commit to user
i
DESAIN SENSOR SERAT OPTIK UNTUK PENGUKURAN
INDEKS BIAS LARUTAN GARAM DAN LARUTAN GULA
Disusun Oleh :
NILA WULAN SARI
NIM M0207048
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Fisika
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan judul : Desain Sensor Serat Optik Untuk Pengukuran Indeks Bias Larutan Garam dan Larutan Gula
Yang ditulis oleh
Nama : Nila Wulan Sari
NIM : M0207048
Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada
Hari : Jum’at
Tanggal : 13 Januari 2012
Dewan Penguji:
1. Dra. Riyatun, S.Si.,M.Si
NIP. 19680226 199402 2 001 ...
2. Drs. Iwan Yahya, M.Si.
NIP. 19670730 199302 1 001 ...
3. Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D
NIP. 19680508 199702 1 001 ...
4. Mohtar Yunianto, S.Si, M.Si
NIP. 19800630 200501 1 001 ...
Disahkan oleh
Ketua Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret Surakarta
Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D.
commit to user
iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang berjudul “DESAIN SENSOR SERAT OPTIK UNTUK PENGUKURAN INDEKS BIAS LARUTAN GARAM DAN LARUTAN GULA” adalah hasil kerja saya atas arahan
pembimbing dan sepengetahuan saya hingga saat ini, isi skripsi tidak berisi materi
yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan
untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan
Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan segala
bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi skripsi
ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 28 Desember 2011
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iv
DESAIN SENSOR SERAT OPTIK UNTUK PENGUKURAN INDEKS BIAS LARUTAN GARAM DAN LARUTAN GULA
Nila Wulan Sari
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta
Email : Wulansarinila@yahoo.co.id
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian Desain Sensor Serat Optik Untuk Pengukuran Indeks Bias Larutan Garam Dan Larutan Gula. Pada penelitian ini, sumber cahaya yang berasal dari LED (λ=630 nm) masuk ke dalam serat optik transmitter lalu dipantulkan oleh cermin dan ditangkap oleh serat optik receiver di dalam larutan. Intensitas cahaya ditangkap oleh serat optik receiver dan serat optik referensi selanjutnya masuk ke dalam photodetector yang dalam penelitian ini diterjemahkan oleh oscillosscope sebagai tegangan puncak-puncak (mV) dimana pada oscillosscope tercatat dua nilai tegangan yaitu tegangan receiver dan tegangan referensi. Dari eksperimen terlihat adanya perubahan intensitas cahaya yang ditangkap oleh serat optik receiver akibat perubahan jarak. Semakin besar konsentrasi suatu larutan, jarak posisi puncaknya juga semakin besar. Keteraturan dalam kemiringan slope kanan dan slope kiri dari grafik intensitas cahaya terpantul melawan besar pergeseran tidak teramati. Dari posisi puncak tiap larutan didapatkan sebuah korespondensi satu-satu antara posisi puncak dari tiap konsentrasi larutan terhadap acuan yang berasal dari pengukuran indek bias dari refraktometer abbe.
commit to user
v
FIBER OPTICS SENSOR DESIGN FOR MEASUREMENT OF SALT AND SUGAR SOLUTION REFRACTIVE INDEX
Nila Wulan Sari
Departement of Physics. Mathematics and Natural Sciences Faculty Sebelas Maret University
Email : Wulansarinila@yahoo.co.id
ABSTRACT
Research of Fiber Optics Sensor Design for Measurement of Salt and Sugar Solution Refractive Index has been done. In this study, light source from the LED (λ = 630 nm) came into the fiber optic transmitter, reflected by the mirror, and captured by fiber optic receiver in the solution. Light intensity was captured by a fiber optic receiver and a reference optical fiber, came into the photo detector, the intensity converted by oscilloscope as voltage peaks (mV) where the oscilloscope was recorded into two voltage values of voltage receiver and voltage reference. From the experiments were observed any change in the intensity of light captured by a fiber optic receiver caused by the changes of distance. The higher concentration of a solution, the larger the distance of its peak position. Regularity of the left slope and right slope of the intensity of light graph was reflected against the unobserved of the displacement number. From the peak position of each solution was obtained a one by one correspondence between the peak position of each concentrate solution due to the reference which came from the refractive index from concentrate refractometer abbe.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
2.4. Pemantulan Internal Sempurna (Total Internal Reflection) ... 8
2.5. Serat Optik ( Fiber Optik ) ... 10
2.6. Numerical aperture (NA) ... 11
2.7. Sensor Serat Optik ... 13
2.8. Konsentrasi Larutan ... 16
commit to user
ix
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 20
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ... 20
3.2. Alat dan Bahan ... 20
3.2.1. Alat ... 20
3.2.2. Bahan ... 20
3.3. Prosedur dan Pengumpulan Data ... 22
3.4. Persiapan Alat dan Bahan ... 23
3.5. Set up alat ... 23
3.6. Pengambilan Data ... 25
3.7. Pengolahan dan Analisa Data ... 28
3.8. Simpulan ... 28
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 29
4.1. Perancangan Sensor Fiber optik Sebagai Alat Ukur Indek Bias... 29
4.1.1. Pengaruh Pergeseran Terhadap Tegangan ... 30
4.1.2. Kemiringan kurva ... 37
4.1.3. Range atau jangkauan ... 40
4.2. Analisa ... 42
4.2.1. Pengaruh Pergeseran Terhadap Tegangan ... 42
4.2.2. Pengaruh Indek Bias Terhadap Tegangan ... 44
4.2.3. Pengaruh Suhu terhadap Hasil Penelitian ... 44
4.2.4. Hubungan Indek Bias Terhadap Acuan ... 44
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 48
5.1. Kesimpulan ... 48
5.2. Saran ... 48
DAFTAR PUSTAKA ... 49
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
x
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1. Indeks Bias pada Beberapa Zat pada λ = 589 nm 6
Tabel 4.1. Posisi puncak dari larutan garam dengan variasi konsentrasi 35
Tabel 4.2. Posisi puncak dari larutan gula dengan variasi konsentrasi 35
Tabel 4.3. Pemodelan intensitas cahaya yang diterima serat optik receiver 36
Tabel 4.4. Kemiringan kurva hubungan antara jarak pergeseran dan 39
tegangan pada larutan garam
Tabel 4.5. Kemiringan kurva hubungan antara jarak pergeseran dan 40
tegangan pada larutan gula
Tabel 4.6. Indeks bias larutan garam diambil pada λ= 630 nm 45
commit to user
xi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Perambatan cahaya pada hukum Snellius 8
Gambar 2.2. Pemantulan internal sempurna 9
Gambar 2.3. Serat Optik 10
Gambar 2.4. Lintasan cahaya dalam serat optik 11
Gambar 2.5. Sudut penerimaan pada fiber optic 12
Gambar 2.6. Komponen dasar dari system sensor serat optik 14
Gambar 2.7. Jenis sensor serat optik ekstrinsik dan intrinsik 14
Gambar 2.8. Sensor serat optik tipe intrinsik yang berdasarkan modulasi 16
Gambar 3.1. Alat Penelitian 21
Gambar 3.2. Bahan Penelitian 22
Gambar 3.3. Prosedur Penelitian 22
Gambar 3.4. Perancangan alat penelitian 24
Gambar 4.1. Set alat pengukuran indeks bias 29
Gambar 4.2. Ilustrasi cahaya yang dipantulkan cermin dan diterima 30
oleh serat optik receiver
Gambar 4.3. Grafik hubungan antara pergeseran jarak dengan tegangan 32
puncak-puncak pada larutan garam
Gambar 4.4. Grafik hubungan antara pergeseran jarak dengan tegangan 33
puncak-puncak pada larutan gula
Gambar 4.5. Hubungan jarak pergeseran dengan konsentrasi larutan 34
yang berbeda
Gambar 4.6. Pemodelan pengaruh pergeseran jarak terhadap intensitas 36
Gambar 4.7. Hasil pemodelan pengaruh pergeseran terhadap intensitas 37
Gambar 4.8. Contoh kemiringan kurva pada larutan garam 1 molar 38
Gambar 4.9. Contoh kemiringan kurva pada larutan garam 1 molar 38
Gambar 4.10. Kemampuan Serat Optik Menangkap Intensitas 42
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xii
Gambar 4.12. Cahaya yang tidak dapat masuk ke dalam inti serat optik 44
karena kesalahan pemotongan
Gambar 4.13. Hubungan indeks bias dengan posisi puncak larutan garam 45
commit to user
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Grafik kemiringan hubungan pergeseran jarak dan tegangan 51
pada larutan garam,dengan variasi konsentrasi larutan
Lampiran 2. Grafik kemiringan hubungan pergeseran jarak dan tegangan 52
pada larutan gula dengan variasi konsentrasi larutan
Lampiran 3. Data Pergeseran Sensor Fiber Optik Pada Larutan Garam 55
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah
Pembiasan cahaya adalah peristiwa penyimpangan atau pembelokan
cahaya karena melalui dua medium yang berbeda kerapatan optiknya. Pembiasan
cahaya dapat terjadi dikarenakan perbedaan laju cahaya pada kedua medium. Laju
cahaya pada medium yang rapat lebih kecil dibandingkan dengan laju cahaya
pada medium yang kurang rapat. Menurut Christian Huygens pada tahun 1678 : “Perbandingan laju cahaya dalam ruang hampa dengan laju cahaya dalam suatu zat dinamakan indeks bias.” (Tipler. 2001)
Indeks bias merupakan salah satu sifat penting suatu medium untuk divais
optik. Indeks bias memainkan peran yang cukup penting di dalam beberapa
bidang diantaranya adalah dalam studi karakterisasi optis lapisan tipis (Saleh,
2003). Dalam bidang spektroskopi, indeks bias dapat digunakan untuk
menginterpretasikan data-data spektroskopi, yang antara lain digunakan untuk
mendesain laser zat padat (Singh, 2002). Dalam bidang kimia, penelitian yang
dilakukan oleh Yunus et al (2009) menunjukkan bahwa indeks bias dapat
digunakan untuk menentukan kemurnian dan kadaluarsa dari oli. Sedangkan
penelitian yang dilakukan Sutiah (2008) menunjukkan bahwa indeks bias dapat
digunakan untuk menentukan kemurnian minyak goreng.
