studi efek elektro optis pada bahan transparan menggunakan sinar

STUDI EFEK ELEKTRO OPTIS PADA BAHAN TRANSPARAN
MENGGUNAKAN SINAR LASER
Oleh:
Fatkhiyah 1), Drs.K.Sofjan Firdausi 2), Heri Sugito,S.si 3)
1), 2), 3). Laboratorium Optoelektronik Jurusan Fisika Fakultas MIPA UNDIP
Abstract
The nonlinear optic charateristic from several transparent medium (there are
water, salt solution, and sugar solution with severel line length) under external electric
field, have been identified.
Electric field in this experiment come from parallel plate which connected to high
voltage source (0-10 kV). The maximum value of electric field is about 106 V/m. Light
source come from Helium-Neon lasers with wafe length 632,8 nm and 5 mW power. The
optical characteristic studied in this experiment is the rotation of electric field oscilation
direction from the transmitted laser beam because applied external electric field to the
medium.
From the experiment result shows that θ is effected by the line length L on sugar
solution which is linearly independent with gradien is (1.78 ± 0.29)o/cm. Otherwise on
the water and salt solution, line length L does not effected significantly. On the otherhand
show that θ is linearly independent effected by electric field for water and salt solution
with gradient is (0.18 ± 0.03)˚m/Volt dan (1.07 ± 0.06)˚m/Volt. But is not significantly for
sugar solution.
Key Words : nonlinear optic,electric field
Intisari
Telah dilakukan identifikasi sifat optis tidak linier dari beberapa bahan transparan
(yang meliputi air, larutan garam dan larutan gula dengan berbagai panjang lintasan)
dalam medan listrik luar.
Medan listrik yang digunakan dalam penelitian dihasilkan dari plat sejajar yang
dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi DC (0-10 kV). Besar medan listrik
maksimum yang dihasilkan kira-kira 106 Volt/meter. Sumber cahaya yang digunakan
adalah laser Helium-Neon dengan panjang gelombang 632,8 nm dan daya 5 mW.
Perilaku sifat optis yang dikaji dalam penelitian adalah pemutaran arah getar medan
listrik, θ, dari berkas sinar laser yang ditransmisikan karena pemberian medan listrik luar
pada bahan transparan.
Dari hasil eksperiment, diperoleh bahwa θ dipengaruhi secara linear oleh panjang
lintasan pada larutan gula dengan gradien (1.78 ± 0.29)o/cm. Sedangkan pada air dan
garam tidak dipengaruhi secara signifikan. Selain itu diperoleh bahwa θ dipengaruhi oleh
medan listrik secara linear pada air dan larutan garam dengan gradien (0.18 ±
0.03)˚m/Volt dan (1.07 ± 0.06)˚m/Volt. Sedangkan pada larutan gula tidak dipengaruhi
secara signifikan.
Kata Kunci : Nonlinear optik
PENDAHULUAN
Beberapa
fenomena
alam
mengenai transmisi, refraksi, refleksi,
superposisi dan refraksi ganda merupakan
kasus-kasus optika non-linier yang mana
perambatan cahaya dalam medium optis
dinyatakan
oleh
suatu
persamaan
gelombang yang linier. Hal ini memberikan
konsekuensi bila dua gelombang harmonis
yang berpaduan dalam suatu media akan
memenuhi prinsip superposisi, merambat
secara tetap. Dan ternyata jika suatu
medium dikenai cahaya dengan intensitas
yang cukup tinggi seperti laser dengan
daya tinggi atau diletakkan dalam medan
listrik luar (atau medan magnet luar) yang
cukup besar maka respon tak linier dari
suatu media seperti suseptibilitas, indeks
bias dan polarisabilitas akan tampak
(Firdausi,2004).
Fenomena optika non linier
diakibatkan karena dua gelombang tidak
lagi hanya saling berinteraksi, dalam artian
cahaya satu berinteraksi dengan cahaya
yang lainnya menghasilkan pola-pola
interferensi, akan tetapi juga berinteraksi
dengan medium yang dilaluinya.
