Kajian Indeks Bias Kaca TBZP

Kajian Indeks Bias Kaca TBZP Wahyudi*, Ahmad Marzuki, Cari, Adi Pramuda Prodi Ilmu Fisika Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami No.36A Kentingan Surakarta 57126 * [email protected]

Intisari Penelitian ini mengkaji indeks bias kaca berbasis tellurite TBZP yang dipengaruhi oleh variasi PbO. Kaca TBZP difabrikasi dengan teknik melt quenching dengan komposisi 55TeO 2–2Bi2O3–[43-x]ZnO–xPbO (%mol) dengan x= 1, 2, 3, 4, 5. Reflektansi dan indeks bias kaca diukur dengan metode sudut brewster pada mode tranverse electric (TE) dan mode tranverse magnetic (TM). Hasil penelitian menunjukkan nilai reflektansi pada mode tranverse electric terus meningkat seiring dengan meningkatnya sudut datang. Pada mode tranverse magnetic dapat ditentukan besar sudut brewster yang akan menentukan nilai indeks bias kaca. Indeks bias kaca TBZP meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi PbO dalam kaca. Kata Kunci: kaca, tellurite, reflektansi, indeks bias, metode sudut brewster. Abstract This research analyzed the refractive index of tellurite-based glass TBZP affected by variations PbO. The TBZP glass has been fabricated by melt quenching technique with composition 55TeO 2-2Bi2O3-[43-x] ZnO-xPbO (mol%) with x= 1, 2, 3, 4, 5. Reflectance and refractive index of glass were determided by brewster angle method on tranverse electric (TE) mode and tranverse magnetic (TM) mode. Reflectance on tranverse electric mode increase with increasing the angle of incidence. From the tranverse magnetic mode data, the brewster angle were determined and also the value of refractive index of the glass. Refractive index of TBZP glass increase with increasing concentration of PbO in the glass. Key words: glass, tellurite, reflectance, refractive index, brewster angle method.

PENDAHULUAN Kaca merupakan salah satu padatan transparant yang dapat mentransmisikan cahaya tampak sehingga banyak digunakan sebagai elemen dasar dari instrumen optik. Komposisi kaca telah banyak dikembangkan selama bertahun-tahun untuk berbagai aplikasi di bidang photonik. Alasan utama material kaca atau material non-crystalline lebih aktif dan produktif dikembangkan dalam dekade terakhir adalah adanya kesadaran industri bahwa dari sudut pandang fabrikasi, kaca lebih baik dari pada kristal sehingga memegang peranan penting dalam bidang optoelektronik. Penelitian mengenai fabrikasi kaca untuk berbagai aplikasi telah banyak dilakukan. Kaca umumnya dibuat dengan bahan silika. Namun, kaca silika memiliki berbagai kelemahan salah satunya memiliki daya absorbansi yang tinggi. Penelitian mengenai kaca terus berkembang dan akhirnya ditemukan kaca dengan berbagai komposisi dengan berbagai keunggulan sifatnya. Salah satu penelitian yang paling menarik dikembangkan dalam teknologi kaca adalah kaca tellurite. Kaca tellurite merupakan material yang sangat menjanjikan untuk aplikasi laser dan optika non linear dengan karakteristiknya yang memiliki indeks bias yang tinggi dan titik lebur yang rendah [1]. Kaca tellurite memiliki puncak energi fonon yang lebih kecil dibandingkan dengan kaca silika, phospat, germanat dan borat [2]. Tellurite juga memiliki panjang gelombang cut off yang panjang [3]. Berdasarkan Ref. [2], kaca tellurite juga memiliki kekuatan mekanik yang baik dan transmisi sinar pada sinar tampak dan infrared dekat hingga 4,5µm. Sifat-sifat tersebut sangat baik untuk laser kaca pada panjang gelombang infrared. Penambahan Bi2O3 pada kaca tellurite dapat menaikkan viskositas kaca [4] dan indeks bias kaca tellurite [5].

