Perancangan perangkat penyalur cahaya dari teleskop ke spektrograf kompak (BCS) menggunakan serat optik : Kasus refraktor ganda Zeiss 60 cm dan reflektor cassegrain GOTO 45 cm Farady B. Ardhi, Hakim L. Malasan1, Sekartedjo2 Observatorium Bosscha, Departemen Astronomi FMIPA, Institut Teknologi Bandung
1
Jl. Ganesha No. 10 Bandung 40132 2
Jurusan Teknik Fisika FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo, Surabaya 60111
Abstrak Pada pengamatan spektroskopi, permasalahan pertama yang timbul akibat pemasangan BCS dan kamera CCD pada teleskop adalah ketidakstabilan selama akuisisi data yang berpengaruh pada tingkat akurasi dan presisi spektrum. Permasalahan kedua yang timbul akibat pemasangan BCS pada teleskop adalah penambahan beban pada teleskop dan penurunan efisiensi pengamatan karena menambah beban kerja pengamat serta pengamatan menjadi tidak praktis.Oleh karena itu perlu dirancang sebuah perangkat penyalur cahaya yang dapat menyalurkan cahaya dari teleskop ke BCS, sehingga BCS serta kamera CCD dapat diletakkan di tempat yang stabil dan tidak perlu dipasangkan pada teleskop. Perangkat penyalur cahaya ini dirancang untuk dapat dipasangkan pada 2 jenis teleskop yang berbeda, yaitu Refraktor Ganda Zeiss 60 cm (f=18) dan Reflektor Cassegrain GOTO 45 cm (f=12). Perangkat yang dirancang terdiri dari serat optik dan lensa. Dari perangkat yang telah dirancang, dilakukan dua macam analisis. Pertama adalah analisis transmisivitas perangkat penyalur cahaya yang menghasilkan kurva transmisi perangkat penyalur cahaya. Kedua adalah analisis diagram titik dan simulasi pelaluan cahaya pada perangkat penyalur cahaya menggunakan perangkat lunak OpTaliX-LT. Berdasarkan analisis diagram titik dan simulasi pelaluan cahaya pada perangkat penyalur cahaya menggunakan perangkat lunak OpTaliX-LT yang disimulasikan untuk nisbah fokal input 18 dan 12, diperoleh untuk finput = 18 atau foutput = 6.38, dihasilkan citra titik dengan diameter yang lebih kecil daripada 2 mm. Untuk finput = 12 atau foutput = 5.48 dihasilkan citra titik dengan diameter yang lebih kecil daripada 2 mm. Kata Kunci : Teleskop, BCS, Serat Optik, Transmisivitas, Citra Titik kompak Bosscha (Bosscha Compact Spectrograph, selanjutnya disingkat BCS) dan kamera CCD pada teleskop adalah ketidakstabilan pada saat akuisisi data yang berpengaruh pada tingkat akurasi dan presisi spektrum. Pada saat akuisisi spektrum, spektrograf dan kamera CCD ikut bergerak bersama teleskop. Hal ini akan menyebabkan tingkat akurasi dan presisi spektrum yang diperoleh bervariasi berdasarkan posisi relatif spektrograf-teleskop pada berbagai sudut jam. Oleh karena itu akan sangat optimum hasilnya bila spektrograf dilepaskan dari teleskop dan diletakkan pada tempat yang stabil. Permasalahan kedua yang timbul akibat pemasangan spektrograf pada teleskop adalah penurunan efisiensi pengamatan karena bertambahnya beban kerja pengamat dan pengamatan menjadi tidak praktis. Artikel ini menyajikan rancangan perangkat penyalur cahaya dari teleskop ke spektrograf kompak menggunakan serat optik. Perangkat ini nantinya harus dapat dipasangkan pada dua jenis teleskop yang berbeda, yaitu refraktor Ganda Zeiss 60 cm dan reflektor Cassegrain GOTO 45 cm. Secara keseluruhan, pembuatan perangkat penyalur cahaya ini dilakukan
I. Pendahuluan Serat optik digunakan untuk spektroskopi objek jamak, spektroskopi dua dimensi, spektroskopi kecepatan radial presisi tinggi, interferometri, dan fotometri. Panjang gelombang yang dicakup membentang dari panjang gelombang UV (~350 nm) sampai dengan IR (~2.3 µm). Instrumen astronomi yang dibuat menggunakan serat optik kebanyakan adalah untuk spektroskopi objek jamak atau spektroskopi integral-field. Terdapat banyak manfaat lain dari penggunaan serat optik dalam dunia astronomi, yakni dapat digunakan untuk memandu cahaya dari teleskop ke spektrograf slit yang sangat besar. Serat optik dapat menginjeksikan atau mengumpulkan cahaya di tempat-tempat yang paling susah dijangkau. Serat optik terutama sekali bermanfaat bila sebuah spektrograf harus digunakan untuk beberapa teleskop yang berbeda karena serat optik mempermudah spektrograf untuk dihubungkan ke teleskop-teleskop tersebut.(6) Di Observatorium Bosscha, permasalahan pertama yang timbul akibat pemasangan spektrograf
1
dalam tiga tahap, yaitu: tahap perancangan, implementasi, dan tahap pengujian. Namun artikel ini hanya dibahas sampai pada perancangan beserta perhitungan-perhitungan parameter yang terkait. II.