Jika
sebuah
gelombang
elektromagnetik terpolarisasi melewati
bahan-bahan tertentu, maka bidang
polarisasinya terputar. Rotasi bidang
polarisasi ini disebut aktivitas optis. Jadi
jika seberkas cahaya terpolarisasi linier
melalui suatu bahan optis aktif maka
gelombang yang ditranmisikan juga
terpolarisasi linier tetapi pada bidang yang
lain, yang membentuk sudut  dengan
bidang datang. Dari sudut pandang seorang
pengamat yang menerima cahaya tranmisi,
bahan tersebut disebut pemutar kanan atau
pemutar kiri. Yang bergantung pada
apakah rotasi bidang polarisasi tersebut
searah atau berlawanan dengan arah jarum
jam bila dilihat oleh pengamat itu (Finn,
1992).
Dalam penelitian ini dikaji
mengenai perilaku sifat optis media air,
larutan gula dan larutan garam dengan
menekankan pada perbedaan panjang
lintasan dan besar medan listrik luar yang
dikenakan
pada
bahan
transparan.
Parameter
yang
digunakan
adalah
intensitas relatif minimum yang diterima
oleh fotodetektor dan juga perubahan arah
polarisasi medan listrik θ dari berkas sinar
yang ditransmisikan.
Jika suatu cahaya dilewatkan
pada dua buah polarisator maka intensitas
cahaya yang ditransmisikan akan
mencapai nilai maksimum bila arah
transmisi cahaya dari kedua polarisator
tersebut saling sejajar. Dan menghasilkan
intensitas minimum bila arah transmisi
cahaya dari kedua polarisator saling tegak
lurus. Namun apabila di antara kedua
polarisator ini diberikan suatu medium
transparan yang dikenai medan listrik luar
maka dimungkinkan arah sudut polarisasi
cahaya
yang
ditransmisikan
oleh
polarisator
tersebut
mengalami
perubahan. Dengan menggunakan hukum
Mallus, fenomena optik ini akan diamati
dalam penelitian.
DASAR TEORI
Aktifitas Optis
Jika
sebuah
gelombang
elektromagnetik terpolarisasi melewati
bahan-bahan tertentu, maka bidang
polarisasinya terputar. Rotasi bidang
polarisasi ini disebut aktivitas optis. Jadi
jika seberkas cahaya terpolarisasi linier
melalui suatu bahan optis aktif maka
gelombang yang ditranmisikan juga
terpolarisasi linier tetapi pada bidang
yang lain, yang membentuk sudut 
dengan bidang datang. Dari sudut
pandang
seorang
pengamat
yang
menerima cahaya tranmisi, bahan tersebut
disebut pemutar kanan atau pemutar kiri.
Yang bergantung pada apakah rotasi
bidang polarisasi tersebut searah atau
berlawanan dengan arah jarum jam bila
dilihat oleh pengamat itu (Finn, 1992).
Medium Non Linear
Fenomena non linier secara umum
diakibatkan oleh ketidakmampuan dari
dipol dalam medium optik untuk
merespon secara linier dari medan listrik
E luar yang datang. Seperti ini atom yang
terlalu masif dan elektron pada inti dalam
yang terikat sangat kuat untuk merespon
medan listrik dari cahaya yang
mengenainya. Sehingga di sini elektron
terluarlah yang bertanggung jawab
terjadinya polarisasi pada media optis
akibat adanya medan E. Bila E yang
mengenai cukup besar maka sifat optis
bahan seperti suseptibilitas  menjadi
fungsi yang nonlinier tehadap E (Pedrotti,
1993).
 =  1 +  2 E +  3 E2 + …..
(2.1)
dengan  i adalah koefisien yang berupa
tensor.
Subtitusi persamaan (2.2) ke
persamaan (2.1) maka akan didapat
hubungan antara P dengan E yang dapat
dituliskan sebagai fungsi deret dari E yaitu:
P =  0 {  1E +  2E2 +  3E3+ .}
(2.2)
 1 adalah tensor
Dengan
suseptibilitas orde kesatu atau linier
sedangkan  2,  3 dan seterusnya adalah
tensor suseptibilitas orde kedua, ketiga dan
seterusnya.