Sedangkan penambahan bahan dengan kemampuan polarisasi yang tinggi seperti PbO dapat menaikkan nonlineritas optik kaca [6]. Indeks bias dan reflektansi merupakan salah satu sifat yang paling penting dalam kaca optik. Oleh karena itu, sebagian besar peneliti telah melakukan penyelidikan untuk mendapatkan indeks bias kaca sesuai dengan kebutuhan atau aplikasi divasi yang diinginkan. Indeks bias dan reflektansi dapat diukur dengan menggunakan peralatan yang sederhana maupun peralatan yang modern. Dalam penelitian ini, indeks bias dan reflektansi kaca tellurite diukur dengan menggunakan seperangkat alat yang menggunakan prinsip sudut brewster. Penggunaan peralatan tersebut didasarkan pada kelemahan alat ukur indeks bias refraktometer yang hanya mampu mengukur indeks bias maksimum n=1,8 sementara indeks bias kaca tellurite sekitar n=2,0. METODE PENELITIAN Kaca difabrikasi dengan teknik melt quenching dengan komposisi kaca 55TeO2–2Bi2O3–[43-x]ZnO–xPbO (%mol) dengan x= 1, 2, 3, 4, 5. Campuran bahan sebanyak 8 gram dimasukkan ke dalam crucible platinum dan dilebur menggunakan furnace CARBOLITETM pada suhu 9000C selama 1 jam sambil diaduk. Sampel kaca dicetak di dalam preheating mold. Sampel dianealing pada suhu suhu 3750C selama 6 jam kemudian didinginkan dengan colling rate 20C/menit hingga mencapai suhu kamar. Permukaan sampel kaca dihaluskan menggunakan polishing machine dengan sand paper 4000. Reflektasni dan indeks bias kaca diukur dengan metode sudut brewster dengan perangkat alat yang terdiri dari goniometer dengan skala terkecil 1/60 0, Laser NeHe Klasse 2 DIN58126 UNIPHASETM =632,8nm, Osiloskop

Digital Yokogawa DL1520 dan Large-Area Visible Photoreceiver Model 2031 New Focus 90kHz. Pengukuran reflektansi dilakukan dengan mode tranverse electric (TE) dan mode tranverse magnetic (TM). Dari grafik reflektansi mode tranverse magnetic (TM) dapat ditentukan besarnya sudut brewster dan indeks bias kaca tellurite dapat ditentukan. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada peristiwa pemantulan dan pembiasan, reflektansi merupakan perbandingan antara intensitas cahaya yang dipantulkan dengan intensitas cahaya yang datang. Sedangkan transmisi merupakan perbandingan antara intensitas cahaya yang diteruskan dengan intensitas cahaya yang datang. Kaca yang baik memiliki kemampuan tinggi dalam mentransmisikan cahaya. Kemampuan mentransmisikan cahaya yang tinggi ditunjukkan dengan nilai reflektansi yang kecil.

Ketika cahaya mengenai sebuah permukaan material dielektrik dalam hal ini kaca, maka sebagian cahaya datang akan dipantulkan dan sebagian lagi akan ditransmisikan. Fraksi dari cahaya datang yang dipantulkan bergantung dari sudut datang dan arah polarisasi dari cahaya datang. Cahaya secara natural merupakan gelombang elektromagnetik yang tidak terpolarisasi yang terdiri dari medan elektrik dan medan magnetik yang saling tegal lurus. Cahaya datang dapat direpresentasikan menjadi dua komponen yaitu komponen polarisasi sejajar bidang datang dan komponen tegak lurus bidang datang. Komponen polarisasi sejajar bidang datang merupakan mode tranverse magnetic (TM) dan komponen polarisasi tegak lurus bidang datang merupakan mode tranverse electric (TM). Grafik hasil pengukuran reflektansi masing-masing sampel kaca TBZP pada mode TE (tranverse electric) dan TM (transverse magnetic) dapat dilihat pada Gambar 1. 0,6

0.6

TE1 TM1

TE2 TM2

0,5

0.4

Reflektansi (%)

Reflektansi (%)

0.5

0.3

0.2

0,4

0,3

0,2

0,1

0.1

0,0

0.0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

90

10

20

30

50

60

70

80

90

60

70

80

90

(b)

(a) 0,6

0,6

TE3 TM3

0,5

TE4 TM4

0,5

0,4

Reflektansi (%)

Reflektansi (%)

40

Sudut Datang ()

Sudut Datang ()

0,3

0,2

0,4

0,3

0,2

0,1

0,1

0,0

0,0 0

10

20

30

40

50

Sudut Datang ()

(c)

60

70

80

90

0

10

20

30

40

50

Sudut Datang ()

(d)

0,05

0,6

TE5 TM5

TM2 TM4 TM5 TM3 TM1

0,04

0,4

Reflektansi (%)

