1
PENGEMBANGAN SENSOR LARUTAN GULA BERBASIS ABSORBSI GELOMBANG EVANESCENT PADA SERAT OPTIK
WELLY TANJUNG
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
i
WELLY TANJUNG. Pengembangan Sensor Larutan Gula Berbasis Absorbsi Gelombang Evanescent pada Serat Optik. Dibimbing oleh: Dr.Ir. IRMANSYAH, M.Si. dan Dr. AKHIRUDDIN MADDU, M.Si. ABSTRAK Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui dan membuktikan hubungan nilai medan evanescent pada antara muka inti serat optik dengan larutan gula. Perubahan indeks bias (n2) pada larutan gula menyebabkan adanya perubahan intensitas medan evanescent, sehingga sebagian energi cahaya terserap oleh larutan gula keluar dari inti secara eksponensial. Penyerapan cahaya yang disebabkan oleh perubahan indeks bias cladding berpengaruh terhadap besarnya intensitas cahaya yang ditransmitansikan. Larutan gula (cladding) yang diuji dengan 10 nilai konsentrasi (molaritas) yang berbeda, dari 0,1 M sampai dengan 1 M. Nilai panjang gelombang yang digunakan adalah 530 nm, sudut bias terbesar sebagai batas untuk menghasilkan pemantulan internal total () adalah 900 dan indeks bias (n1) core 1,492. Kata kunci : serat optik,core,cladding, transmitansi, medan evanescent, kedalaman penetrasi
ii
PENGEMBANGAN SENSOR LARUTAN GULA BERBASIS ABSORBSI GELOMBANG EVANESCENT PADA SERAT OPTIK
WELLY TANJUNG
Skripsi sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
iii
Judul : Pengembangan
Sensor
Larutan
Gula
Berbasis
Absorbsi
Gelombang Evanescent pada Serat Optik Nama : Welly Tanjung NRP
: G74060288
Menyetujui,
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Ir. Irmansyah, M.Si
Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si.
NIP. 196809161994031001
NIP.196609071988021006
Mengetahui : Kepala Departemen Fisika FMIPA IPB
Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si. NIP.196609071988021006
Tanggal lulus:
iv
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 23April 1988 sebagai anak pertama dari empat bersaudara dari ayahanda Yelvi Nofri dan ibunda Erdayati. Riwayat pendidikan formal penulis dimulai dari TK Asyiyah Pasar Minggu Jakarta Selatan, SDN 20 Batu Taba Kec.Batipuah Selatan, kemudian penulis melanjutkan pendidikan ke Sekolah Menengah Pertama Negeri 3 (SMPN3) Padangpanjang. Penulis lulus dari SMAN 1 Padangpanjang pada tahun 2006 kemudian melanjutkan pendidikan ke Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor melalui jalur Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB) 2006. Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum Fisika Dasar. Selain itu penulis juga aktif dalam organisasi Badan Eksekutif Mahasiswa (BEM KM) IPB sebagai anggota departemen Budaya Olahraga dan Seni (BOS) tahun 20062007, Lembaga Dakwah Fakultas (LDF) FMIPA SERUM-G sebagai anggota divisi Relasi 2007-2008, ketua divisiRelasi 2009-2010,anggota Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) IPB, wakil ketua organisasi mahasiswa daerah Ikatan Mahasiswa Serambi Mekah Pagaruyung (IMASERAMPAG). Penulis juga aktif dalam berbagai kegiatan diantaranya CO.Divisi Humas of Sports on MIPA Faculty (COSMIC) 2008, Committee of Kompetisi Fisika (KF)Pesta Sains Nasional 2008, dan Committee of International Zakat Conference (IZC) 2011. Selama menempuh pendidikan di IPB penulis pernah mendapatkan beasiswa pemerintah daerah provinsi Sumatera Barat dan mendapatkan prestasi juara 3 lomba MTQ (bidang fahmul Quran) se IPB.