Dari
persamaan (2.3) terlihat
bahwa bila medan cukup kecil maka suku
kedua dan selebihnya bisa diabaikan
terhadap suku pertama, sehingga diperoleh
relasi linier antara polarisasi terhadap
medan listrik. Dan sebaliknya jika suatu
bahan dikenai medan yang cukup besar
maka medium akan menjadi tidak linier.
Seperti yang terjadi pada percobaan Efek
Kerr, polarisasi yang terjadi adalah jenis
orde ketiga yang merupakan kontribusi
suku ketiga dari persamaan (2.3) yang
dapat dituliskan pada persamaan berikut
(Jenskins, 1957)
P3 =  0  3 E3
(2.3)
Efek Elektro Optis
Dalam penelitian ini Faraday
meletakkan sebuah bahan transparan di
dalam suatu medan magnet yang cukup
besar.
Kemudian
seberkas
cahaya
dilewatkan melewati bahan tersebut dan
ternyata cahaya tersebut terpolarisasikan
sebesar . Dari eksperimen ini, Faraday
merumuskan bahwa perubahan polarisasi
akan sebanding dengan perubahan medan
magnet yang mengenai bahan.
  VBd
(2.4)
Seperti pada percobaan efek
Faraday yaitu jika suatu medium
dikenakan oleh medan magnet yang kuat
maka bahan tersebut menjadi aktif secara
optis. Dalam hal ini jika gelombang
elektromagnetik dilewatkan pada medium
tersebut, maka cahaya laser akan
terpolarisasi (Darfus, 1997).
Skema percobaan Efek Kerr dapat
dilukiskan seperti pada gambar (2.4):
Gambar 2.4 Skema percobaan Effek Kerr
(Pedrotti,1993)
Secara eksperimen, efek Kerr
dapat terjadi bila bahan diletakkan pada
medan listrik yang arahnya tegak lurus
dengan
arahberkas
sinar
datang.
Perubahan indeks bias yang terjadi akibat
dikenakan medan sebesar E adalah Δn.
Medan
listrik
yang
diterima
menyebabkan
birefringence
dengan
sumbu optik pararel dengan medan listrik
yang diterima.
Selain terdapat perubahan indeks
bias bahan, sinar laser yang dilewatkan
pada bahan yang non linier akan
terpolarisasi (perubahan arah getar
cahaya) akibat interaksi medan listrik
imbas bahan dan medan listrik dari sinar
laser yang datang. Jadi semakin besar
medan listrik luar maka semakin besar
pula perubahan sudut polarisasi dari laser.
Θ = Θ (E)
(2.6)
METODE PENELITIAN
Alat dan Bahan Penelitian
Peralatan yang digunakan pada
penelitian ini adalah sebagai berikut :
1.Sumber cahaya yaitu menggunakan
sinar laser He-Ne dengan panjang
gelombang 632,8 nm dan daya 5 mW
merk leybold buatan Jerman.
2.Polarisator yang digunakan dalam
penelitian sebanyak dua buah dimana
keduanya memiliki kedudukan dan
fungsi yang berbeda, yaitu polarisator
untuk memilih arah medan listrik cahaya
yang akan dilewatkan pada bahan
transparan dan polarisator yang berfungsi
untuk mengamati perubahan sudut
polarisasi cahaya setelah melewati bahan
transparan yang disebut analisator.
3.Sumber Tegangan Tinggi yang berfungsi
untuk menghasilkan tegangan tinggi
(DC) yang menghasilkan tegangan
maksimum sebesar 14 kV. Sumber
tegangan tinggi ini dihubungkan dengan
dua plat sejajar sehingga dapat
menghasilkan medan listrik E.
4.Multimeter Digital dengan merk SanwaCD 700E yang digunakan sebagai
pembacaan nilai keluaran (output) dari
sumber tegangan.
5.Dua Plat Sejajar dengan ukuran luas 28,2
cm X 28,2 cm dimana jarak kedua plat
adalah 1 cm sebagai plat kapasitor.
6.Probe (Pengali Tegangan) yang berfungsi
untuk mengkonversi besarnya tegangan
yang keluar dari sumber tegangan tinggi,
sehingga tegangan keluaran dapat dibaca
oleh multimeter.