Konsentrasi suatu larutan akan berpengaruh secara proporsional terhadap
sudut refraksi. Dengan arti bahwa jika larutan yang dicari indeks biasnya sama,
tetapi konsentrasinya berbeda, maka akan diperoleh hubungan bahwa semakin
besar konsentrasi, maka semakin besar pula indeks biasnya. Indeks bias suatu zat
cair pada suatu panjang gelombang tertentu sangat dipengaruhi oleh apa yang
terkandung dalam zat tersebut. (Abdul, 2010)
Indeks bias suatu larutan dapat diukur dengan menggunakan beberapa
metode antara lain dengan metode interferometri yang meliputi interferometri
Mach-Zender, interferometri Fabry-Perot dan interferometri Michelson (Pedrotti
commit to user
untuk mengukur indeks bias. Akan tetapi metode-metode tersebut mempunyai
beberapa kelemahan, antara lain pengoperasian alat yang cenderung rumit dan
membutuhkan waktu yang lama.
Metode lain yang sering digunakan untuk mengukur indeks bias adalah
dengan menggunakan kisi difraksi, polalizer, spektrometer dan refraktometer.
Refraktometer merupakan salah satu cara untuk mengukur indeks bias dari
larutan-larutan yang dibuat dengan konsentrasi berbeda, sehingga didapatkan
hubungan indeks bias versus konsentrasi, dengan demikian refraktometer dapat
digunakan untuk mengukur konsentrasi untuk indeks bias larutan tertentu yang
databasenya telah dibuat.
Perkembangan metode pengukuran indeks bias dilakukan dengan
menggunakan serat optik. Sensor pengukuran indeks bias menemukan berbagai
aplikasi di industri untuk menemukan parameter fisik seperti konsentrasi,
temperatur, dan tekanan. Banyak orang telah mengusulkan desain sensor serat
optik yang berbeda untuk mengukur indeks bias. Antara lain penelitian yang
dilakukan Banerjee et al (2007) menggunakan serat optik sebagai sensor dengan
menghilangkan cladding dimana ketebalan dari cladding dapat mempengaruhi
sensitivitas sensor. Govindan et al (2009) mengusulkan desain sensor pergeseran
serat optik dan menunjukkan bahwa posisi puncak intensitas tergantung pada
indeks bias medium. Sengupta et al (2010) mengukur konsentrasi gliserol
menggunakan sensor serat optik dari bahan plastik dengan prinsip kerja sensor
jarak serat optik dan fluktuasi intensitas pada reflektor. Kelebihan sensor serat
optik dibandingkan sensor konvensional adalah karena sensitivitas yang tinggi
dan frekuensi yang luas dan dapat digunakan pada lingkungan yang dimana untuk
sensor konvensional tidak dapat digunakan.
Sejalan dengan percobaan-percobaan tersebut, maka pada penelitian ini
akan didesain alat sensor serat optik yang lebih sederhana dan tetap mempunyai
sensitivitas yang tinggi untuk mengukur indeks bias larutan hanya dengan
menggunakan dua untai serat optik, satu berfungsi sebagai transmitter (pemancar)
dan yang lain sebagai receiver (penerima). Serat optik yang akan digunakan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
3
dilakukan sebelumnya, hal demikian memberikan kemudahan. Karena dengan
penggunaan serat optik yang berdiameter lebih besar, dimaksudkan agar intensitas
cahaya yang masuk ke serat optik lebih banyak dibandingkan dengan
menggunakan serat optik yang berdiameter kecil.
1.2. Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang di atas, maka rumusan masalah dari
penelitian ini adalah sebagai berikut :
a. Bagaimana mendesain alat serat optik untuk mengukur indeks bias larutan
garam dan larutan gula?
b. Bagaimana hubungan antara indeks bias dengan konsentrasi larutan pada
panjang gelombang cahaya tampak?
c. Bagaimana hubungan antara NA ( Numerical Aperture) dengan jarak
pergeseran yang didapatkan dari pengukuran indeks bias?
1.3. Batasan Masalah
Permasalahan Penelitian ini dibatasi pada :
a. Pengukuran indeks bias menggunakan dua untai serat optik yang berfungsi
sebagai pemancar dan penerima.
b. Larutan yang digunakan adalah larutan garam dan larutan gula dengan variasi
konsentrasi dari 1 M, 2 M, 3 M, 4M dan 5 M.
c. Proses pengukuran indeks bias menggunakan variasi jarak dari 0 mm – 10 mm dengan rentang perpindahan 0.20 mm.
1.4. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
a. Dapat mendesain alat serat optik untuk mengukur indeks bias larutan garam
atau larutan gula.
b. Dapat mencari hubungan antara indeks bias dengan konsentrasi larutan pada
commit to user
c. Dapat mencari hubungan antara NA ( Numerical Aperture) dengan jarak
pergeseran yang didapatkan dari pengukuran indeks bias.
1.4. Manfaat Penelitian
Dapat mendesain alat serat optik untuk mengukur indeks bias suatu larutan
atau bahan cair dan dapat membuat sensor serat optik untuk mengukur indeks bias
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
5
BAB II DASAR TEORI
2.1. Indeks bias (refractive index)
Pembiasan cahaya dapat terjadi dikarenakan perbedaan laju cahaya pada
kedua medium. Laju cahaya pada medium yang rapat lebih kecil dibandingkan
dengan laju cahaya pada medium yang kurang rapat. Perbandingan laju cahaya
dalam ruang hampa dengan laju cahaya dalam suatu zat dinamakan indeks bias.
Secara matematis dapat dirumuskan sehingga :
2.1
dimana :
n = indeks bias
c = laju cahaya dalam ruang hampa ( 3 x 108 m/s)
v = laju cahaya dalam zat
Ketika sebuah berkas cahaya mengenai sebuah permukaan bidang batas
yang memisahkan dua medium berbeda, seperti misalnya sebuah permukaan
udara-kaca, energi cahaya tersebut sebagian akan dipantulkan dan sebagian lagi
akan memasuki medium kedua, dengan arah lintasan yang berbeda dengan arah
saat cahaya akan masuk. Perubahan arah dari sinar yang ditransmitansikan
tersebut disebut pembiasan (Tipler. 2001).