v
KATA PENGANTAR Puji serta syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT karena atas segala rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan penulisan usulan penelitian dengan judul ”Pengembangan Sensor Larutan Gula Berbasis Absorbsi Gelombang Evanescent pada Serat Optik”. Karya ilmiah ini merupakan penelitian penulis sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah membantu dalam penyusunan usulan penelitian ini, diantaranya kepada : 1. Bapak Dr. Ir. Irmansyah, M.Si dan Bapak Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Ayahanda Yelvi Nofri, ibunda Erdayati, adik-adik ku Cholil Tanjung, Indah Puspita, dan Rama Jenriko yang telah mendoakan dan memotivasi penulis 3. Bapak Hanedi selaku editor dan bapak Firman yang telah membantu dalam hal administrasi. 4. Pak ca, pak ye, nenek ku zuraida yang selalu memotivasi penulis 5. Teman-teman fisika, khususnya angkatan 43 yang telah banyak membantu dan memotivasi penulis 6. Teman-teman kost di Al Inayah yang sering memotivasi penulis 7. Dewi Eriyanti Ranami yang telah banyak dan sangat membantu dalam teknis dan penulisan skripsi ini, selalu memotivasi penulis. 8. Wahyu PT, teman sekamar yang selalu mengingatkan penulis Semoga usulan penelitian ini dapat bermanfaat.Saran dan kritik yang membangun sangat penulis harapkan untuk hasil yang lebih baik.
Bogor, Desember 2012
Welly Tanjung
vi
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL............................................................................................................. vii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................ vii DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................................... vii BAB IPENDAHULUAN .................................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang .................................................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah ............................................................................................... 1 1.3 Tujuan Penelitian ................................................................................................ 1 1.4 Manfaat ............................................................................................................... 1 1.5 Hipotesis ............................................................................................................. 1 BAB IITINJAUAN PUSTAKA ......................................................................................... 1 2.1 Serat Optik ......................................................................................................... 1 2.2 Single Mode ........................................................................................................ 3 2.3 Multi Mode .......................................................................................................... 3 2.4 Propagasi Cahaya pada Serat Optik .................................................................... 4 2.5 Sensor Serat Optik (Optical Fiber Sensors) ..................................................... 4 2.6 Sensor Serat Optik Ekstrinsik ............................................................................. 5 2.7 Sensor Serat Optik Intrinsik ................................................................................ 5 2.8 Gelombang Evanescent ...................................................................................... 5 BAB IIIBAHAN DAN METODE ...................................................................................... 5 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ............................................................................. 5 3.2 Bahan dan Alat .................................................................................................... 5 3.3 Metode ................................................................................................................ 6 3.3.1 Pembuatan larutan gula .................................................................................. 6 3.3.2 Pengukuran nilai %brix larutan gula .............................................................. 6 3.3.3 Pengukuran kinerja sensor.............................................................................. 6 3.3.4 Hubungan kedalaman penetrasi dan indeks bias larutan ................................ 7 3.3.5 Hubungan medan evanescent(Ez) terhadap panjang penjalaran sinar gelombang (z) ................................................................................................. 7 BAB IVHASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................................. 7 4.1 Indeks Bias Larutan Gula.................................................................................... 7 4.2 Kedalaman Penetrasi Gelombang Evanescent (dp) ............................................ 8 4.3 Pengukuran Kinerja Sensor............................................................................... 10 4.4 Pengukuran Nilai Absorbansi dan Absortivitas (ln I/I0) ................................... 11 BAB VKESIMPULAN DAN SARAN............................................................................. 12 5.1 Kesimpulan ....................................................................................................... 12 5.2 Saran ................................................................................................................. 12 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................... 12 LAMPIRAN.......................................................................................................................14
vi
vii
DAFTAR TABEL Halaman
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Konsentrasi larutan gula ............................................................................................ 18 Nilai %brix larutan gula pada masing-masing konsentrasi larutan gula ................... 18 Nilai indeks bias larutan gula untuk masing-masing %brix dan konsentrasi larutan gula ............................................................................................................................ 18 Hubungan konsentrasi larutan gula dan intensitas cahaya ........................................ 18 Nilai kedalaman penetrasi gelombang evanescent .................................................... 19 Selisih nilai intensitas cahaya larutan gula ................................................................ 19 Hubungan konsentrasi larutan gula dan absorbansi .................................................. 19
DAFTAR GAMBAR Halaman
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22.