7.Detektor Cahaya digunakan untuk
mengukur intensitas relatif dari cahaya
laser sebelum dan sesudah mengenai
bahan, digunakan detektor cahaya
dengan menggunakan LDR yang
berbasis Mikrokontroler.
Bahan yang digunakan dalam
penelitian adalah sebagai berikut :
1.Bahan
transparan
yaitu
dengan
menggunakan objek berupa air, larutan
gula, dan larutan garam. Konsentrasi
larutan yang digunakan untuk gula 5%,
10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35% dan
larutan garam 5%, 10%, 15%, 20%, 25%,
30%. Dengan pengertian sebagai berikut
larutan berkonsentrasi 5% berarti
terdapat 5 gram zat terlarut dalam 100
gram larutan (Hardjono, 1982).
2.Tempat sampel yang berfungsi sebagai
tempat larutan yang akan dikaji sifat
optisnya. Tempat sampel ini terbuat dari
kaca preparat dengan tebal 1 mm dan
berbentuk balok dengan ukuran panjang
yang bervariasi yaitu 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4
cm dan 5 cm, sedangkan untuk lebar dan
tingginya sama yaitu 1 cm dan 3 cm.
Prosedur Penelitian
Persiapan
Dalam tahap persiapan ini,
kegiatan
yang
dilakukan
adalah
melakukan preparasi semua perlengkapan
yang diperlukan dalam penelitian baik
menyusun alat dan membuat beberapa
sampel seperti larutan gula dan larutan
garam dengan konsentrasi 5%, 10%,
15%, 20%, 25%, 30% dan 35% untuk
larutan gula dan 5%,10%, 15%, 20%,
25% dan 30% untuk larutan garam
sedangkan air cukup mengambil satu
sampel air dari air kemasan. Setiap bahan
tersebut diatas akan diletakkan pada suatu
wadah yang terbuat dari kaca preparat
dengan ukuran panjang 1 cm, 2 cm, 3 cm,
4 cm dan 5 cm. Untuk tinggi dan lebarnya
sama yaitu 3 cm untuk tinggi dan 1 cm
untuk lebar wadah larutan tersebut.
Kalibrasi
Dalam tahap kalibrasi ini
kegiatan
yang
dilakukan
adalah
melakukan
observasi mengenai
pengaruh medan listrik luar terhadap arah
polarisasi cahaya baik untuk pengamatan
tanpa menggunakan sampel dan wadah
serta setiap wadah yang akan digunakan
dalam penelitian sebagai faktor koreksi
untuk perubahan sudut putar polarisasi
sinar laser (θ). Medan listrik yang
digunakan dalam selang 0 hingga 106
V/m. Kemudian setiap larutan dengan
konsentrasi masing-masing dan air
diamati perubahan arah polarisasi cahaya
setelah dilewatkan polarisator dengan
sudut 0o(E//), 45o(E45o) dan 90o (E  ).
Untuk observasi pada larutan gula,
larutan garam dan air ini dilakuakan tanpa
menggunakan medan listrik luar (E = 0).
Arah polarisasi cahaya yang digunakan
pada tahap kalibrasi ini adalah 0o(E//),
45o(E45o) dan 90o (E  ). Setelah cahaya
laser melalui sel Kerr, cahaya tersebut
dianalisa perubahan arah polarisasinya
dengan analisator. Dalam hal ini diambil
nilai intensitas minimumnya, artinya
sumbu transmisi polarisator dan sumbu
transmisi analisator saling tegak lurus.
Observasi pada bahan transparan
Pada tahap ini, diamati mengenai
perubahan arah polarisasi cahaya untuk
setiap
bahan
transparan
dengan
menggunakan medan listrik 105 - 106
V/m. Sudut polarisator yang digunakan
adalah 0o(E//), 45o(E45o) dan 90o (E  ).
Setelah cahaya melalui sel Kerr, cahaya
tersebut
dianalisa
perubahan
arah
polarisasinya dengan analisator. Dalam hal
ini diambil nilai intensitas minimumnya,
artinya sumbu transmisi polarisator dan
sumbu transmisi analisator saling tegak
lurus.