Reflektansi (%)

0,5

0,3

0,2

0,03

0,02

0,01

0,1

0,00

0,0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

45

90

50

55

60

65

70

75

Sudut Datang ()

Sudut Datang ()

(f) (e) Gambar 1. Kurva reflektansi mode TE dan TM pada kaca, (a) TBZP1, (b) TBZP2, (c) TBZP3, (d) TBZP4 dan (e) TBZP5. Serta mode TM semua sampel (f). Pada Gambar 1, terlihat bahwa nilai reflektansi mode TE terus meningkat seiring meningkatnya sudut datang pada semua sampel kaca TBZP. Namun pada mode TM, nilai reflektansi menurun seiring meningkatnya sudut datang sampai sekitar sudut 600-650, setelah itu nilai reflektansi meningkat kembali pada semua sampel kaca TBZP. Dari grafik mode TM tersebut, dapat diindikasikan bahwa sudut brewster masing-masing sampel kaca berada sekitar sudut 600-650 (Gambar 1.f). Informasi sudut brewster diperlukan untuk menentukan besar indek bias kaca. Sehingga dilakukan pengukuran ulang reflektansi pada mode TM dengan memperkecil sudut datang pada rentang dari 61,50-64,50 dengan interval 1/600 dan dilakukan beberapa kali pengukuran pada masing-masing sampel kaca TBZP. Peristiwa reflektansi untuk menentukan besarnya sudut brewster dapat dijelaskan sebagai berikut. Jika seberkas sinar datang yang merupakan gelombang elektromagnetik (Gambar 2) yang terdiri dari mode TE (tranverse electric) (ditandai dengan panah pada berkas sinar) dan mode TM (tranverse magnetic) (ditandai dengan titik hitam pada berkas sinar) mengenai suatu bahan (kaca) maka sinar pantulnya bisa mengalami polarisasi sempurna, polarisasi sebagian dan tidak terpolarisasi tergantung dari sudut datang. Jika sudut datang 00, maka sinar pantul mengalami tidak terpolarisasi. Untuk sudut datang lainnya sinar pantul terpolarisasi sampai batas tertentu dan untuk sudut datang tertentu, sinar pantul akan terpolarisasi sempurna.

(b) (a) Gambar 2. (a) Sinar pantul dan sinar bias mengalami polarisasi sebagian (partially polarized). (b) Sinar pantul mengalami polarisasi sempurna (completely polarized) dengan sudut datang merupakan sudut polarisasi (P).

Jika cahaya datang dengan sudut tertentu (P) mengenai suatu bahan dan pada saat itu sinar pantul terpolarisasi sempurna dan sinar bias terpolarisasi sebagian (Gambar 2b), maka sinar pantul dan sinar bias saling tegak lurus (membentuk sudut 900). Sudut datang P tersebut disebut sudut polarisasi. Dengan demikian, P + 900 + 2 = 1800, sehingga 2 = 900 - P. Kita subtitusikan 2 ke dalam persamaan Hukum Snellius, yakni (1) sehingga menjadi (2) (3) (4) sehingga, (5) Jika n1 merupakan indek bias di udara = 1, maka diperoleh persamaan berikut. (6) Persamaan (6) di atas disebut Hukum Brewster. N merupakan indek bias bahan dan sudut polarisasi P dalam persamaan (6) disebut sudut Brewster. Sudut brewster dapat diketahui dari nilai reflektansi terkecil. Sudut brewster dari pengukuran reflektansi TM1 (sampel TBZP1) hingga TM5 (sampel TBZP5) terus meningkat. Dengan menggunakan Persamaan (6), dapat dihitung besar indeks bias masing-masing sampel kaca TBZP yang dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Hasil Pengukuran Indeks bias kaca TBZP Sampel Indeks Bias (n±n) TBZP1 1,949±0,000 TBZP2 1,963±0,000 TBZP3 1,977±0,000 TBZP4 1,986±0,008 TBZP5 2,011±0,008 Dari Tabel 1, dapat diketahui dari pengukuran indek bias kaca TBZP1 didapatkan senilai 1,949, TBZP2 didapatkan

senilai 1,963, kaca TBZP3 didapatkan senilai 1,977, kaca TBZP4 didapatkan senilai 1,986 dengan standar deviasi 0,008. Dan pada kaca TBZP5 diperoleh indeks bias kaca 2,011 dengan standar deviasi 0,008. Gambar 3 ditampilkan grafik pengaruh penambahan konsentrasi PbO terhadap indeks bias kaca TBZP yang menunjukkan indeks bias kaca TBZP meningkat dari 1,949 pada 1%mol PbO hingga 2,011 pada 5%mol PbO. 2,02 2,01

