maka dapat disimpulkan bahwa karakter dari suatu sumber cahaya adalah panjang gelombang λ berbanding terbalik dengan daya rata-rata (Prata-rata), apabila panjang gelombang λ semakin diperbesar maka daya rata-rata (Prata-rata) yang dikeluarkan oleh sumber cahaya tersebut akan semakin kecil mendekati nol. Namun lebar spectral-nya semakin tinggi untuk daya yang tinggi. Laser He-Ne memiliki daya keluaran rata-rata yang paling tinggi diantara sumber cahaya lain atau dapat dituliskan daya rata-rata (Prata-rata) dari (Laser > Lampu Halogen > LED). Lebar spektral untuk laser He-Ne sebesar 16,11 nm, untuk LED sebesar 64,095 nm dan untuk lampu halogen sebesar 299,445 nm. Sehingga lebar spektral laser He-Ne < LED < lampu halogen.
ii ABSTRACT
Development in the industrial world that utilize optical devices is not new anymore, this is because the use of optical devices can increase the speed and accuracy in production. Optical technology that has been used in industrial world one of them is cutting tools using laser on the workpiece. Therefore, an understanding of the main light characteristics of each light source in order to be engineered and utilized to facilitate human life is necessary. One of the important things in the character of light is the spectrum and wide spectrum of light sources such as He-Ne lasers, halogen lamps, and LEDs. From this experiment it can be concluded that the character of a light source is the wavelength (λ) inversely proportional to the average power (Paverage), if the wavelength (λ) is increasingly enlarged then the
average power (Paverage) issued by the light source will be smaller close
to zero. But the spectral width is higher for high power. The He-Ne laser has the highest average output power among other light sources or it can be written the average power of (Laser> Halogen Lamps> LED). The spectral width for the He-Ne laser is 16.11 nm, for the LED of 64,095 nm and for halogen lamps of 299,445 nm. So the laser spectral width of He-Ne < LED < halogen lamp.
iii
DAFTAR GRAFIK ... vii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 1
1.3 Tujuan ... 2
1.4 Sistematika Laporan ... 2
BAB II DASAR TEORI ... 3
BAB III METODOLOGI PERCOBAAN ... 11
iv
3.2 Prosedur Percobaan ... 11
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN ... 13
4.1 Analisa Data ... 13
4.2 Pembahasan ... 21
5 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 23
5.1 Kesimpulan ... 23
5.2 Saran ... 23
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Spektrum Gelombang Elektromagnetik ... 3
Gambar 2.2 Spektrum Laser HeNe ... 4
Gambar 2.3 Spektrum Lampu Halogen ... 5
Gambar 2.4 Spektrum LED ... 5
Gambar 2.5 Laser ... 6
Gambar 2.6 Lampu Halogen ... 7
Gambar 2.7 LED ... 8
Gambar 2.8 Monokromator dengan Grating (Kisi Difraksi) ... 9
Gambar 2.9 FWHM ... 10
vi
DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1 Daya Optik terhadap Panjang Gelombang Laser ... 14 Grafik 4.2 Daya Optik terhadap Panjang Gelombang LED ... 17 Grafik 4.3 Daya Optik terhadap Panjang Gelombang Lampu
1
1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Dalam bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak (Kalumuck, 2000). Cahaya merupakan paket partikel yang disebut foton. Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian dipersepsikan secara visual oleh indra penglihatan sebagai warna. Bidang studi cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan area riset yang penting pada fisika modern.
Seiring dengan bidang studi optika modern yang sekarang sedang berkembang pesat, pemanfaatan cahaya tidak hanya pada penerangan saja, namun banyak digunakan oleh industri-industri seperti telekomunikasi, manufaktur, proses, dll. Contoh aplikasi bidang optika modern dalam manufaktur adalah sebagai alat potong benda atau material di industri. Sumber cahaya yang digunakan dalam aplikasi pemotong di industri memiliki frekuensi dan panjang gelombang tertentu sehingga memiliki daya yang relatif besar.
Oleh karena itu, pemahaman mengenai karakteristik cahaya utamanya dari masing-masing sumber cahaya agar dapat direkayasa dan dimanfaatkan untuk mempermudah kehidupan manusia sangat diperlukan.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas dapat dirumuskan masalah yang akan dihadapi dalam praktikum ini diantaranya adalah :
1. Apa yang dimaksud dengan spektrum sumber cahaya dan karakteristiknya ?
2
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari pelaksanaan praktikum ini adalah :
1. Memahami dan menganalisa karakteristik spektrum sumber cahaya.
2. Menentukan lebar spektral sumber cahaya. 1.4 Sistematika Laporan
Penyusunan laporan praktikum disusun dengan struktur yang terarah. Adapun sistematika penulisan dibuat dengan urutan sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN : dalam bab ini berisikan tentang latar belakang, rumusan masalah, tujuan diadakan praktikum. Bab ini ditutup dengan pembahasan sistematika penulisan yang digunakan.