Indeks bias tidak pernah lebih kecil dari 1 (artinya, n ≥ 1) dan nilainya
commit to user
Tabel 2.1. Indeks Bias pada Beberapa Zat pada λ = 589 nm (Tipler. 2001)
Medium n/c Lucite atau plexiglass 1,51 natrium klorida 1,53
Berlian 2,42
2.2. Pemantulan dan Pembiasan
Ketika gelombang dari tipe apapun mengenai sebuah penghalang datar
misalnya cermin, maka gelombang-gelombang baru dibangkitkan dan bergerak
menjauhi penghalang tersebut. Fenomena ini disebut dengan pemantulan (refleksi). (Tipler. 2001)
Ketika sebuah berkas cahaya mengenai sebuah permukaan bidang batas
yang memisahkan dua medium berbeda, seperti misalnya sebuah permukaan
udara kaca, energi cahaya tersebut dipantulkan dan memasuki medium kedua,
perubahan arah dari sinar yang ditransmisikan tersebut disebut pembiasan (refraksi). (Tipler. 2001)
Setiap cahaya yang datang pada suatu medium optis ke medium optis yang
lain, pada bidang batas kedua medium tersebut cahaya akan mengalami peristiwa
pemantulan (cahaya akan kembali masuk ke medium yang pertama) dan juga
mengalami peristiwa pembiasan (cahaya diteruskan masuk ke dalam medium
yang kedua). Menurut prinsip Fermat, besarnya sudut pantul akan sama dengan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
7
apabila sinar datang dari medium optis kurang rapat ke medium optis lebih rapat,
maka sinar tersebut akan dibiaskan cenderung mendekati garis normal, jadi sudut
datang akan lebih besar dari sudut bias dan sebaliknya apabila sinar datang dari
medium optis lebih rapat ke medium optis kurang rapat, maka sinar akan
dibiaskan cenderung menjauhi garis normal, sehingga sudut datang akan lebih
kecil dari sudut bias. Dalam hal sinar datang dari medium optis lebih rapat ke
medium optis kurang rapat, apabila sudut datangnya semakin besar maka pada
suatu saat sudut biasnya akan sama dengan 90°, dan mulai saat itu tidak ada lagi
sinar yang dibiaskan. Keadaan pemantulan semua sinar datang ini disebut dengan
pemantulan sempurna dan sudut datang yang menghasilkan sudut bias sebesar
90°disebut sudut kritis. (Tipler. 2001)
2.3. Hukum Snellius
Hukum Snellius adalah rumus matematika yang memberikan hubungan
antara sudut datang dan sudut bias pada cahaya atau gelombang lainnya yang
melalui batas antara dua medium isotropik berbeda, seperti udara dan gelas.
Hukum ini menyebutkan bahwa nisbah sinus sudut datang dan sinus sudut
bias adalah konstan, yang tergantung pada medium. Perumusan lain yang ekivalen
adalah nisbah sudut datang dan sudut bias sama dengan nisbah kecepatan cahaya
pada kedua medium, yang sama dengan kebalikan nisbah indeks bias.
Perumusan matematis hukum Snellius adalah
1
commit to user
yang dilalui sinar bias. Hukum Snellius dapat digunakan untuk menghitung sudut
datang atau sudut bias, dan dalam eksperimen untuk menghitung indeks bias suatu
bahan.
Pada tahun 1678, Christian Huygens menjelaskan hukum Snellius dari
penurunan prinsip Huygens tentang sifat cahaya sebagai gelombang. Hukum
Snellius dikatakan, berlaku hanya pada medium isotropik atau "teratur" pada
kondisi cahaya monokromatik yang hanya mempunyai frekuensi tunggal,
sehingga bersifat reversibel. Hukum Snellius dijabarkan kembali dalam rasio
(Gambar 2.1) :
Gambar 2.1. Perambatan cahaya pada hukum Snellius ( Alonso, 1980 )
2.4. Pemantulan Internal Sempurna (Total Internal Reflection)
Pemantulan internal sempurna adalah pemantulan yang terjadi pada
bidang batas dua zat bening yang berbeda kerapatan optiknya. Pada gambar 2.2
ditunjukkan pemantulan sempurna dengan bidang batas dua zat dan dengan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
9
Gambar 2.2. Pemantulan internal sempurna ( Nanang,2011 )
Cahaya datang yang berasal dari (medium optik lebih rapat) menuju ke
udara (medium optik kurang rapat) dibiaskan menjauhi garis normal (berkas
cahaya J). Pada sudut datang tertentu, maka sudut biasnya akan 900 dan dalam hal
ini berkas bias akan berimpit dengan bidang batas (berkas K). Sudut datang ini
dinamakan sudut kritis (sudut batas). Apabila sudut datang melebihi sudut kritis,
maka cahaya tidak lagi dibiaskan, tetapi seluruhnya dipantulkan (berkas L).
Peristiwa inilah yang dinamakan pemantulan internal sempurna.
Beberapa peristiwa pemantulan sempurna dapat kita jumpai dalam
kehidupan sehari-hari, diantaranya :
a) Terjadinya fatamorgana
b) Intan dan berlian tampak berkilauan
c) Teropong prisma
d) Periskop prisma
e) Serat optik, digunakan pada alat telekomunikasi atau bidang kedokteran.
Serat ini digunakan untuk mentransmisikan percakapan telefon, sinyal
video, dan data komputer.
2.5. Serat Optik ( Fiber Optik )
Serat optik adalah saluran transmisi yang terbuat dari kaca murni atau
commit to user
digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain.
Cahaya yang ada di dalam serat optik sulit keluar karena indeks bias dari kaca
lebih besar daripada indeks bias dari udara (Keiser, 2000).
Struktur serat optik biasanya terdiri dari 3 bagian, yaitu core (inti),
cladding (kulit), dan coating (mantel) atau buffer (pelindung). Adapun gambar
serat optik dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Serat Optik (Keiser, 2000)
Penjelasan dari setiap bagian serat optik adalah sebagai berikut :
Inti (core) adalah sebuah batang silinder yang terbuat dari bahan dielektrik
yang tidak menghantarkan listrik. Salah satu contoh bahan dielektrik yaitu
bahan silika (SiO2), biasanya diberi doping dengan germanium oksida (GeO2)
atau fosfor penta oksida (P2O5) untuk menaikan indeks biasnya. Inti ini
memiliki jari-jari sekitar 8–200 µm dan indeks bias n1 sekitar 1,5.
Kulit (cladding) yaitu material yang melapisi inti, yang terbuat dari bahan
dielektrik (silika tanpa atau sedikit doping). Kulit ini memiliki jari- jari
sekitar 125 – 400 µm dan indeks bias n2 sedikit lebih rendah dari n1.
Jaket (buffer) merupakan pelindung lapisan inti dan cladding. Bagian ini
terbuat dari bahan plastik yang elastis. Walaupun pada dasarnya cahaya
merambat sepanjang inti serat, namun kulit memiliki beberapa fungsi seperti :
a. Mengurangi rugi-rugi hamburan pada permukaan inti.
b. Melindungi serat dari kontaminasi penyerapan permukaan.
c. Mengurangi cahaya yang rugi-rugi dari inti ke udara sekitar.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
11
Serat optik mengirimkan data dengan media cahaya yang merambat
melalui serat kaca. Lintasan cahaya yang merambat di dalam serat optik dapat
dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Lintasan cahaya dalam serat optik (Keiser, 2000)
Penjelasan dari Gambar 2.4 adalah sebagai berikut :
a. Sinar merambat lurus sepanjang sumbu serat tanpa mengalami gangguan.
b. Sinar mengalami refleksi, karena memiliki sudut datang yang lebih besar dari
sudut kritis dan akan merambat sepanjang serat melalui pemantulan yang
berulang kali.
c. Sinar akan mengalami refraksi dan tidak akan dirambatkan sepanjang serat
karena memiliki sudut datang yang lebih kecil dari sudut kritis.
2.6. Numerical aperture (NA)
Sinar cahaya yang masuk ke dalam inti serat optik membentuk sudut
datang tertentu terhadap poros serat optik. Sudut yang menuju ke arah permukaan
serat optik, tidak semua akan diteruskan. Tetapi ada syarat tertentu agar sinar yang
datang tersebut dapat diteruskan. Sudut dimana sinar diterima oleh serat optik
yang disebut sebagai numerical aperture. Secara umum numerical aperture (NA)
dapat dirumuskan :
sin n
commit to user
Dengan θ adalah cone (kerucut) dari sudut penerimaan, n adalah indeks
bias dari medium cahaya datang.Untuk lebih jelas tentang NA, ilustrasi dari
cahaya masuk dan penurunan rumusnya dapat dilihat dari Gambar 2.5.