Sudut kritis .................................................................................................................. 2 Instrumen kabel serat optik ......................................................................................... 3 Komponen kabel serat optik ........................................................................................ 3 Single modeserat optik ................................................................................................ 3 Proses pembiasan dan pemantulan internal sempurna ................................................ 3 Serat multimode graded index ..................................................................................... 4 Serat multimode step index.......................................................................................... 4 Gelombang evanescent................................................................................................ 5 Larutan gula dalam labu erlenmeyer ........................................................................... 6 Refraktrometer ............................................................................................................ 6 Science workshop 750 interface .................................................................................. 6 Intensitas cahaya ......................................................................................................... 6 Kabel serat optik yang dicelupkan ke dalam larutan gula ........................................... 6 Hubunganindeks bias larutan gula dankonsentrasilarutan gula................................... 7 Hubungan kedalaman penetrasi (dp) gelombang evanescent dan indeks bias larutan gula .................................................................................................................. 8 Perbandingan nilai Ez terhadap nilai z untuk 10 indeks bias larutan gula .................. 8 Perbandingan nilaiEz terhadap nilai z untuk 10 indeks bias larutan gula(hasilperbesaran Gambar 16)................................................................................ 9 Perbandingan nilai Ezterhadap nilai z untuk n2 terkecil dan n2terbesar. ...................... 9 Selisih nilai intensitas cahaya dalam selang waktu tertentu ...................................... 10 Hubungan nilai selisih intensitas cahaya dan konsentrasi larutan gula ..................... 10 Hubungan nilai absorbansi dan konsentrasi larutan gula .......................................... 11 Hubungan nilai intensitas cahaya dalam larutan gula (I) dan konsentrasi larutan gula ................................................................................................................................... 11
DAFTAR LAMPIRAN 1. 2. 3.
Halaman Diagram alur penelitian ............................................................................................. 15 Alat –alat yang digunakan pada penelitian................................................................ 16 Tabel data penelitian ................................................................................................. 18
vii
1
BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Serat optik adalah salah satu media transmisi yang dapat menyalurkan informasi dengan kapasitas besar dengan keandalan yang tinggi.Berlainan dengan media transmisi lainnya, pada serat optik sinyal pembawanya bukan sinyal listrik, tetapi berupa gelombang optik (Shelly et al.2011). Serat optik tidak hanya digunakan sebagai kabel biasa tetapi bisa juga dimanfaatkan untuk membuat sensor yang dikenal dengan sensor serat optik. Sensor serat optik mempunyai banyak kelebihan diantaranya, ukurannya kecil, menghantarkan cahaya, tidak berinteferensi dengan gelombang elektromagnetik, mempunyai sensitivitas yang tinggi, tahan terhadap suhu tinggi, passive composition, dan mempunyai bandwith yang besar. Serat optik biasanya digunakan untuk menggantikan kabel konvensional dalam fungsinya sebagai kabel data