Indeks Bias (n)

2,00 1,99 1,98 1,97 1,96

elektron maupun polarisabilitas dari ion dalam kaca dapat meningkatkan indeks bias. Penambahan ion Pb2+ yang memiliki sifat polarisasi yang besar dalam bahan kaca TBZP akan meningkatkan awan elektron dan menurunkan bilangan oksidasi sehingga penambahan ion Pb2+ dalam bahan kaca TBZP dapat meningkatkan indeks bias kaca tersebut. Menurut Ref. [8], bahan kaca yang mengandung konsentrasi PbO yang tinggi akan memiliki indeks bias kaca yang tinggi pula. Peningkatan polarisabilitas yang berakibat meningkatnya indek bias kaca, selain diakibatkan oleh terbentuknya nonbridging oxygen (NBO) pada kaca tellurite, juga disebabkan adanya subtitusi ion Zn2+ dengan ion Pb2+ pada struktur kaca tellurite. Hal ini dapat dipahami dari Persamaan LorentzLorenz [11] yang menunjukkan hubungan antara indek bias n0, refraksi molar Rm dan Volum molar Vm, yang dapat dilihat pada Persamaan (7). (7) Atau (8)

1,95 1,94 1

2

3

4

5

% Mol PbO

Gambar 3. Pengaruh konsentrasi PbO (%mol) terhadap indeks bias kaca TBZP Indeks bias adalah salah satu sifat yang paling penting dalam kaca optik. Oleh karena itu, sebagian besar peneliti telah melakukan penyelidikan untuk memastikan hubungan antara indeks bias dan komposisi kaca. Secara umum, diakui bahwa indeks bias (n) dan densitas (), dari kaca dapat divariasikan dengan mengubah komposisi dasar kaca [7]. Indeks bias suatu kaca sebenarnya tidak konstant, namun bergantung pada panjang gelombang datang [8]. Namun, pada penelitian ini indeks bias kaca TBZP tidak diukur dengan berbagai panjang gelombang. Panjang gelombang yang digunakan adalah =632,8nm yang merupakan panjang gelombang sinar laser berwarna merah. Perubahan indeks bias dianalisis berdasarkan variasi konsentrasi PbO dalam bahan kaca TBZP. Pada Gambar 3, dapat diketahui bahwa indeks bias kaca TBZP meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi ion Pb2+ dalam bahan kaca TBZP. Menurut Ref. [8], nilai indeks bias suatu material dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu kerapatan elektron, polarisabilitas, kerapatan kaca dan ekspansi thermal. Penambahan ion Pb2+ dalam bahan akan memutuskan ikatan Te-O-Te dan membentuk membentuk non-bridging oxygen (NBO) baru seperti Te-O-Pb2+ dalam struktur kaca tellurite [9]. Peningkatan jumlah non-bridging oxygen (NBO) ini akan meningkatkan indeks bias kaca karena non-bridging oxygen (NBO) lebih memiliki polarisabilitas daripada bridging oxygen (BO) sehingga terdapat hubungan yang proporsional antara polarisasi dengan indeks bias [10]. Karena non-bridging oxygen (NBO) lebih dapat terpolarisasi daripada bridging oxygen (BO), perubahan komposisi kaca yang menyebabkan meningkatnya non-bridging oxygen (NBO) akan meningkatkan indek bias kaca, namun jika perubahan komposisi kaca menyebabkan menurunya nonbridging oxygen (NBO) maka indeks bias kaca juga akan menurun. Indeks bias kaca ditentukan oleh interaksi cahaya dengan elektron dari atom unsur dari kaca. Peningkatan kerapatan