Gambar 2.5. Sudut penerimaan pada fiber optik ( Keiser, 2000 )
Pertama cahaya masuk dari medium dengan indeks bias n0 dan sudut
kemiringan θi. Karena indeks bias antara medium datangnya cahaya (n0) berbeda
dengan indeks bias core (n1) maka terjadilah pembiasan sinar dengan sudut bias
sebesar θr. Kejadian tersebut memenuhi persamaan (2.7).
r
i n
n0sin 1sin (2.7)
Sinar yang dibiaskan tersebut kemudian menumbuk core-cladding
interface. Jika sudut datang tersebut lebih kecil dari sudut kritis, maka cahaya
tersebut akan dibiaskan kembali. Cahaya yang dibiaskan tersebut disebut dengan
unguided ray. Sedangkan jika sudut datang tersebut lebih besar dari sudut kritis,
maka cahaya akan dipantulkan sempurna. Cahaya yang dipantulkan sempurna ini
disebut dengan guided ray. Nilai dari sudut kritis dapat dicari melalui persamaan
(2.8).
(2.8)
dimana n1 adalah core indeks dan n2 adalah cladding indeks.
Dari Gambar 2.5 nilai dari NA dapat dirumuskan:
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
13
Untuk nilai n1 mendekati nilai n0, NA dapat dirumuskan :
Umumnya NA pada single-mode fiber adalah 0,1 dan untuk multy-mode
fiber berkisar antara 0,2 sampai 0,3. Sejak numerical aperture berhubungan
dengan sudut maksimal yang dapat diterima, persamaan itu dapat digunakan
untuk menjelaskan sinar yang diterima serat optik dan untuk menghitung efisiensi
sumber sinar menuju serat optik (Keiser, 2000).
2.7. Sensor Serat Optik
Serat optik merupakan media transmisi cahaya yang dapat diaplikasikan
sebagai sensor untuk pengukuran beragam parameter seperti pergeseran, suhu,
tekanan, kelembaban, laju aliran fluida, laju rotasi, konsentrasi suatu zat, medan
Iistrik, medan magnet, serta analisis kimia. Dalam daerah tertentu, serat optik
telah membuat dampak yang signifikan. Untuk aplikasi sensor serat optik dibuat
lebih peka dan sensitif terhadap mekanisme eksternal yang sama dibanding
dengan serat yang dibuat kebal untuk operasi yang efektif dalam telekomunikasi
(Gholamzadeh,2008 ).
Struktur umum dari sistem serat optik sebagai sensor ditunjukkan pada
Gambar 2.6 yang terdiri dari sumber cahaya (Laser, LED (Light Emited Diodes),
Laser Diodes), serat optik, elemen sensing atau elemen modulator, detector
cahaya, dan proses elektronik (osiloskop, analyzer spectrum cahaya).(Fidanboylu,
2009)
Berdasarkan proses modulasi dan demodulasi sebuah sensor dapat disebut
sebagai intensitas (amplitudo), fase, sebuah frekuensi, atau sensor polarisasi,
commit to user
Gambar 2.6. Komponen dasar dari sistem sensor serat optik (Fidanboylu, 2009).
Banyak keuntungan dirasakan ketika serat optik digunakan sebagai sensor,
sehingga penelitian semakin sering dikembangkan untuk meningkatkan jenis dari
sensor tersebut. Sensor Serat optik dapat dikelompokkan berdasarkan dua kategori
(Fidanboylu, 2009), yaitu;
1. Berdasarkan lokasi sensor
Pembagian jenis sensor berdasarkan pembagian lokasi sensor dapat dibagi
menjadi dua macam ( Gambar 2.7 ),yaitu :
a. Intrinsik sensor
Serat optik sebagai sensor intrinsik terjadi ketika satu atau lebih sifat fisik
dari yang dialami serat berubah. Gangguan yang terjadi menyebabkan perubahan
karakteristik cahaya yang terjadi di dalam serat.
b. Ekstrinsik sensor
Sensor serat pada jenis ini biasa digunakan untuk membawa cahaya dari
atau menuju alat optik eksternal dimana pengukuran diambil. Pada kasus ini, serat
optik bekerja jika mendapat cahaya dari daerah pengukuran.
Sensor serat optik dapat berupa salah satu yang intrinsik jika modulasi itu
terjadi langsung dalam serat atau ekstrinsik, jika modulasi dilakukan oleh
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
15
Gambar 2.7. Jenis sensor serat optik ekstrinsik dan intrinsik (Fidanboylu, 2009)
2. Prinsip operasi sensor
Berdasarkan prinsip kerja dari proses modulasi atau demodulasi, sensor
serat optik dapat diklasifikasikan berdasarkan intensitas, phase, frekuensi atau
polarisasi sensor. Semua parameter merupakan subjek untuk merubah gangguan
eksternal. Sehingga, dengan mendeteksi parameter tersebut dan perubahan yang
terjadi, maka gangguan dari luar dapat diukur.
Sensor Serat optik dapat dikelompokkan berdasarkan tiga klasifikasi,
yaitu;
a. Sensor serat optik berdasarkan intensitas
Sensor serat optik tipe intrinsik yang berdasarkan modulasi. Gambar 2.8
menunjukkan sensor vibrasi yang terdiri dari dua serat optik. Cahaya masuk ke
salah satu serat optik, ketika cahaya itu keluar dan diterima serat optik yang lain
akan terbentuk sudut-sudut yang berbeda dari pantulan cahaya tersebut.
Gambar 2.8.
commit to user
Untuk sensor normalisasi modulasi indek ( m ), dapat didefinisikan
sebagai berikut (Gholamzadeh,2008 ):
( 2.12 )
Dimana I = hasil modulasi dari serat optik, I0 = intensitas relatif hasil modulasi
dari detector, dan P = gangguan-gangguan yang terjadi.
Sensor Serat optik berdasarkan Intensitas juga dapat dihubungkan dengan
beberapa sinyal yang hilang. Alat ini dibuat dengan menggunakan perlengkapan
untuk mengubah sesuatu besaran menjadi suatu besaran yang diukur bahwa fiber
mengalami bending dan menyebabkan attenuasi sinyal. Cara lain untuk
melakukan attenuasi pada sinyal yaitu dengan melakukan proses absorpsi atau
scattering. Dengan mengamati perubahan intensitas, perubahan intensitas dapat
terjadi akibat mikrobending serat optik. Pendeteksian mikro bending dapat
menggunakan OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) sehingga dapat
diketahui posisi terjadinya bending pada serat optik.
b. Sensor serat optik berdasarkan modulasi panjang gelombang
Sensor modulasi panjang gelombang menggunakan perubahan panjang
gelombang atau cahaya untuk dideteksi. Contoh dari sensor modulasi panjang
gelombang yaitu; Sensor Fluorescens, sensor benda hitam, dan brag gratting.
c. Sensor Serat optik berdasarkan modulasi phase
Sensor ini menggunakan phasa yang berubah untuk mendeteksi cahaya.
Perubahan phasa dideteksi secara interferometer dan methode yang digunakan
untuk pendeteksian secara interferometer ini yaitu; Mach-Zehnder, Michelson,
Fabry- Perot, Sagnac, polarimetric, and grating interferometers (Widyana,
2010).
2.8. Molaritas
Konsentrasi suatu larutan akan berpengaruh secara proporsional terhadap
sudut refraksi. Dengan arti bahwa jika larutan yang dicari indeks biasnya sama,
tetapi konsentrasinya berbeda, maka akan diperoleh hubungan bahwa semakin
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
17
cair pada suatu panjang gelombang tertentu sangat dipengaruhi oleh apa yang
terkandung dalam zat tersebut. (Abdul, 2010)
Molaritas adalah satuan konsentrasi larutan untuk menyatakan jumlah mol
zat terlarut per liter larutan, dilambangkan dengan M (Y.Sunarya,2000). Secara
matematis dapat diungkapkan dengan persamaan :
Konsentrasi molar (M) = = (2.13)
Dimana m = massa suatu zat, Mr = massa relatif suatu zat dan V = volume.
Molar refractivity, A adalah ukuran dari total polarisabilitas dari satu mol
suatu zat, A tergantung pada temperatur, indeks bias , dan tekanan.