BAB II DASAR TEORI : bab ini mengenai teori teori dasar yang dijadikan sebagai acuan dalam praktikum ini.
BAB III METODOLOGI PERCOBAAN : bab ini berisikan mengenai alat dan bahan yang digunakan dalam praktikum.
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN : dalam bab ini berisikan tentang analisa dari hasil praktikum yang telah dilakukan seta pembahasan dari praktikum.
3
2 BAB II DASAR TEORI 2.1 Spektrum Sumber Cahaya
Spektrum gelombang elektromagnetik merupakan rentang semua radiasi elektromagnetik yang mungkin terjadi, spektrum elektromagnetik dapat dijelaskan dalam panjang gelombang, frekuensi atau tenaga per foton.
Spektrum elektromagnetik dapat dibagi dalam beberapa daerah yang terentang dari sinar gamma gelombang pendek berenergi tinggi sampai pada gelombang mikro dan gelombang radio dengan panjang gelombang sangat panjang. Biasanya dalam mendeskripsikan energi spektrum elektromagnetik dinyatakan dalam elektronvolt untuk foton berenergi tinggi (di atas 100 eV), dalam panjang gelombang untuk energi menengah, dan dalam frekuensi untuk energi rendah (λ ≥ 0,5 mm). Istilah "spektrum optik" juga masih digunakan secara luas dalam merujuk spektrum elektromagnetik, walaupun sebenarnya hanya mencakup sebagian rentang panjang gelombang saja (320 - 700 nm).
4
Lebar spektral sumber cahaya dari masing-masing sumber cahaya berbeda-beda mulai dari laser gas He-Ne, Lampu TL, Lampu Halogen dan juga LED, kemudian untuk mengetahui besarnya daya yang dihasilkan ditinjau dari panjang gelombang sumber cahaya tersebut dapat dilihat pada gambar 2.2; gambar 2.3; gambar 2.4 dan gambar 2.5 dibawah ini :
Pada laser He-Ne hubungan panjang gelombang dengan daya yang dikeluarkan adalah sebagai berikut :
5
Pada lampu Halogen hubungan panjang gelombang dengan daya yang dikeluarkan adalah sebagai berikut :
Gambar 2.3 Spektrum Lampu Halogen
Pada LED hubungan panjang gelombang dengan daya yang dikeluarkan adalah sebagai berikut :
6
2.2 Sumber Cahaya
Setiap sumber cahaya memiliki karakteristrik spektrum yang berbeda-beda. Pada dasarnya terdapat dua jenis sumber cahaya, yaitu cahaya alami dan cahaya buatan. Cahaya alami merupakan cahaya yang berasal dari matahari, sedangkan cahaya buatan berasal dari lilin, lampu gas, lampu minyak, dan lain-lain. Kedua sumber cahaya ini mempunyai kelebihan dan kekurangan. Sumber cahaya alami memiliki sifat tidak menentu, tergantung pada iklim, musim, dan cuaca. Cahaya buatan membutuhkan biaya tertentu, namun peletakan dan kestabilan cahaya dapat diatur. Berikut ini beberapa jenis sumber cahaya buatan.
2.2.1 Laser
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation) merupakan mekanisme suatu alat yang memancarkan
radiasi elektromagnetik, biasanya dalam bentuk cahaya yang tidak dapat dilihat maupun dapat lihat dengan mata normal, melalui proses pancaran terstimulasi. Pancaran Laser biasanya tunggal, memancarkan foton dalam pancaran koheren. Komponen yang diperlukan adalah resonator untuk proses penguatan foton. Salah satu jenis laser yang sering digunakan adalah laser He-Ne. Laser ini merupakan jenis laser gas gabungan antara Helium dan Neon dengan perbandingan 10:1. Bentuk dari laser dapat dilihat pada gambar 2.2.