Analisa Hasil dan Pembahasan
Setelah ketiga tahap diatas selesai,
tahap selanjutnya adalah melakukan analisa
mengenai data-data yang diperoleh.
Berdasarkan analisa data-data tersebut akan
dibahas mengenai studi efek elektro optis
pada bahan transparan menggunakan sinar
laser.
Diagram alat Penelitian
2
4
1
9
5
L
6
8
3
7
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada umumnya air memiliki
kandungan
molekul
H2O
terbesar
dibandingkan dengan kandungan molekul
lainnya. Air secara keseluruhan adalah
netral secara listrik, tetapi ikatan kimia
didalam molekul itu menyebabkan
pergeseran muatan, hasilnya adalah sebuah
muatan negatif netto pada ujung oksigen
dan muatan positif netto pada ujung
hidrogen, yang membentuk sebuah dipol
listrik. Bila sebuah dipol listrik, seperti
molekul H2O diletakkan didalam suatu
medan listrik luar, maka ikatan dalam
molekul tersebut akan mengalami sejumlah
gaya balik tertentu. Gaya ini secara
sederhana mendorong medan listrik untuk
membebaskan ikatan dalam medan.
Sehingga molekul dari medium transparan
tersebut akan membentuk suatu polarisasi
molekul, dimana keadaan molekul sebelum
dan sesudah diberi medan listrik luar
mengalami perbedaan.
Karena adanya gaya tersebut
maka timbul suatu torsi dan momen dipol
listrik yang mana arah dari momen dipol
listrik dan torsi ini ditentukan oleh arah
medan listrik luar. Dalam penelitian ini
arah medan listrik yang digunakan adalah
medan listrik luar yang berarah dari kiri
ke kanan. Sehingga arah muatan-muatan
positif molekul air berarah dari kiri ke
kanan dan muatan-muatan negatif dari
molekul-molekul air berarah dari kanan
ke kiri. Fenomena ini menunjukkan
bahwa molekul-molekul air tersebut
terpisah (atau terdisosiasi) menjadi dua
jenis bagian bermuatan yang berbeda,
atau ion-ion. Jika keadaan molekul
mengalami suatu pengutuban maka bila
terdapat suatu medan listrik sinar laser
yang dilewatkan pada medium tersebut
akan menimbulkan suatu interaksi antara
medan listrik dari sinar laser dan medium
transparan yang telah diberi medan listrik
luar atau hal ini secara umum dinamakan
sebagai suatu interaksi antara radiasi dan
materi. Dalam hal ini, arah dari medan
listrik sinar laser akan mengalami suatu
perubahan sudut polarisasi cahaya.
Pada dasarnya pengaruh dari
medan listrik luar terhadap perubahan
sudut polarisasi cahaya pada larutan
garam ini memiliki analogi yang sama
dengan pengaruh medan listrik luar
terhadap perubahan sudut polarisasi
cahaya pada air mineral (Aqua),
perbedaannya hanya terletak pada jenis
larutan yang digunakan yaitu larutan
garam. Ini dikarenakan larutan garam
suatu senyawa yang terdiri dari unsur
logam (ion Na+) dan non logam (ion Cl-)
yang membentuk senyawa NaCl dengan
jalan transfer elektron dimana atom
natrium menyerahkan sebuah elektron ke
sebuah atom klor dan sebaliknya atom
klor menerima sebuah elektron dari atom
Na. Sehingga ion-ion ini akan saling tarik
menarik dengan kuat berdasarkan gaya
tarik elektrostatik antara muatan yang
berlawanan membentuk senyawa ion.
Selain mempunyai ikatan ion, larutan
NaCl adalah elektrolit kuat yaitu
penghantar arus listrik yang baik dan jika
NaCl dilarutkan di dalam air maka
molekul-molekul air akan memisahkan ionion Na+ dan Cl- yaitu ion-ion klorida
dikelilingi oleh sekelompok molekul air
(ion klorida terhidrat) dan ion-ion positif
natrium akan dikelilingi molekul air (ion
natrium terhidrat). Maka dari itu jika
senyawa tersebut di kenai medan listrik
luar maka ion-ion natrium terhidrat yang
bermuatan positif ditarik ke elektroda
negatif dan muatan negatif dari ion klorida
terhidrat ditarik ke elektroda positif. Dan
hasil polarisasi nettonya akan merubah
arah medan listrik dari sinar laser yang
melewati larutan garam.