Molar refractivity didefinisikan sebagai
(2.14)
Dimana NA 6,022 × 1023 adalah konstanta Avogadro dan α adalah rata-rata
polarisabilitas molekul. Menggantikan molar refractivity ke Lorentz-Lorenz
memberikan rumus :
(2.15)
dimana N adalah jumlah molekul per satuan volume dan n adalah indeks bias,
rasio N A / N adalah volume molar V m.. Persamaan Lorentz-Lorenz, juga dikenal
sebagai hubungan Clausius-Mossotti dan rumus Maxwell, menghubungkan
indeks bias sebuah zat dengan molar refractivity. Untuk hukum gas ideal untuk 1
mol memberikan
(2.16)
dimana R adalah konstanta gas universal , T adalah temperatur absolut , dan p
adalah tekanan. Kemudian molar refractivity adalah
(2.17)
commit to user
(2.18)
Dalam SI, R memiliki satuan J mol -1 K -1, T memiliki satuan K, n tidak memiliki
satuan, dan p memiliki satuan Pa, sehingga satuan dari A adalah m 3 mol -1.
Rumus kerapatan atau densitas larutan sebagai berikut :
(2.19)
Dimana V = volume larutan pada suhu T memiliki rumus Vo(1+ γ ΔT) dimasukkan
pada persamaan (2.20) maka akan terlihat pengaruh hubungan suhu pada A, n dan
V. Dalam hal kerapatan , ρ = berat jenis , m = massa dan dapat ditunjukkan
bahwa:
(2.20)
, sehingga didapatkan
(2.21)
2.9. Hubungan Intensitas Cahaya terhadap Tegangan Photodioda
Detektor cahaya, secara khusus photodiode, dapat dipandang sebagai
inverse dari light emitting diode (LED). Disini memadukan ke peranti adalah
daya optik dan keluaran dari peranti berupa sinyal listrik. Prinsip operasi dari
photodiode ini merupakan fenomena fisika sebagaimana yang terjadi pada LED.
Detektor cahaya menyerap foton cahaya yang mempunyai energi E=hv ,
dimana h merupakan konstanta planck lalu menghasilkan elektron, yaitu
elektron yang dapat menghasilkan arus listrik. Untuk mendapatkan hasil yang
optimum penggunaan photodiode sebagai transducer, secara khusus untuk
aplikasi sistem komunikasi optik.
Intensitas cahaya merupakan,
(2.22)
Dimana intensitas cahaya juga dapat didefinisikan sebagai energi persatuan waktu
persatuan luas atau daya persatuan luas. Daya dihubungkan dengan daya listrik
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
19
P = V × i (2.23)
Dimana i merupakan kuat arus dan terdapat hubungan yaitu :
(2.24)
Dari persamaan (2.24) maka dapat diketahui bahwa intensitas ≈ tegangan yang ditimbulkan oleh photodiode. Photodiode merupakan alat yang digunakan untuk
commit to user
20
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Optika dan Photonika Jurusan
Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta dan UPT Laboratorium Pusat
MIPA Sub Lab Biologi Universitas Sebelas Maret. Jangka waktu pelaksanaan
dari penelitian ini adalah dari bulan Agustus sampai Desember 2011.
3.2. Alat dan Bahan 3.2.1. Alat
Adapun peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai
berikut:
1. Seperangkat alat penyangga sensor serat optik
2. LED ( λ = 630 nm )
8. Refraktometer Abbe OSK 6528
9. Gelas beker 250 ml
10. Corong
11. Pengaduk ( spatula )
12. Konektor (untuk menghubungkan serat optik dengan detektor)
13. Carter/silet
3.2.2. Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:
1) Serat Optik Multimode (diameter 2,54 mm) tipe SOF-3 warna tranparant
dari Halance Cina
2) Aquades
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
21
4) Garam
5) Pegas
6) Lak ban atau double tape
7) Acrylic
8) Lem Alteko
9) Tissue
Beberapa alat-alat yang digunakan untuk penelitian ini ditunjukkan pada
Gambar 3.1 :
( a ) ( b )
( c ) ( d )
( e ) ( f )
Gambar 3.1.
(a) Oscilloscope, (b) Detektor, (c) Sumber cahaya, (d) Seperangkat alat
commit to user
Beberapa bahan-bahan yang digunakan untuk penelitian ini ditunjukkan
pada Gambar 3.2 :
( a ) ( b ) ( c )
Gambar 3.2. a) Gula pasir, (b) Garam, dan (c) Aquades.
3.3. Prosedur dan Pengumpulan Data
Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap seperti yang ditunjukkan
oleh Gambar 3.3:
Gambar 3.3. Prosedur Penelitian Persiapan alat dan bahan
Perancangan Alat dan Pembuatan alat
Pembuatan larutan
Pengambilan data
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
23
Prinsip kerja yang dilakukan dalam penelitian ini adalah melakukan
pergeseran mikro pada dua buah serat optik yang diposisikan sejajar dan
berhadapan dengan cermin sebagai pemantul sumber cahaya, dimana orde
pergeseran yang dilakukan adalah mikrometer. Sumber cahaya yang digunakan
sinar LED dengan panjang gelombang 630 nm.
3.4. Persiapan Alat dan Bahan
Kegiatan penelitian diawali dengan mengumpulkan alat-alat yang akan
digunakan dalam penelitian ini. Diantaranya: Osilloscope Yokogawa DL1520,
detektor, acrylic, mikrometer skrup, neraca, corong, dan gelas beker. Alat-alat
tersebut semuanya ada di Laboratorium Optika dan Photonika Jurusan Fisika
FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta dan untuk refraktometer terdapat di
UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika Universitas Sebelas Maret.
Sedangkan untuk seperangkat alat penyangga sensor serat optik, LED, cermin,
pegaduk, carter/silet, dan konektor diusahakan dari luar.
Persiapan bahan dilakukan dengan mengumpulkan bahan-bahan yang
akan digunakan dalam penelitian ini. Diantaranya: Serat Optik polimer jenis type
SOF-3 warna tranparant dari Halance Cina, gula pasir, garam, Tissue, aquades,
Lak ban atau double tape, Lem Alteko, Pegas, Acrylic, Nylon cable tie, dan
Tissue. Semua bahan dapat dibeli di toko terdekat, kecuali serat optik jenis
polimer sudah tersedia di Laboratorium Optika dan Photonika Jurusan Fisika
FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.
3.5. Set up alat
Set up alat desain sensor serat optik untuk pengukuran indeks bias larutan
garam dan larutan gula dibagi menjadi beberapa bagian, bagian pertama yaitu
membuat Seperangkat alat penyangga sensor serat optik dan mikrometer skrup
sebagai perubah posisi jarak antara cermin dan serat optik, bagian kedua
pembuatan sumber cahaya dengan yang berbentuk kotak yang didalamnya
terdapat LED yang sudah dirangkai dengan adaptor, resistor dan saklar yang
commit to user
di meja yang digunakan untuk menempatkan alat-alat optik supaya aman dari
gerakan-gerakan agar tidak terjadi perubahan posisi alat-alat optik tersebut saat
dilakukan penelitian. Di laboratorium Optik telah tersedia meja besar yang dapat
meredam getaran-getaran yang akan digunakan untuk mengambil data.
Susunan peralatan pada penelitian dapat dilihat pada gambar 3.4. Larutan
garam atau gula dengan konsentrasi tertentu dimasukkan ke dalam gelas beker.
Kemudian dua serat optik dimasukkan kedalam gelas beker yang berisi larutan
dan didalamnya sudah terdapat cermin, cermin berfungsi untuk memantulkan
cahaya dari transmitter ke receiver. Dua serat optik tersebut berfungsi sebagai
transmitter (pemancar) dan sebagai receiver (penerima). Sumber cahaya yang
digunakan adalah LED, dimana LED tersebut ditempatkan pada suatu kotak yang
dibagian tepinya terdapat dua lubang, yaitu yang satu untuk cahaya serat optik
transmitter dan yang lain untuk cahaya serat optik referensi. Detektor berfungsi
untuk mengetahui intensitas cahaya. Pada penelitian digunakan dua detektor, yaitu
berfungsi mengetahui intensitas cahaya yang keluar dari serat optik referensi dan
intensitas cahaya yang dikeluarkan oleh serat optik receiver.
Gambar 3.4. Perancangan alat penelitian
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
25
3.6. Pengambilan Data
Setelah set up alat dirangkai, hal berikutnya yang dilakukan adalah
pemfokusan cahaya untuk memaksimalkan cahaya yang masuk dalam serat optik,
langkah ini dikendalikan pada pemasangan serat optik pada sumber cahaya dan
posisi detektor. Sebelum pengambilan data dilakukan memastikan kedua serat
optik berada pada posisi sejajar dan tegak lurus terhadap cermin. Kemudian
dilakukan pembuatan larutan gula dan garam dengan konsentrasi 1 molar, 2
molar, 3 molar, 4 molar, dan 5 molar.