atau kabel daya.Serat optik memiliki banyak kelebihan terutama jika yang dihantarkannya adalah sinar bukannya elektron sehingga tidak berbahaya dan relatif stabil terhadap kondisi medium yang ditempati atau dilaluinya. Aplikasi penting dari serat optik adalah pada telekomunikasi dan kedokteran. Serat ini digunakan untuk mentransmisikan percakapan telepon, sinyal video, dan data komputer (Giancoli & Douglas 2001). Penggunaan yang canggih dari serat optik untuk mentransmisikan gambar dengan jelas sangat berguna di kedokteran seperti paru-paru pasien dapat diperiksa dengan memasukkan pipa ringan yang dikenal sebagai bronchoscope melalui mulut dan ke dalam pembuluh tenggorokan. Cahaya dikirimkan melalui serat bagian luar untuk menerangi paru-paru. Cahaya pantulan kembali melalui kumpulan serat bagian dalam. Cahaya yang berada tepat di depan setiap serat akan melintasi serat tersebut. Di ujung yang lain, pengamat (dokter) melihat gambar paru-paru melalui layar (Giancoli & Douglas 2001). Dalam perkembangannya sensor serat optik dapat digunakan untuk aplikasi berbagai macam pengukuran, antara lain pengukuran suhu, tekanan, kelembaban, maupun pengukuran kadar kandungan glukosa dalam suatu larutan gula.Dengan menggunakan sensor serat optik, dapat diketahui besarnya kandungan glukosa dalam suatu larutan gula.Hal ini sangat membantu peran dunia kedokteran untukmenentukan seberapa besar
kadar gula dalam minuman atau makanan yang boleh dikonsumsi oleh penderita diabetes. 1.2
Rumusan Masalah Dalam pengembangan sensor ini permasalahan yang akan dibahas yaitu bagaimanakah kinerja sensor serat optik untuk mendeteksi medan gelombang evanescentpada cladding larutan gula, kemudian bagaiamanakah nilai medan gelombang evanescent pada masing-masing konsentrasi larutan gula, dan bagaimanakah hubungan modifikasi cladding dengan berbagai konsentrasi larutan gula terhadap pengembangan evanescent dalam perambatan pada serat optik. 1.3
Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mengukur karakteristikkinerja sensor serat optik pada konsentrasi larutan gula yang berbeda, menentukan hubungan indeks bias larutan gula terhadap kedalaman penetrasi gelombang yang masuk ke dalam cladding, dan menentukan hubungan indeks bias larutan gula terhadap energi gelombang yang diserap (Ez). 1.4
Manfaat Manfaat penelitian ini diharapkan menjadi dasar pengembangan instrumen pengukuran kadar gula. 1.5
Hipotesis Semakin tinggi kadar gula semakin banyak energi yang diserap dan semakin berkurang intensitas cahaya yang diteruskan ke ujung serat optik.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1
Serat Optik Serat optik adalah pemandu gelombang optikal dalam tabung pejal yang sangat kecil yang dibuat menyerupai kabel, yang terdapat satu atau lebih tabung serat kaca yang digunakan untuk menghantarkan cahaya. Struktur serat optik mempunyai tiga bagian yaitu inti serat (core), kulit (cladding) dan mantel (coating/buffer) (Wahyudi 2011). Inti serat optik adalah sebuah batang silinder terbuat dari bahan dielektrik bahan silica (SiO2), biasanya diberi doping dengan germanium oksida (GeO2) atau fosfor penta oksida (P2O5) untuk menaikkan indeks
2
biasnya. Pada serat optik, indeks bias inti (ninti) lebih besar (sekitar 1,523) dari pada indeks bias cladding. Cladding merupakan bahan yang menyelimuti inti serat dan mempunyai indeks bias (ncladding) yang lebih kecil, selain itu claddingberfungsi untuk mengurangi loss dari inti ke udara luar, mengurangi loss hamburan dari permukaan inti dan melindungi serat dari kontaminasi penyerapan permukaan serta menambah kekuatan mekanis (Wahyudi 2011). Cladding terbuat dari polimer atau bahan plastik.Buffer atau jacket pada serat optik digunakan untuk melindungi inti dan claddingserat optik dari lingkungan yang dapat merusak bagian utama serat optik tersebut.Buffer terbuat dari bahan yang tahan terhadap faktor-faktor lingkungan yang dapat merusak serat optik seperti asam, basa, dsb. Intiserat optik