PENGEMBANGAN SISTEM MEKANIK PADA SPEKTROMETER UNTUK MENGUKUR SPEKTRUM CAHAYA SUMBER Wawan Kurniawan 1 1 Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Keguruan dan Ilmu Pendidikan Persatuan Guru Republik Indonesia (IKIP PGRI Semarang) Semarang, Indonesia Republic e-mail: wawan.hitam@gmail.com Abstrak Penelitian ini adalah lanjutan dari penelitian sebelumnya yang telah menghasilkan sebuah spektrometer untuk mengukur spektrum cahaya laser HeNe. Spektrometer yang telah dibagun menggunakan sistem difraksi kisi untuk melenturkan cahaya hingga terbentuk pola gelap terang dari proses interferensi cahaya dengan pergeseran sensor cahaya 1,8 o dan pergeseran sudut terkecil 0,9 o tetapi dengan sistem rotor yang telah diperbaharui menghasilkan pergeseran sudut terkecil 0,22 o. Spektrometer yang telah dikembangkan sistem mekaniknya ini telah digunakan untuk mengukur spektrum cahaya laser pointer, lampu LED dan lampu sodium dengan menghasilkan rumbai atau frinji ditiap puncak orde lebih besar dari sebelumnya. Penelitian ini belum sampai menganalisa data data spektrum yang didapat dalam penelitian ini. Kata kunci: Spektrometer, Sumber cahaya, Sistem mekanik Abstract This research is a continuation of previous research that has resulted in a spectrometer to measure the Laser HeNe light spectrum. Spectrometer that has been built using the system to flex light diffraction grating formed by the light of the dark pattern of interference of light with a light sensor shift and the shift of 1.8 o and smallest angle with 0.9 o but the rotor system has been updated produced the smallest angle shift 0.22. Spectrometer that has developed the mechanical system has been used to measure the spectrum of light laser pointer, LED lamp and a sodium lamp with produces tassel or fringe-order in each peak is greater then before. This study has not been to analyze the spectral data. Keywords : Spectrometer, Light source, Mechanical system PENDAHULUAN Cahaya tampak merupakan bagian dari gelombang elektromaknetik. Spektrum cahaya tampak mempunyai rentang panjang gelombang antara 380 nm hingga 770 nm [1]. Laser pointer adalah salah satu peralatan yang dapat digunakan sebagai sumber cahaya tampak yang mempunyai karakteristik sebagai gelombang berdiri [2]. Laser pointer biasanya digunakan untuk membantu dalam persentasi tetapi laser pointer ternyata dapat juga digunakan untuk mempelajari permukaan suatu bahan [3]. Lampu LED putih dan lampu sodium yang berwarna kuning merupakan sumber cahaya yang sering kita temui. Lampu LED putih sekarang banyak digunakan pada lampu trafik light dan lampu sodium dapat dengan mudah dijumpai pada lampu pijar baik yang ada pada motor atau pada rumah rumah dengan warna kuning. Melihat begitu
luasnya penggunaan dari sumber cahaya diatas maka peneliti akan mencoba mengukur spektrum cahaya dari berbagai sumber lampu diatas menggunakan spektrometer yang dibangun sendiri dengan sistem mekanik menggunakan rotor untuk memperoleh pergeseran sudut yang lebih kecil dari penelitian sebelumnya untuk melihat rumbai atau frinji yang dihasilkan dari pengukuran tersebut. Spektrometer adalah salah satu alat untuk mempelajari spektrum cahaya yang dalam dunia modern ini banyak digunakan untuk mengukur tingkat emission [4] dan absorption [5] suatu bahan. Spektrometer sederhana dapat juga dibangun dengan memanfaatkan sumber cahaya dari sinar matahari yang difilter pada panjang gelombang tertentu [6]. Penelitian ini bertujuan mengembangkan spektrometer yang telah dibangun [7] tahun 2011 dengan desain ditunjukkan pada Gambar 1 yang digunakan untuk mengukur panjang gelombang laser HeNe produksi Uniphase dengan teknik mengukur intensitas cahaya gelap terang hasil interferensi cahaya karena mengalami pelenturan cahaya oleh kisi difraksi. mengkonversi intensitas cahaya dan ditampilkan