Oleh karena itu, dipilih serat yang memiliki diameter core minimal 104.8 µm. Diameter cladding minimum ditentukan 10× panjang gelombang maksimum yang dipandu(8), yaitu 10 x 900 nm = 9000 nm = 9 µm. c. Sudut Penerimaan Serat Optik
tahap dalam tahap untuk
Desain Perangkat Penyalur Cahaya
Sudut penerimaan serat optik (θ) harus lebih besar daripada sudut masuk berkas cahaya dari teleskop (β).
BCS
fteleskop= finput
Serat Optik
foutput
9 cm L
Teleskop Zeiss GOTO
9 cm
Lensa
SO
yI
SI d
Nisbah Fokal 18 12
β 1.59° 2.39°
Dari tabulasi di atas, dipilih serat optik yang mempunyai sudut penerimaan θ>2.39°. Serat optik yang dipakai adalah serat multimode dengan profil step-index(6). Jadi, serat optik yang akan digunakan harus memiliki apertur numerik lebih besar dari 0.042.
Teleskop 2.2. Kriteria Lensa. a. Rentang Transmisivitas Lensa Dengan alasan yang sama seperti dikemukakan sebelumnya., lensa yang akan digunakan harus mampu mentransmisikan panjang gelombang dalam rentang 360 nm sampai dengan 900 nm. b. Diameter Citra Titik Yang Dihasilkan Lensa Untuk keperluan pemanduan, diameter citra titik (σ) tidak boleh lebih kecil daripada lebar slit (s) 80 µm, karena citra titik yang lebih kecil daripada lebar slit, tidak dapat digunakan untuk pemanduan. Ukuran citra titik juga tidak boleh terlalu besar jika dibandingkan dengan lebar slit, karena akan menurunkan efisiensi dari cahaya yang hendak diambil spektrumnya. Efisiensi slit atau transmisi slit memenuhi persamaan(4):
Gambar 2.1. Desain perangkat penyalur cahaya yang dirancang
Seperti yang dapat dilihat pada gambar 2.1., perangkat penyalur cahaya yang dirancang terdiri dari dua jenis komponen, yaitu: Serat optik. Lensa. 2.1. Kriteria Serat Optik Hal-hal yang harus dipertimbangkan dalam memilih serat optik : a. Rentang Transmisivitas Serat Optik Rentang panjang gelombang yang akan dipandu adalah pada panjang gelombang tampak. Cahaya yang didispersikan oleh BCS berada dalam rentang antara 360 nm sampai dengan 900 nm(5), sehingga serat optik harus mampu mentransmisikan panjang gelombang dalam rentang tersebut dengan efisiensi transmisi yang tinggi. b. Diameter Core dan Cladding Serat Optik Diameter core serat optik ditentukan berdasarkan diameter citra yang jatuh pada bidang fokus teleskop. Diameter citra yang jatuh pada bidang fokus teleskop bergantung pada seeing dan skala plat teleskop(2).
s σ jika s〈1s <…….………………..(2.2) EEsl tot= = σ 1.0 jika s〉s1> σ
III. Pemilihan Serat Optik Serat optik Optran WF dipilih karena memiliki rentang tranmisivitas mulai dari panjang gelombang 350 nm sampai dengan 2500 nm dengan kurva transmisi yang mulus. Kurva transmisi yang mulus sangat diperlukan untuk menghindari kesalahan dalam menganalisis spektrum objek langit. Serat optik Optran WF memiliki spesifikasi teknis sebagai berikut.