Berdasarkan struktur molekul gula
tersebut maka dapat diketahui bahwa
walaupun tidak dikenai medan listrik luar
sudut polarisasi sinar laser yang melaluinya
akan mengalami perubahan. Dan karena
bentuk molekul gula adalah berbentuk
spiral (heliks) dengan arah putar tertentu,
maka larutan gula mempunyai indeks bias
yang berbeda untuk kedua komponen
polarisasi lingkaran. Hal ini berarti bahwa
kedua komponen ini mempunyai kecepatan
jalar yang berbeda. Akibatnya setelah
menempuh panjang lintasan tertentu di
dalam larutan gula, komponen polarisasi
lingkaran ini akan mempunyai fasa yang
berbeda, sehingga polarisasi linier yang
merupakan superposisi kedua komponen
polarisasi lingkaran ini arah getarannya
akan berubah.
Perubahan sudut polarisasi cahaya
terhadap perubahan medan listrik luar pada
larutan disebabkan karena larutan gula
terdiri dari molekul gula dan molekul air,
sehingga interaksi radiasi dan materi yang
terjadi cenderung lebih dominan pada air.
Sedangkan molekul gula berada dalam
ruang lingkup yang lebih dominan berisi
air, maka molekul gula akan terpengaruh
oleh perubahan molekul air, yang pada
akhirnya hal ini akan mempengaruhi sudut
polarisasi sinar laser. Karena memiliki sifat
kelistrikan yang kurang baik maka
pengaruh dari medan listrik luar tidak
begitu
mempengaruhi
molekulmolekulnya, oleh sebab itu efek perubahan
sudut polarisasi cahaya lebih besar
diakibatkan oleh sifat alami dari molekulmolekul gula yaitu memiliki susunan atom
kiral. Jika ada medan listrik sinar laser
yang melalui molekul tersebut maka arah
bidang polarisasi sinar laser akan diputar
oleh molekul-molekul dari larutan gula.
KESIMPULAN
Kesimpulan
1.Sifat optis bahan transparan mengalami
perubahan arah getar polarisasi cahaya
setelah dikenakan medan listrik luar
sebesar 0 hingga 106 Volt/meter.
2.Dengan kenaikan medan listrik luar
maka sudut polarisasi sinar laser
semakin meningkat pada bahan
transparan yaitu air dan larutan garam
dengan gradien garis (0.18 ±
0.03)˚m/Volt dan (1.07 ± 0.06)˚m/Volt.
3.Dengan menggunakan medan listrik
luar sebesar 0 hingga 106 V/m pada
sampel air dan larutan garam dapat
diketahui bahwa panjang lintasan
kurang
berpengaruh
terhadap
perubahan sudut polarisasi cahaya laser.
4.Pada sampel larutan gula dapat
diketahui bahwa panjang lintasan (L)
berpengaruh secara linear dengan
gradien garis (1.78 ± 0.29)o/cm pada
perubahan sudut polarisasi sinar laser.
DAFTAR PUSTAKA
1.Wardaya, A, & Firdausi, K. 2004.
Perhitungan
Reflektansi
Dan
Transmitansi Bahan Transparan
Dalam Medan Listrik Luar, Berkala
Fisika, Jurusan Fisika FMIPA
UNDIP
2.Alonso, M & Finn, E.1980. Dasar-
Dasar
Fisika
Universitas
(terjemahan), Erlangga, Jakarta
3.Jenkins, F.A. 1957.Fundamentals of
Optics.USA.McGraw-Hill,Inc
4.Darfus, jason.1997. The Faraday
Efect, Phisics Department, The
College Of Wooster, Ohio
5.Pedrotti, F. L. dan L. S. Pedrotti.
1993. Introduction to Optics.
Second Edition. Prentice-Hall. Inc.
New Jersey
6.Hardjono.
1982.
Kimia
Universitas jilid 1, Penerbit
Erlangga, Jakarta