pada komputer. Motor yang digunakan pada penelitian ini adalah motor stepper empat fase yang digerakkan oleh data digital 4 bit. Pergerakan satu langkah motor stepper ini membutuhkan data bilangan 1 bit yang menghasilkan pergerakan 1,8 o. Pengembangan penelitian ini dilakukan dengan menggunakan sistem rotor sehingga diprediksikan pergeseran sensor cahaya akan lebih kecil dari sudut 1,8 o. METODE Penelitian ini dilakukan di laboratorium pengembangan IKIP PGRI Semarang dimulai tahun 2011 hingga dengan alur seperti Gambar 2. Spektrometer Perubahan sistem k ik Pengukuran spektrum Analisa Data Gambar 2. Alur penelitian. Gambar 1. Desain mekanik spektrometer tahap awal. LDR (light dependent resistor) yang ditunjukkan pada Gambar 1 adalah sensor cahaya yang bertugas mengkonversi besaran intensitas cahaya menjadi nilai hambatan yang linier. Proses kerja spektrometer ini diawali oleh berkas cahaya laser yang dibelokkan oleh kisi difraksi 600 gores/mm hingga terbentuk pola interferensi gelap terang yang oleh sensor cahaya diukur sebagai data. Pengambilan data oleh sensor cahaya dilakukan dari sudut 0 o hingga 180 o dimana tiap sudut 1,8 o sensor berhenti lalu Penelitian ini diawali dengan spektrometer yang telah dibuat tahun 2011 dengan pergeseran minimum 1,8 o untuk satu kali perintah. Tahap berikutnya pembuatan desain mekanik yang menggunakan rotor terlihat pada Gambar 3. Gambar 3. Sistem mekanik seprktrometer setelah dikembangkan
Motor stepper pada Gambar 3 akan melakukan pergerakan yang sama dengan penelitian sebelumnya dan LDR juga akan bergerak dengan arah yang sama dari kiri ke kanan tetapi head motor stepper dengan jari jari R 1 di pasang belt yang menghubungkan ke rotor utama dengan jari jari R 2. Rotor utama mempunyai dua penyangga yang dapat bergerak bebas. Kisi difraksi diletakkan diatas rotor dan kisi pada posisi tidak bergerak. Posisi laser pointer lurus dengan kisi difraksi dan lurus dengan sensor LDR, jarak laser pointer dengan kisi difraksi 0,25m dan jarak kisi dengan LDR 0,10m. Pengambilan data dilakukan pada ruang gelap dan LDR bergerak dari sudut 0 o hingga 180 o. Data yang didapatkan berupa hubungan sudut dalam satuan derajat dengan intensitas cahaya dalam bentuk tegangan (V). HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran pertama setelah sistem mekanik selesai dibangun adalah mengukur pergerakan sensor pada head motor stepper dengan 50 perintah pergeseran sudut 90 o menghasilkan data yang ditampilkan pada tabel 1. Hasil analisa memperoleh pergeseran motor stepper untuk pergeseran 90 o adalah Δθ=(90,3±0,21) o dan menghasilkan pergeseran terkecil dari rotor utama sebesar 0,22 o. Hasil pengukuran yang pernah dilakukan pada tahun 2011 menggunakan sumber cahaya laser HeNe produksi Uniphase menghasilkan spektrum cahaya dengan sumbu horisontal berupa sudut (θ) pergeseran LDR 1,8 o dan sumbu vertikal berupa intensitas cahaya dalam tegangan (V) seperti diperlihatkan pada Gambar 4. Gambar 4. Spektrum laser HeNe dengan pergeseran sudut LDR 1,8 o. Gambar 4 memperlihatkan lima puncak utama dengan nama orde M=0, M=1, M=2, M=-1 dan M=-2, hal ini menunjukkan hasil interferensi cahaya mempunyai lima titik cahaya dengan intensitas yang tinggi. Bagian yang menarik dari spektrum ini adalah puncak puncak intensitas cahaya muncul dengan diawali dengan intensitas cahaya yang mendekati 0 lalu muncul puncak dan berikutnya diikuti intensitas cahaya mendekati 0 lagi dengan tampilan yang bersih. Hasil perhitungan menggunakan persamaan 1 menghasilkan panjang gelombang λ=(636,87±0,14)nm. d sin θ = M λ (1) dimana d adalah jarak antara kisi, θ adalah sudut antara orde M=0 terhadap orde yang lain. Data berikutnya adalah spektrum laser HeNe dengan pergeseran sudut LDR 0,9 o terlihat pada Gambar 5. Gambar 5. Spektrum laser HeNe dengan pergeseran sudut LDR 0,9 o.