Diameter citra = SkalaPlat × seeing ……….(2.1) Nilai seeing untuk Observatorium Bosscha adalah sekitar 2 detik busur(5) Teleskop Zeiss GOTO
Skala Plat (µ µm/det busur) 52.4 26.2
Diameter Citra (µ µm) 104.8 52.4
2
Kurva Atenuasi disajikan pada gambar 3.1
Atenuasi (dB/km)
Untuk menentukan lensa yang akan digunakan dan konfigurasinya dalam perangkat penyalur cahaya, pertama-tama harus diturunkan model matematis pelaluan cahaya pada perangkat penyalur cahaya. Dari model matematis tersebut, akan dapat diprediksi kinerja perangkat secara kuantitatif. Dalam hal ini, tujuan yang ingin dicapai adalah memperoleh nilai radius minimum citra titik. Panjang gelombang (nm)
4.1. Model Matematis Degradasi Nisbah Fokal Cahaya pada Serat Optik. Model matematis degradasi nisbah fokal cahaya pada serat optik menghubungkan antara nisbah fokal cahaya masuk serat optik dengan nisbah fokal cahaya keluar serat optik. Penentuan nisbah fokal cahaya keluar serat optik dalam kaitannya dengan nisbah fokal cahaya masuk diperoleh secara empiris. Pada perancangan ini, penentuan model matematis degradasi nisbah fokal cahaya pada serat optik dilakukan dengan cara melakukan fitting logaritmik pada sekumpulan data yang diambil dari sebuah kurva yang menghubungkan antara nisbah fokal input dan nisbah fokal output, yang merupakan hasil percobaan Carrasco & Parry(1).
Gambar 3.1. Kurva atenuasi serat optik Optran WF(9).
Material : silika / silika Apertur Numerik :0.37 ± 0.02 (ultra) Diameter core / cladding: 200 µm / 245 µm Profil : Multimode step index
Efisiensi transmisi (%)
IV. Pemilihan Lensa Lensa dengan material CaF2 dipilih karena memiliki rentang transmisivitas mulai dari panjang gelombang 170 nm sampai dengan 8000 nm dengan kurva transmisi yang mulus dan relatif datar seperti ditunjukkan oleh Gambar 4.1. Kurva Transmisi
Panjang gelombang (µm) Gambar 4.1. Kurva transmisi material CaF2(7).
Indeks Bias : 1.4338 pada 588 nm Konfigurasi : plan-konveks (gambar 4.2)
Gambar 4.3. Kurva degradasi nisbah fokal cahaya.
Dari hasil fitting logaritmik diperoleh persamaan
f output = (2.2252 × ln ( f input )) − 0.0504 ….(4.1 ) Nilai nisbah fokal cahaya yang keluar dari serat optik perlu dikonversikan menjadi bentuk sudut dengan satuan radian dengan menggunakan persamaan berikut: 1 …………..(4.2) α O = arctan 2f out
Gambar 4.2. Konfigurasi lensa plan-konveks(7).
dengan pilihan lensa sebagai berikut (dalam satuan mm): ITEM LA5315 LA5183 LA5458 LA5370 LA5763 LA5042
DIA 12.7 12.7 12.7 25.4 25.4 25.4
F 20.0 50.0 80.0 40.0 50.0 75.0
R 8.7 21.7 34.7 17.4 21.7 32.5
.tc 4.3 2.5 2.1 7.5 6.1 4.6
.te2 1.5 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0
.fb 17.0 48.3 78.5 34.8 45.7 71.8
Untuk
f input = 12 maka f output = 5.48 . Sehingga
αO=0.091 rad Untuk f input = 18 , maka Sehingga αO=0.078 rad.