Setelah itu dilakukan pengambilan data hubungan antara pergeseran mikro
dan intensitas cahaya menggunakan mikrometer skrup dengan perlakuan
pergeseran sebesar 0.2 mm. Hal ini dilakukan untuk menentukan jarak kerja
sensor dengan batasan pergeseran maksimal 1 cm. Setelah dilakukan penentuan
jarak kerja sensor, selanjutnya dilakukan pengambilan data hubungan antara
konsentrasi larutan dengan intensitas cahaya. Dimana data intensitas yang dibaca
oscilloscope terbaca dalam bentuk tegangan puncak-puncak, selanjutnya
dilakukan pencatatan data dari variasi-variasi diatas. Pada saat akan dilakukan
pergeseran akan mempunyai tegangan tertentu yang disebut sebagai tegangan
mula-mula sebelum pergeseran (Vo). Setelah dilakukan pergeseran maka akan
terjadi perubahan tegangan sehingga menjadi tegangan tertentu (Vi). Dengan
variasi pergeseran sebesar 0.2 mm akan diperoleh data tegangan yang cukup
banyak, dari sumber cahaya yang sama. Dengan sumber cahaya yang sama juga
didapat (Vr) berfungsi untuk tegangan pembanding. Dari data tegangan tertentu
(Vi) dan tegangan pembanding (Vr), maka akan didapat tegangan (V ) yang
didapat dari (Vi / Vr) .Pada penelitian ini didapat dua sumber intensitas cahaya
sebelum dilewatkan pada transmitter dan setelah dilewatkan transmitter
dikarenakan pada proses pemantulan dan pembiasan, cahaya dapat terpolarisasi
sebagian atau seluruhnya oleh refleksi. Perbandingan intensitas cahaya yang
dipantulkan dengan cahaya yang datang disebut reflektansi (R), sedangkan
perbandingan intensitas cahaya yang ditransmisikan dengan cahaya datang disebut
commit to user
refleksi dan koefisien transmisi yang dihasilkan oleh pemantulan dan
pembiasan(Pedrotti dan Pedrotti, 1993).
Jenis polarisasi dengan medan listrik E tegak lurus bidang datang dan medan magnet B sejajar bidang datang disebut transverse electric (TE). Sebaliknya jika medanlistrik E sejajar bidang datang maka jenis polarisasi ini disebut transverse magnetic (TM). Transmitansi dari penelitian dapat dicari
dengan membandingkan intensitas sinar laser setelah melalui bahan (It) dengan
intensitas sinar laser sebelum mengenai bahan (I0).
(3.1)
sedangkan Reflektansi (R) didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas
pemantulan dengan intensitas sumber yang dapat ditulis:
(3.2)
Data penelitian dapat diolah melalui metode grafik yaitu grafik pertama
berupa hubungan antara pergeseran jarak dan tegangan (V ) dengan variasi
konsentrasi tertentu, grafik kedua berhubungan dengan kemiringan kurva pada
grafik pertama, serta grafik ketiga hubungan antara indeks bias dengan posisi
puncak.
Dari grafik yang dihasilkan dapat diketahui bahwa grafik hubungan antara
pergeseran jarak dan tegangan puncak-puncak mempunyai tren eksponensial. Hal
ini berarti pergeseran pada serat optik akan mempengaruhi tegangan yang
dihasilkan, kedua hal ini saling berhubungan. Penurunan tegangan puncak-puncak
(Vp-p) merupakan penurunan intensitas cahaya yang diterima oleh detektor,
penurunan intensitas cahaya karena pergeseran disebabkan hasil cahaya yang
dipantulkan oleh cermin pada jarak tertentu ada yang dapat ditangkap secara
maksimal dan ada yang tidak dapat ditangkap secara maksimal oleh serat optik
receiver. Cahaya yang berasal dari transmitter jatuh pada cermin berbentuk
kerucut, lalu cahaya dipantulkan kembali dalam bentuk kerucut cahaya yang lebih
luas. Diameter kerucut tergantung pada indeks bias (n) dari medium (cair) dan
pergeseran jarak antara serat optik dengan cermin.Penelitian ini akan dipengaruhi
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
27
1. Gerakan/getaran saat penelitian.
Gerakan yang cukup besar akan mempengaruhi terhadap fokus sinar LED
yang masuk ke dalam serat optik. Gerakan yang mempengaruhi getaran
pada meja penopang penelitian akan mengakibatkan sinyal yang tampak
pada oscilloscope tidak dapat tenang atau terjadi gelombang berjalan
dengan puncak gelombang yang selalu berubah sehingga menimbulkan
harga beda potensial yang mudah berubah. Pengambilan data harus
dilakukan dengan hati-hati baik peneliti ataupun peserta lain yang berada
disekitar proses penelitian, agar set up alat tidak terpengaruhi getaran.
2. Pemotongan serat optik.
Untuk memotong serat optik digunakan silet kecil, tajam dan proses
memotongnya harus tegak lurus menyilang terhadap posisi panjang serat,
agar intinya tidak pecah, serta permukaan serat optik terpotong rata. Hal
ini bertujuan agar sinar LED yang masuk maupun keluar dari serat optik
mengalami pemantulan sempurna sesuai dengan sudut kritis yang telah
diatur atau disesuaikan dengan posisi dari sumber sinar LEDnya. Sebelum
digunakan untuk pengambilan data serat optik diamplas terlebih dahulu
dengan menggunakan sedikit air agar permukaan serat optik benar-benar
rata.
3. Pengamatan terhadap posisi
Tegangan maksimum dan saat kondisi gelombang berjalan dalam keadaan
harganya stabil atau tidak terjadi loncatan harga yang dikarenakan
kesalahan pengamatan agar mendapatkan sinyal yang diperlukan. Maka
modal utama peneliti diantaranya kesabaran untuk menanti posisi sinyal
saat naik pada keadaan maksimim dan selanjutnya akan turun ke harga
yang lebih rendah. Pada saat inilah kita harus dengan cermat dan hati-hati
menentukan harga tegangan yang akan dibaca. Jika ternyata telah lewat
terhadap harga maksimum, maka harus mengulang keadaan yang sama
disaaat terjadi kenaikan tegangan lagi. Selanjutnya pada posisi harga yang
commit to user
Setelah semua data yang diperlukan selesai diambil dari penggunaan alat
sensor serat optik, hal selanjutnya adalah mengambil data menggunakan
refraktometer untuk mengetahui indek bias larutan dengan konsentrasi yang telah
ditentukan.
3.7. Pengolahan dan Analisa Data
Setelah mendapatkan data berupa nilai hubungan antara pergeseran dan
tegangan puncak-puncak serta hubungan antara konsentrasi larutan tertentu
dengan tegangan puncak-puncak. Selanjutnya data tersebut diolah dalam bentuk
grafik untuk mengetahui tren grafik yang muncul. Pengolahan data dilakukan
dengan memperhitungkan nilai-nilai puncak-puncak intensitas yang diperoleh
dengan mencocokan grafik dengan hasil pengukuran dari refraktometer. Data
yang diperoleh dalam bentuk grafik kemudian dianalisis tren grafik yang
terbentuk. Grafik akan menunjukkan perubahan nilai tegangan puncak-puncak
apabila mengalami kenaikan dan penurunan yang selanjutnya dilakukan
perbandingan dengan perubahan jarak dan perubahan konsentrasi.
3.8. Simpulan
Hasil analisa data secara lengkap disimpulkan untuk mengetahui hasil
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
29
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Perancangan Sensor Fiber optik Sebagai Alat Ukur Indek Bias
Penelitian ini bertujuan untuk mendesain sensor serat optik yang
ditunjukkan untuk mengukur indeks bias suatu larutan garam dan larutan gula.
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah satu set alat pengukuran indeks
bias suatu larutan menggunakan sensor serat optik yang telah dirangkai seperti
pada Gambar (4.1). Serat optik yang digunakan adalah serat optik jenis multimode
yang berdiameter 2,54 mm karena serat optik jenis multimode mempunyai ukuran
core yang lebih besar dibandingkan dengan single mode sehingga sinar yang
merambat didalamnya akan terpantul berulang kali oleh dinding cladding.
Gambar 4.1.
Set alat pengukuran indeks bias suatu larutan menggunakan sensor serat optik.