Perbedaan spektrum cahaya laser HeNe antara pergeseran sudut LDR 1,8 o dan 0,9 o adalah munculnya rumbai atau data terpecah dipuncak tiap orde. Hal ini mengindikasikan semakin kecil pergeseran LDR akan memperlihatkan bahwa sumber laser HeNe tidak monokromatik hal ini ditunjukkan dari foto cahaya tampak dari laser HeNe seperti terlihat pada Gambar 6 [8]. bagian antara puncak orde M=0 dengan M=-1 dan M=2 ternyata intensitas cahayanya tidak mendekati 0. Data berikutnya adalah spektrum cahaya dari lampu sodium dengan daya 25W pada tegangan 12V menghasilkan spektrum cahaya seperti diperlihatkan pada Gambar 8. Gambar 6. Visualisasi warna cahaya laser HeNe. Terlihat pada Gambar 6 bahwa terjadi perbedaan warna dari merah menuju keputih pada bagian tengah spot laser HeNe. Data berikutnya adalah spektrum cahaya laser pointer dengan daya keluaran < 5mW dan panjang gelombang λ = (658 ± 10) nm. Laser pointer yang digunakan merupakan golongan Class IIIA dengan warna merah. Adapun data spektrum dari laser pointer ditunjukkan pada Gambar 7. Gambar 8. Spektrum lampu sodium dengan pergeseran sudut LDR 0,22 o. Data berikutnya adalah pengukuran spektrum lampu LED (light emission diode) dengan pergeseran sudut 0,22 o menghasilkan data spektrum pada Gambar 9. Gambar 9. Spektrum lampu LED dengan pergeseran sudut LDR 0,22 o. Gambar 7. Spektrum laser pointer dengan pergeseran sudut LDR 0,22 o. Gambar 7 memperlihatkan bahwa laser pointer juga mempunyai lima orde puncak M=1, M=2, M=0, M=-1, M=-2 tetapi pada
Tabel 1. Data pergerakan head motor stepper sebesar 90 o. Percobaan Sudut terbaca ( θ ) derajat 1 90 2 91 3 91 4 90 5 90 6 90 7 91 8 89 9 91 10 90 SIMPULAN DAN SARAN Telah dibangun spektrometer dengan sistem mekanik menggunakan rotor dan telah digunakan untuk mengukur spektrum cahaya laser HeNe, spektrum cahaya laser pointer, spektrum cahaya lampu LED dan spektrum cahaya lampu sodium. Dengan menggunakan sistem rotor yang mempunyai diameter gir lebih besar maka didapatkan LDR dapat bergerak dengan sudut terkecil 0,22 o dan menghasilkan spektrum cahaya dengan frinji atau rumbai yang bertambah. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih dan penghargaan setinggi-tingginya kepada tim pengembangan spektrometer IKIP PGRI Semarang yang telah bekerja keras agar peralatan ini berhasil dibuat. Ucapan trimakasih juga saya berikan pada diana dan dinar avilliani istri dan anak ku tercinta. DAFTAR PUSTAKA [1] Pedrotti, F.L., Pedrotti, L.S. 1993. Introduction to optics on second edition. Prentice Hall, New Jersey. [2] Minsung, K., Byoung, J.K. & Hwan, H.,L. 2010. Demonstration of standing light wave with a laser pointer. Journal of the Korean Physical Society Vol.55 No. 5. pp.1542-1545. [3] Matthew, A.Y., Douglas, A.S. & Lyandres, O. 2004. Surcafeenhanced raman spectroscopy with a laser pointer light source and miniature spectrometer. Canada Journal of Chemical No.82. pp.1435-1441. [4] Amberger, M.A., Barth, P. & Foster, A.C. 2011. Direct multielement determination of trace element in boron carbbide powders by direct current arc atomic emission spectrometry using a CCD spectrometer. Microchim Acta No.172, pp.261-267. [5] Kasyutich, V.L., Martin, P.A. & Holdsworth, R.J. 2006. An off-axis cavity-enhanced absorption spectrometer at 1605 nm for the 12 Co 2 / 13 Co 2 measurment. Applied Physics B No.85 Laser and Optics, pp.413-420. [6] Somerville, W.R.C., Le Ru. E.C. 2010. High performance raman spectroscopy with simple optical component. American Journal Physics No.78 pp.7 [7] Wawan, K., Ahmad, M,.2011. Rancang bangun spektrometer digital untuk mengukur panjang gelombang laser HeNe. Prosiding Seminar Nasional Lontar Physics Forum, pp.154-157. [8] Yas, A.A. 2006. Laser beam analysis using image processing. Journal of Computer Science No.2 pp.103-113.