Tabel 4.1. Spesifikasi teknis bebarapa lensa plan-konveks(7).
3
f output = 6.38 .
dirancang dalam rentang panjang gelombang 350 nm sampai dengan 900 nm. Analisis transmisivitas dilakukan dengan cara mengalikan efisiensi transmisi dari serat optik dan lensa untuk tiap panjang gelombang yang sama dalam rentang panjang gelombang 350 nm sampai dengan 900 nm. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 5.1.
4.2. Model Matematis Degradasi Nisbah Fokal Cahaya pada Lensa Model matematis pelaluan cahaya pada lensa diturunkan melalui analisis ray-tracing menggunakan matriks(3). Dari penurunan model matematis pelaluan cahaya pada lensa diperoleh persamaan:
Efisiensi transmisi (%)
y I = [A + B + C + D]α O ….……….(4.3) dengan: n − 1 n −1 1 − n d 1 − n 1 − n d B = S I − + − S O A = S I 1 − R2 n R1 R1 R2 n R2
d C = n
n −1 d + 1S O D = − R1 n
yI adalah radius citra, n adalah indeks bias lensa, SO adalah jarak dari objek ke permukaan pertama lensa, d adalah jarak dari permukaan pertama lensa ke permukaan kedua lensa (ketebalan lensa), dan SI adalah jarak dari permukaan kedua lensa ke bidang citra
Gambar 5.1. Kurva transmisi perangkat penyalur cahaya.
VI.
Analisis Citra Titik Berdasarkan lensa yang telah dipilih, dilakukan analisis diagram titik dan simulasi pelaluan cahaya pada perangkat penyalur cahaya, untuk nisbah fokal teleskop F/12 dan nisbah fokal Teleskop F/18, menggunakan perangkat lunak OpTaliX-LT@.
4.3. Pemilihan Lensa Dari persamaan tersebut, diplot kurva jarak ujung keluaran serat optik ke permukaan pertama lensa(SO) vs radius citra titik(yI) untuk produk lensa dalam Tabel 4.1., dengan menetapkan α = 0.091 rad yang bersesuaian dengan finput=12 atau foutput=5.48, R2 = ∞ (karena permukaan kedua dari lensa adalah datar), dan SI = 200 mm. Hasil plot ditunjukkan pada Gambar 4.4.
6.1. Analisis Citra Titik Untuk F/18
Gambar 6.1. Diagram citra titik .
6.2. Analisis Citra Titik Untuk F/12
Gambar 4.4. Kurva radius spot citra vs jarak ujung keluran serat optik ke permukaan pertama lensa.
Berdasarkan Gambar 4.4, dipilih lensa dengan kode item LA5315 yang memiliki spesifikasi R1=8.7mm, d=4.3mm. Untuk mencapai radius citra titik (yI) yang minimum, ujung keluaran serat optik diletakkan sejauh 21mm dari permukaan pertama lensa Gambar 6.2. Diagram citra titik.
V.
Analisis Transmisivitas Perangkat Penyalur Cahaya Berdasarkan serat optik dan lensa yang dipilih, dilakukan analisis transmisivitas perangkat penyalur cahaya. Analisis ini diperlukan untuk memperkirakan efisiensi transmisi perangkat penyalur cahaya yang
Dari simulasi diperoleh, untuk finput = 12 atau foutput = 5.48 dihasilkan citra titik dengan diameter yang lebih kecil dari 2 mm. Untuk finput = 18 atau foutput = 6.38, dihasilkan citra titik dengan diameter yang lebih kecil dari 2 mm.
4
VII.
1.
2.
3.
dan masukan konkrit yang diberikan pada hasil-hasil penelitian ini.