7
2.2.2 Lampu Halogen
Lampu halogen tungsten (yang disebut juga lampu TH atau cukup disebut lampu halogen) memancarkan cahaya yang lebih putih dan tahan lama dibandingkan dengan lampu pijar standar. Umur lampu halogen berkisar antara 2000 jam sampai 10.000 jam. Beberapa tipe dari lampu halogen menggunakan kaca bola lampu kwarsa dan dapat menjadi sangat panas, sehingga membutuhkan perlindungan khusus untuk keselamatan. Temperatur warna untuk lampu halogen adalah sekitar 3000K yang menghasilkan cahaya yang tampak sedikit lebih putih dan lebih dingin dibandingkan dengan lampu pijar. Bentuk dan panampkan dari lampu pijar dapat dilihat pada gambar 2.3.
8
2.2.3 LED (Light Emitting Diode)
Gambar 2.7 LED
Light Emitting Diode atau sering disingkat dengan LED adalah
komponen elektronika yang dapat memancarkan cahaya monokromatik ketika diberikan tegangan maju. LED merupakan keluarga dioda yang terbuat dari bahan semikonduktor. Warna-warna cahaya yang dipancarkan oleh LED bergantung pada jenis bahan semikonduktor yang dipergunakannya. Pada LED warna merah panjang gelombangnya 610 < λ < 760 nm dan biasanya bahan penyusunnya adalah aluminium gallium arsenide.
2.3 Monokromator
9
Gambar 2.8 Monokromator dengan Grating (Kisi Difraksi)
Berikut ini akan dijelaskan prinsip kerja monokromator yang menggunakan kisi difraksi sebagai elemennya. Kisi difraksi adalah piranti untuk menghasilkan spektrum menggunakan peristiwa difraksi. Kisi difraksi dibuat dengan membentuk goresan pada suatu bahan tertentu dan berfungsi sebagai sistem banyak celah. Jumlah celah dalam kisi difraksi menentukan kemampuan kisi untuk memisahkan gelombang. Semakin banyak jumlah celah pada kisi, maka kemampuan kisi untuk memisahkan panjang gelombang lebih besar. Jumlah celah pada kisi difraksi untuk daerah cahaya tampak biasanya sekitar 15.000 sampai 3000 garis/inci (Day & Underwood, 1986: 399-400).
2.4 Lebar Spektral
10
perpotongan antara daya rata-rata dari sumber cahaya dengan panjang gelombang atau dikenal dengan FWHM (Full Wave of Half Maximum).
11
3 BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN 3.1 Peralatan
Peralatan atau perlengkapan yang dilakukan dalam percobaan karakterisasi spektrum sumber cahaya ini antara lain :
1. Lampu halogen 1 buah. 2. LED 1 buah
3. Laser He-Ne 1 buah.
4. Optical Power Meter Thorlabs PM100D.
5. Laptop yang sudah terinstall progam PM100D Utility
3.2 Prosedur Percobaan
Prosedur dalam melakukan percobaan karakterisasi spektrum sumber cahaya ini antara lain :
Gambar 3.1 Peletakan Komponen dalam Percobaan
1. Mempersiapkan peralatan yang akan digunakan.
2. Meletakkan detektor dengan jarak 3 cm dari sumber cahaya dengan tidak merubah posisi saat melakukan pengukuran karena akan berpengaruh terhadap daya yang ditampilkan. 3. Menghubungkan detektor dengan piranti Optical Power Meter
(OPM) Thorlabs, kemudian OPM dihubungkan dengan laptop yang sudah diinstall PM100d Utility dan program dijalankan kemudian menunngu sampai program siap digunakan.
12
atau setiap kelipatan 15 nm panjang gelombang pengambilan data dilakukan.
5. Mencatat daya rata-rata yang ditampilkan oleh OPM setiap variasi panjang gelombang, hal ini dilakukan berulang terhadap masing-masing sumber cahaya yang digunakan dan berlaku untuk semua jenis sumber cahaya.