Berdasarkan teori yang diketahui bahwa berkas cahaya LED akan
bertambah dan berkurang apabila cermin sebagai pemantul digeser menjauhi serat
optik, sehingga dilakukan variasi pergeseran antara serat optik dan cermin. Variasi
jarak yang dilakukan adalah pada jarak 0–1 cm, dengan desain serat optik
transmitter dan receiver sejajar dan berhadapan tegak lurus terhadap cermin.
commit to user
optik transmitter dan hasil pantulan dari cermin ditangkap oleh serat optik
receiver, intensitas cahaya yang ditangkap oleh serat optik receiver selanjutnya
masuk kedalam photodetector yang dalam penelitian ini diterjemahkan oleh
oscillosscope sebagai tegangan puncak-puncak (mV). Indeks bias suatu larutan
tergantung dari konsentrasi suatu larutan, semakin besar konsentrasi larutan maka
indeks biasnya juga semakin besar. Pada penelitian ini pada jarak tertentu akan
didapatkan tegangan puncak maksimum, dimana jarak yang terdapat nilai
tegangan puncak maksimum merupakan nilai indeks bias konsentrasi larutan.
Pengaruh jarak dengan hasil pantulan cahaya dari cermin berpengaruh
terhadap nilai intensitas yang ditangkap oleh serat optik, faktor yang
menyebabkan terjadinya perubahan kemampuan serat optik untuk menangkap
cahaya adalah nilai Numerical Aperture atau sudut penerimaan cahaya pada serat
optik. Selain itu, karena serat optik yang digunakan pada penelitian ini memiliki
diameter yang besar yaitu 2,54 mm sehingga memiliki nilai numerical aperture
yang besar, hal ini dapat diilustrasikan pada Gambar (4.2).
Gambar 4.2.
Ilustrasi cahaya yang dipantulkan cermin dan diterima oleh serat optik receiver.
4.1.1. Pengaruh Pergeseran Terhadap Tegangan
Setelah dilakukan daerah kerja sensor selanjutnya dilakukan pengambilan
data perbandingan antara konsentrasi larutan dan tegangan. Larutan yang
digunakan pada penelitian ini adalah larutan garam dan larutan gula. Pada larutan
yang berbeda konsentrasi baik larutan garam ataupun larutan gula, akan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
31
berbeda-beda. Berikut hasil nilai penelitian pergeseran dengan perubahan nilai
intensitas cahaya pada larutan garam pada grafik Gambar (4.3) dan larutan gula
pada Gambar (4.4). dengan banyak pengulangan dan pada grafik diambil 3 data.
Dapat dilihat pada larutan yang sama akan mempunyai posisi puncak yang relatif
sama.
Gambar (4.3) dan Gambar (4.4) adalah hasil eksperimen yang
menunjukkan hubungan antara perubahan jarak dan intensitas cahaya yang
ditangkap detektor akibat perubahan pergeseran posisi setiap 0.2 antara ujung
serat optik transmitter serta receiver dengan cermin yang terposisikan tegak lurus.
Pada grafik dilakukan normalisasi untuk mengetahui hubungan antara sumbu x
dengan sumbu y dan mengetahui gradien yang didapat pada tiap pengulangan
relative sama atau tidak. Dari keseluruhan Gambar (4.3) dan Gambar (4.4)
memberikan informasi dimana nilai intensitas cahaya bertambah apabila jarak
titik ukur dari sumbernya membesar, hal ini ditunjukkan grafik mengalami tren
kenaikan nilai tegangan puncak-puncak yang terukur akibat pergeseran cermin
setiap 0.2 mm. Kenaikan tegangan puncak-puncak pada jarak tersebut
dikarenakan hasil pantulan cahaya oleh cermin masih dapat ditangkap secara
maksimal oleh serat optik receiver. Setelah mencapai tegangan maksimum terlihat
grafik mengalami perubahan tren grafik untuk nilai tegangan yang ditangkap oleh
serat optik receiver, pada jarak tersebut serat optik receiver tidak mampu
menangkap secara maksimal hasil cahaya pantul dari cermin, sehingga terjadi
penurunan tegangan. Penurunan ini disebabkan kerapatan daya untuk
meningkatkan di bidang transmisi serat kerucut dan hukum kuadrat terbalik. Jarak
commit to user
(a) 1 molar (b)2molar
(c) 3 molar (d)4molar
(e) 5 molar Gambar 4.3.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
33
(a) 1 molar
(b) 2 molar
(c) 3 molar (d) 4 molar
(e) 5 molar
Gambar 4.4.
commit to user
Sebelumnya diketahui pada larutan yang sama mempunyai posisi puncak
yang relatif sama dan dapat dilihat pada Gambar (4.5) bahwa larutan yang sama
dengan konsentrasi yang berbeda mempunyai posisi puncak yang berbeda.
( a ) Larutan garam
( b ) Larutan gula
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
35
Tabel (4.1) adalah posisi puncak dari grafik pada Gambar (4.3) sedangkan
posisi puncak dari Gambar (4.4) diketahui oleh Tabel (4.2) :
Tabel 4.1. Posisi puncak dari larutan garam dengan variasi konsentrasi
Konsentrasi ( M ) puncak d (mm) Δd
Tabel 4.2. Posisi puncak dari larutan gula dengan variasi konsentrasi.
konsentrasi ( M ) puncak d (mm) Δd
larutan juga berbeda-beda. Semakin besar konsentrasi suatu larutan, jarak
puncaknya juga semakin besar, hal ini menunjukkan konsentrasi larutan juga akan
mempengaruhi posisi puncak dari setiap larutan. Pada pengambilan data
penelitian ini, setiap konsentrasi larutan dilakukan banyak pengulangan lalu
diambil 3 data dan dapat dilihat nilai puncak atau peak dari pengulangan kesatu
sampai dengan pengulangan ketiga, hasil yang didapat tidak terlalu jauh berbeda,
dari ketiga data puncak atau peak tersebut lalu dirata-rata sehingga didapatkan
commit to user
Bentuk grafik yang dihasilkan pada penelitian dapat dijelaskan dengan
pemodelan pada Gambar (4.6) dan bentuk grafik dipengaruhi sudut tertentu yang
mempengaruhi intensitas cahaya yang diterima receiver. Pada pemodelan dibuat
variasi sudut yang berbeda, hal ini dikarenakan intensitas cahaya yang keluar dari
serat optik transmitter membentuk sudut yang berbeda-beda ketika intensitas
cahaya memasuki serat optik receiver.
Gambar 4.6. Pemodelan pengaruh pergeseran jarak terhadap intensitas.
Tabel 4.3. Pemodelan intensitas cahaya yang diterima serat optik receiver
d (mm) Nout Nin Nin Nin Ntot
0 26 25 0 30 0 40 0 0
2 26 25 6 30 4 40 8 18
4 26 25 14 30 18 40 24 56
6 26 25 22 30 26 40 20 68
8 26 25 20 30 16 40 7 43
10 26 25 14 30 8 40 4 26
Dari Tabel (4.3) maka dapat dibuat grafik hubungan antara d dengan Ntot
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
37
ketika grafik mengalami kenaikan, grafik pada kondisi maksimum dan grafik
ketika mengalami penurunan.
Gambar 4.7. Hasil pemodelan pengaruh pergeseran terhadap intensitas
4.1.2. Kemiringan kurva
Pada Gambar (4.3) dan Gambar (4.4) dilakukan penghitungan nilai
kemiringan kurva pada slope kiri dan slope kanan. kemiringan kurva dari larutan
garam dapat dilihat pada Lampiran 1 dan larutan gula pada Lampiran 2, grafik
yang menunjukkan kemiringan kurva dari masing-masing diketahui pada Gambar
(4.8) dan Gambar (4.9). Hasil kemiringan kurva dapat diketahui pada Tabel (4.4)
dan Tabel (4.5).
Dapat dilihat dari Lampiran 1 dan Tabel (4.4). bahwa tingkat kemiringan
kurva suatu grafik hasil eksperimen menunjukkan tingkat sensitivitas suatu
sensor, terlihat dari keseluruhan Tabel (4.4) maka untuk kemiringan kurva pada
slope kiri tingkat sensitivitasnya lebih besar dari kemiringan kurva pada slope
kanan. Dari nilai pada Tabel (4.4). kemiringan kurva pada slope kiri dikatakan
lebih sensitive daripada kemiringan kurva pada slope kanan. Nilai sensitivitas
ditunjukkan untuk menghasilkan daerah kerja desain sensor serat optik pada alat
ukur indek bias.