Kesimpulan
Telah dirancang sebuah perangkat penyalur cahaya dari teleskop ke Spektrograf Kompak (BCS) menggunakan serat optik. Perangkat tersebut dapat dipasangkan pada 2 jenis teleskop yang berbeda, yaitu Refraktor Ganda “Zeiss” 60 cm dan Reflektor Cassegrain “GOTO” 45 cm. Perangkat penyalur cahaya yang telah dirancang terdiri dari serat optik dan lensa. Serat optik yang digunakan adalah Optran WF yang diproduksi oleh CeramOptec Inc., dengan spesifikasi teknis dipaparkan dalam Bagian III artikel ini. Lensa yang digunakan adalah lensa dengan material CaF2 yang dipasarkan oleh Thorlabs Inc. dengan kode item LA5315. Lensa tersebut diletakkan pada jarak 21 mm dari permukaan pertama lensa. Berdasarkan perangkat penyalur cahaya yang dirancang, telah dilakukan dua macam analisis, yaitu analisis transmisivitas perangkat penyalur cahaya dan analisis diagram titik. Dari analisis transmisivitas perangkat penyalur cahaya, diperoleh kurva transmisi perangkat penyalur cahaya, seperti ditunjukkan oleh Gambar 5.1. Berdasarkan simulasi pelaluan cahaya pada perangkat penyalur cahaya dan analisis diagram titik menggunakan perangkat lunak OpTaliX-LT, yang disimulasikan baik untuk finput = 18 atau foutput =6.38, dan finput=12 atau foutput=5.48, masing-masing diperoleh diameter citra titik yang lebih kecil daripada 2 mm. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 6.1. dan Gambar 6.2. Namun analisis ini tidak memperhitungkan efek difraksi.
VIII. Referensi 1. Carrasco, E., Parry, I.R. 1994, A Method for Determining The Focal Ratio Degradation of Optical Fibres for Astronomy, Mon. Not. R. Astron. Soc., Vol. 271, Hal. 1-12. 2. Fahrizal, N. 1993, Perancangan Perangkat Penyalur Cahaya dari Reflektor Cassegrain Goto ke Spektrograf, Tugas Akhir, Departemen Teknik Fisika, ITB. 3. Hecht, E., Zajac, A., Optics, Addison-Wesley Publishing Company, New York, 1973. 4. Malasan, H. L. 2000, Desain Spektrograf Modern, Laporan Interim, UPT Observatorium Bosscha, Lembang, Bandung 5. Malasan, H.L., Yamamuro, T., Takeyama, N., Kawakita, H., Kinugasa, K. 2001, Design and Implementation of a compact spectrograph for astronomical research and education, in Proc. Indonesian-German Conference, M. Djamal, et al. (editor), Hal. 159. 6. Parry, I.R. 1998, The Astronomical Uses of Optical Fibers, ASP Conf. Ser., 152, Hal. 3. 7. Thorlabs Inc., 2004, Product Catalogue of Thorlabs 2004, Vol. 16, Hal. 235-238 8. Schotz, G.F., Vydra, J., Lu, G., Fabricant, D. 1998, New Silica Fiber for Broad-Band Spectroscopy, ASP Conf. Ser., Vol. 152, Hal. 20. 9. www.ceramoptec.com 10. www.thorlabs.com
Ucapan Terima Kasih Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada Ketua Departemen Astronomi FMIPA dan Kepala Observatorium Bosscha ITB, serta Ketua Jurusan Teknik Fisika, FTI, ITS atas segala bantuan dan kemudahan yang diberikan kepada salah satu dari penulis (FBA) selama penelitian ini. Ucapan terima kasih juga kami sampaikan kepada Prof. B. Hidayat (Obs. Bosscha) atas perhatian dan dorongan ilmiah yang diberikan. Kelengkapan perpustakaan Observatorium Bosscha, sangat menunjang penelitian yang kami lakukan. Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada para asisten Observatorium Bosscha: M. Irfan, S.Si., H. Setyanto, S.Si, dan Gabriel I. Prasetyono, S.Si atas bantuan teknis yang diberikan. Kami mengucapkan terima kasih kepada Ir. Taufiq Widjanarko, M.Sc (Departemen Desain Produk, FSRD ITB), untuk diskusi dan masukan berharga. Akhirnya, kami sampaikan ucapan terima kasih kepada Mr. N. Takeyama dan Dr. Y. Ikeda (Genesia Corporation, Mitaka, Tokyo) atas saran
5