Refraksi molar Rm memiliki dimensi volume/mol (cm3/mol). Refraksi molar dapat dijabarkan sebagai fungsi dari polarisabilitas molekul m dalam satuan Å3 [12] seperti pada Persamaan (9). (9) Jika NA merupakan bilangan Avogadro, maka Persamaan (9) akan menjadi, (9) Polarisabilitas molekul m merupakan jumlah dari polarisabilitas kation dan anion, untuk oksida AiOq dapat dijabarkan melaui hubungan seperti pada Persamaan (10). (10) dengan i merupakan polarisabilitas kation dan 0-2 merupakan polarisabilitas anion (oksigen (2-)). Hubungan Persamaan (8), Persamaan (9) dan Persamaan (9) menunjukkan jika polarisabilitas kation meningkat maka indeks bias kaca juga akan meningkat. Polarisabilitas ion Pb 2+ (3,632) lebih besar daripada polarisabilitas ion Zn2+ (0,283) [11]. Sehingga hal ini menjadikan penambahan ion Pb2+ menaikkan indeks bias kaca tellurite TBZP. SIMPULAN, SARAN DAN REKOMENDASI Reflektansi dan indek bias kaca TBZP dapat diukur dengan metode sudut brewster. Nilai reflektansi pada mode tranverse electric terus meningkat seiring dengan meningkatnya sudut datang. Pada mode tranverse magnetic dapat ditentukan besar sudut brewster yang akan menentukan nilai indeks bias kaca. Indeks bias kaca TBZP meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi ion Pb2+ dalam kaca. Meningkatnya indeks bias kaca disebabkan meningkatnya polarisabilitas kaca akibat penambahan ion Pb2+ yang membentuk nonbridging oxygen (NBO) baru seperti Te-O-Pb2+ dalam struktur kaca tellurite serta adanya subtitusi ion Pb2+ yang memiliki polarisabilitas ion yang besar menggantikan ion Zn 2+ yang memiliki polarisabilitas ion yang relatif lebih kecil.

PUSTAKA [1] G. V. Prakash, D. N. Rao and A.K. Bhatnagar, Linear Optical Properties of Niobium-based Tellurite Glasses, Journal Solid State Commun, No.119, 2010, pp.39-44. [2] L.M. Sharaf El-Deen, M. S. Al-Salhi and M. M. Ekholy, IR and UV Spectral Studies for Rare Earths-doped Tellurite Glasses, Journal of Alloys and Compounds, Elsevier, No.465, 2008, pp.333-339. [3] D. Lezal, P. Jitka, K. Petr, B. Jana, P. Marcel and Z. Jiri, Heavy Metal Oxide Glasses: Preparation and Physical Properties, Journal of Non-Crystalline Solid, Elsevier, No.284, 2001, pp.288-295. [4] N. Suri, K.S. Bindra, P. Kumar, M. S. Kamboj and R. Thangaraj, Thermal Investigations Ion Bulk Se(80-x) Te2O-Bix Chalcogenide Glass, Journal of Ovonic research, Vol.2, No.6 , 2006, pp.111-118. [5] E. Yousef, M. Houtzel and C. Rüssel, Effect of ZnO and Bi2O3 Addition on Linear and Non-linear Optical Properties of Tellurite Glasses, Journal of NonCrystalline Solid, Elsevier, No.353, 2007, pp.333-338. [6] S. H. Kim, T. Yoko and S. Sakka, S, Nonlinear Optical Properties of TeO2-Based Glasses: La2O3-TeO2 Binary Glasses, Journal American Ceram Society, No.76, 1993, pp.865-869.

[7] R. El-Mallawany, Tellurite Glasses Handbook: Physics Properties and Data, CRC Press, USA, 2002, pp.376. [8] J. E. Shelby, Introduction to Glass Science and Technology 2nd Edition, The Royal Society Of Chemistry, USA. 2005, pp.202-221. [9] B. Eraiah, Optical Properties of Lead–Tellurite Glasses doped with Samarium Trioxide. Journal Bullk Material Science, No.33(4), 2010, pp.391-394. [10] R. El-Mallawany, M. D.Abdallah and I. A. Ahmed, New Tellurite Glass: Optical Properties. Journal Material Chemistry and Physics, Elsevier, No.109, 2008, pp.291296. [11] D. Dimitrov and T. Komatsu, An Intepretation of Optical Properties of Oxides and Oxide Glasses in Therm of The Electronic Ion Polarizability and Average Single Bond Strength (Review). Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, Vol.45(3), 2010, pp.219-250. [12] H. Tichá, J. Schwarz, L. Tichý and R. Mertens, Physical Properties Of PbO-ZnO-P2O5 Glasses II. Refractive Index And Optical Properties, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Vol.6(3), 2004, pp.747-753.