Dapat dilihat dari Lampiran 2 dan Tabel (4.5). bahwa tingkat kemiringan
kurva suatu grafik hasil eksperimen menunjukkan tingkat sensitivitas suatu
commit to user
slope kiri tingkat sensitivitasnya lebih besar dari kemiringan kurva pada slope
kanan. Dari nilai pada Tabel (4.5). kemiringan kurva pada slope kiri dikatakan
lebih sensitive daripada kemiringan kurva pada slope kanan. Hasil tren grafik dari
larutan gula tidak jauh berbeda dari larutan garam. Nilai sensitivitas ditunjukkan
untuk menghasilkan daerah kerja desain sensor serat optik pada alat ukur indeks.
(a) Slope kiri (b) Slope kanan
Gambar 4.8 Contoh kemiringan kurva pada larutan garam 1 molar.
(a) Slope kiri (b) Slope kanan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
39
Tabel 4.4. Kemiringan kurva hubungan antara jarak pergeseran dan tegangan pada larutan garam.
Dari ketiga pengulangan pengambilan data lalu dirata-rata sehingga
didapatkan ± Δm. Pada larutan garam, saat konsentrasi 1 molar didapatkan
nilai rata-rata pada slope kiri sebesar 0,0093 ± 0,0006 dan pada slope kanan
sebesar -0,0057 ± 0,0140 , konsentrasi 2 molar nilai pada slope kiri 0,0093 ±
0,0015 dan pada slope kanan -0.0083 ± 0,0205 , konsentrasi 3 molar nilai pada
slope kiri 0,0097 ± 0,0012 dan pada slope kanan -0,0080 ± 0,0196 ,konsentrasi 4
molar nilai pada slope kiri 0,0107 ± 0,0015 dan pada slope kanan -0,0090 ±
0,0220 , serta konsentrasi 5 molar nilai pada slope kiri 0,0130 ± 0,0017 dan pada
commit to user
Tabel 4.5. Kemiringan kurva hubungan antara jarak pergeseran dan tegangan pada larutan gula.
Pada larutan gula, saat konsentrasi 1 molar didapatkan nilai rata-rata pada
slope kiri sebesar 0,0063 ± 0,0006 dan pada slope kanan sebesar -0,0033 ±
0,0081, konsentrasi 2 molar nilai pada slope kiri 0,0047 ± 0,0006 dan pada slope
kanan -0,0077 ± 0,0189 , konsentrasi 3 molar nilai pada slope kiri 0,0107 ±
0,0015 dan pada slope kanan -0,0187 ± 0,0457, konsentrasi 4 molar nilai pada
slope kiri 0,0143 ± 0,0012 dan pada slope kanan -0,0260 ± 0,0006 ,serta
konsentrasi 5 molar nilai pada slope kiri 0,0320 ± 0,0036 dan pada slope kanan
-0,0313 ± 0,0021 .
4.1.3. Range atau jangkauan
Dari Gambar (4.3) dan Gambar (4.4), dapat diketahui range saat nilai
tegangan naik sampai ke posisi puncak lalu mengalami penurunan ketika
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
41
larutan yang berbeda mempunyai posisi puncak yang berbeda pula. Pada larutan
garam (Gambar 4.3) dan larutan gula (Gambar 4.4) memberikan informasi dimana
nilai intensitas cahaya bertambah apabila jarak titik ukur dari sumbernya
membesar.
Pada Gambar (4.3) bahwa saat konsentrasi 1 molar pada jarak pengukuran
0-5,8 grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak pengukuran 5,8-10
mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi 2 molar pada jarak
pengukuran 0-6,2 grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak pengukuran
6,2-10 mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi 3 molar pada
jarak pengukuran 0-6,4 grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak
pengukuran 6,4-10 mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi
4 molar pada jarak pengukuran 0-6,6 grafik mengalami tren kenaikan dan saat
jarak pengukuran 6,6-10 mengalami perubahan tren penurunan grafik, serta
konsentrasi 5 molar pada jarak pengukuran 0-6,8 grafik mengalami tren
kenaikan dan saat jarak pengukuran 6,8-10 mengalami perubahan tren
penurunan grafik.
Pada Gambar (4.4) bahwa saat konsentrasi 1 molar pada jarak pengukuran
0-6,6 grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak pengukuran 6,6-10
mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi 2 molar pada jarak
pengukuran 0-7 grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak pengukuran
7-10 mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi 3 molar pada
jarak pengukuran 0-7,4 grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak
pengukuran 7,4-10 mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi
4 molar pada jarak pengukuran 0-7,6 grafik mengalami tren kenaikan dan saat
jarak pengukuran 7,6-10 mengalami perubahan tren penurunan grafik, serta
konsentrasi 5 molar pada jarak pengukuran 0-7,8 grafik mengalami tren
kenaikan dan saat jarak pengukuran 7,8-10 mengalami perubahan tren
penurunan grafik.
Kenaikan tegangan puncak-puncak pada jarak tersebut dikarenakan hasil
pantulan cahaya oleh cermin masih dapat ditangkap secara maksimal oleh serat
commit to user
nilai tegangan yang ditangkap oleh serat optik receiver, pada jarak tersebut serat
optik receiver tidak mampu menangkap secara maksimal hasil cahaya pantul dari
cermin, hal tersebut dapat dijelaskan pada Gambar (4.10).
Dari Gambar (4.10) dapat digunakan untuk menjelaskan tren grafik pada
penelitian ini, dimana ketika pengambilan data pada jarak seperti Gambar (4.10.a)
tren grafik mengalami kenaikan sampai pada jarak maksimum Gambar (4.10.b)
setelah itu akan mengalami tren penurunan grafik ketika pada jarak seperti
Gambar (4.10.c).
(a) (b) (c)
Gambar 4.10. Kemampuan Serat Optik Menangkap Intensitas
(a) dan (c) serat optik receiver tidak mampu menangkap secara maksimal hasil cahaya pantul dari cermin. (b) serat optik receiver mampu menangkap secara
maksimal hasil cahaya pantul dari cermin
4.2. Analisa
4.2.1. Pengaruh Pergeseran Terhadap Tegangan
Perubahan nilai tegangan yang terjadi pada variasi pergeseran ini
diakibatkan pada serat optik hanya dapat menangkap cahaya pada sudut-sudut
tertentu ( i) yang dapat diterima dan ditransmisikan langsung oleh serat optik
receiver. Pada Gambar (4.11). menjelaskan bahwa ada tiga jenis cahaya yang
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
43
Gambar 4.11. Bentuk transmisi sinar pada serat optik.
Garis biru memberikan ilustrasi cahaya yang masuk ke cladding (1), garis
hijau memberikan ilustrasi cahaya yang masuk dengan sudut kritis (2) dan garis
merah merupakan cahaya yang mengalir kedalam core (3). Sudut yang menuju
kearah permukaan serat optik (nudara=1) tidak semua akan diteruskan, cahaya tidak
dapat diterima apabila melebihi wilayah θmax karena cahaya yang masuk hasil
pantulan memiliki sudut datang lebih besar dari θmax sehingga cahaya tersebut
masuk namun tidak dapat berlanjut dan keluar serta ada yang sebagian sama
sekali tidak masuk kedalam serat optik receiver. Pada penjelasan Gambar 4.2
memberikan informasi kondisi penerimaan cahaya serat optik receiver, pada
pergeseran yang menghasilkan sudut pantul tertentu cahaya dapat maksimal.
Cahaya yang diterima serat optik receiver dirubah menjadi nilai tegangan dimana
proses perubahan tersebut terjadi karena LED dengan energi foton
menumbuk semikonduktor yang ada dalam photodetector dan terjadilah peristiwa
perubahan energi cahaya menjadi energi listrik, sehingga cahaya terbaca dalam
bentuk tegangan puncak-puncak (mV).
Selain faktor karakteristik perambatan cahaya, pemotongan ujung serat
optik juga mempengaruhi keterimaan sinar ke dalam serat optik, akibat
permukaan pemotongan tidak rata, mengakibatkan cahaya tidak masuk kedalam
serat optik (Gambar 4.12).
Berkas sinar A dapat masuk ke dalam inti serat optik karena sudut datang θ1 lebih kecil dari sudut kritis. Sedangkan berkas sinar B tidak bisa masuk ke
dalam serat optik dan dipantulkan oleh permukaan serat karena sudut datang θ2