6. Membuat daya grafik optik sebagai fungsi panjang gelombang untuk semua sumber cahaya.
13
4 BAB IV
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Analisa Data
Setelah melakukan percobaan, diperoleh data berupa daya rata-rata pada tiap-tiap sumber cahaya dengan panjang gelombang 400 nm–700 nm (dengan interval 15 nm) seperti berikut :
a. Laser
Tabel 4.1 Daya Optik terhadap Panjang Gelombang Laser
14
Grafik 4.1 Daya Optik terhadap Panjang Gelombang Laser
15
→ −− = , , −− − ,− , x x −−
−
− = , − = , − = , − . = , = �
→ −− = , , −− − ,− , x x −−
−
− = , − = , − = , − , = , = �
16
b. LED
Tabel 4.2 Daya Optik terhadap Panjang Gelombang LED
17
Grafik 4.2 Daya Optik terhadap Panjang Gelombang LED
���� = �� � �������� ×
400 430 460 490 520 550 580 610 640 670 700
18
Tabel 4.3 Daya Optik terhadap Panjang Gelombang Lampu Halogen
19
Grafik 4.3 Daya Optik terhadap Panjang Gelombang Lampu Halogen
20
→ − �1
− =
, 9 � −4− , x −4
, 9 � −4− , x −4
−
= ,
− = . − = ,
− , =
, = �
→ −− = , , −−− ,− , x x −−
−
= − ,
− = − , + , =
, = �
21
Tabel 4.4 Rangkuman Perhitungan Tiap Sumber Cahaya
Laser LED Lampu Halogen beberapa sumber cahaya. Sumber cahaya akan dilewatkan pada monokromator dan akan dilakukan pengukuran dengan menggunakan Optical Power Meter (OPM) merupakan sebuah devais atau alat yang biasa digunakan untuk mengukur kekuatan sinyal optik, istilah tersebut biasa mengacu pada perangkat untuk menguji daya rata-rata dalam sistem serat optic. Sebuah power meter umumnya terdiri dari sensor, amplifier atau penguat, dan display atau tampilan dan praktikum ini juga menggunakan software Thorlabs. Pengukuran menggunakan OPM membutuhkan beberapa komponen penunjang yakni sumber cahaya dan medium yang akan diuji redaman daya rata-ratanya. Terdapat 3 sumber cahaya. lampu halogen, laser He-Ne, dan LED.
22
mempunyai sifat cahaya yang dihasilkan terfokus sesuai dengan literatur yang ada yaitu empat sifat laser koheren, monokromatik, kesearahan, kecerahan, dengan hasil percobaan daya maksimum 1,99 x 10-3 W, FWHM 9,95 x 10-4, dan
Pada LED puncakannya ada pada rentang 617-681 nm, dengan titik puncak di 640 nm. Ini menunjukkan kesesuaian dengan literatur yang ada, yaitu LED yang digunakan adalah LED dengan sinar tampak berwarna merah dengan rentang 610-760 nm. Cahaya yang dihasilkan LED monokromatik dan tidak koheren. Hasil percobaan LED yaitu daya maksimumnya 1,87 x 10-6 W, FWHM 0,935 x 10-6, lebar spektral 64,095 nm.
23
5 BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat ditarik setelah melakukan percobaan karakterisasi spectrum sumber cahaya ini antara lain :
1. Karakter dari suatu sumber cahaya adalah panjang gelombang λ berbanding terbalik dengan daya rata-rata (P rata-rata), apabila panjang gelombang λ semakin diperbesar maka daya rata-rata (Prata-rata) yang dikeluarkan oleh sumber cahaya tersebut akan semakin kecil mendekati nol. Namun lebar spektralnya semakin tinggi untuk daya yang tinggi. Laser He-Ne memiliki daya keluaran rata-rata yang paling tinggi diantara sumber cahaya lain atau dapat dituliskan daya rata-rata (Prata-rata) dari (Laser He-Ne> Lampu Halogen > LED)
2. Lebar spektral untuk laser He-Ne sebesar 16,11 nm, untuk LED sebesar 64,095 nm dan untuk lampu halogen sebesar 299,445 nm. Sehingga lebar spektral laser He-Ne < LED < lampu halogen.
5.2 Saran
Saran selama melaksanakan percobaan perhatikan pencahayaan ruangan yang dapat mengganggu hal ini dimaksud untuk memperkecil
noise pengukuran supaya data yang didapat mendekati nilai
24
DAFTAR PUSTAKA
Day, R., & Underwood, A. (1986). Quantitative Analysis. Upper Saddle River, 701: Prentice Hall Publication.
Kalumuck, K. E. (2000). Human body explorations: hands-on
investigates of what makes us tick. Kendall Hunt. p. 74.
ISBN 9780787261535.
Kumar, N. (2008). Comprehensive Physics XII. Laxmi Publications hlm. 1416 ISBN 9788170085928.
Léna, P., Lebrun, F., & Mignard, F. (1998). Observational
Astrophysics. Springer-Verlag ISBN 3-540-63482-7.
Smith, G. H. (2006). Camera lenses: from box camera to digital.
SPIE Pres hlm. 4 ISBN 9780787261535.
Philips. Lampu halogen. http://www.philips.co.id/ diakses pada 6 November 2017 pukul 20.51
Photonics Handbook. Light Emitting Diodes: A Primer