berfungsi sebagai media penjalaran gelombang optik (cahaya) melalui fenomena pemantulan internal total (total internal reflection) di dalam inti. Oleh karena itu, inti harus mempunyai indeks bias lebih besar dari indeks bias cladding, sehingga ketika gelombang optik memasuki inti pada sudut lebih besar dari sudut kritis, gelombang optik akan mengalami pemantulan total secara berulang-ulang di dalam inti serat. Salah satu parameter penting sebuah serat optik adalah numerical aperture (NA). Numerical aperture (NA)didefinisikan sebagai sinus sudut terbesar sebuah sinar datang (a) yang dapat mengalami pemantulan internal total di dalam inti serat optik, yaitu sinar yang dapat terpandu menjalar di dalam serat optik.NA merupakan ukuran kemampuan memandu cahaya dari sebuah serat optik. Nilai NA serat optik dapat
ditentukan dengan mengukur sudut divergens kerucut cahaya yang dapat memasuki inti serat optik, numerical aperture ditulis sebagai berikut: NA = n0 sin (a)=
(1)
Parameter lain sebuah serat optik adalah Vnumberyaitu parameter frekuensi ternormalisasi dituliskan sebagai:
Vnumber =
(2)
Keterangan: Vadalah parameter frekuensi ternormalisasi yang tak berdimensi d adalah diameter inti (µm) π adalah 3.14 λ adalah panjang gelombang(µm) Serat optik juga diklasifikasikan berdasarkan jumlah mode propagasi yang dihasilkan oleh serat optik , yaitu single modedan multimode.Propagasi sinar pada serat optik mengikuti kaedah hukum Snellius. Berdasarkan hukum Snellius tentang pembiasan sinar, sudut kritis berada diantara perbatasan core dan cladding dinotasikan dalam persamaan dan Gambar 1 berikut :
θc = sin-1(n2/n1)
(3)
Keterangan: θc= sudut kritis yang menghasilkan sudut bias 90o n2= indeks biascladding n1 = indeks bias core (inti)
Cladding
Long Axis
Core Critical Angle Gambar 1Sudut kritis
3
Untuk kasus ke dua sudut bias selalu lebih besar daripada sudut datang, sehingga jika sudut datang diperbesar, pada akhirnya sudut bias akan mencapai 900. Sudut datang yang menghasilkan sudut bias sebesar 900 disebut sudut kritis (θc) dimana cahaya menjalar sepanjang perbatasan kedua medium. 2.2
Gambar 2Instrumen kabel serat optik
Cladding
Single Mode Single mode merupakan tipe serat optik yang hanya bisa melewatkan satu moda gelombang cahaya atau hanya dapat memandu dengan sudut masuk tunggalyang mempunyai diameter inti serat optik sekitar 10 µm sampai dengan 20 µm. Kelebihan yang dimiliki serat optik single modeadalah sinyal keluaran lebih baik untuk jarak yang cukup jauh, sedangkan kelemahan yang terdapat pada serat optik single mode hamburan cahaya sangat besar. 2.3
Core
Buffer Coating
Gambar 3Komponen kabel serat optik Dalam kasus pembiasan, ada dua hal yang mungkin terjadi, yaitu: 1) Cahaya datang dari bahan dengan indeks bias rendah ke bahan dengan indeks bias lebih tinggi 2) Cahaya datang dari bahan dengan indeks bias tinggi ke bahan dengan indeks bias lebih rendah
Multi Mode Multi mode merupakan tipe serat optik yang dapat memandu mode propogasi lebih dari satu dalam satu waktu. Multi mode mempunyai diameter inti serat optik 50 µm sampai dengan 100 µm, dalam industri telekomunikasi serat optik multi mode memiliki diameter inti serat optik 62,5 µm dan cladding 125 µm. Kelebihan serat optik multi mode lebih mudah digunakan untuk komunikasi optik. Kekurangan yang terdapat pada serat optik multi mode adalah melemahnya kualitas sinyal keluaran. Serat optik menggunakan prinsip pemantulan internal total dalam fungsinya menjalarkan atau memandu gelombang elektromagnetik. Pemantulan internal sempurna adalah pemantulan yang terjadi
Gambar 4Single modeserat optik
Gambar 5Proses pembiasan dan pemantulan internal sempurna
4
pada bidang batasdua zat bening yang berbeda kerapatan optiknya seperti halnya pemantulan yang terjadi pada cermin. Cahaya datang yang berasal dari air (medium optik lebih rapat) menuju ke udara(medium optik kurang rapat) dibiaskan menjauhi garis normal (berkas cahaya J pada Gambar 5).Pada sudut datang tertentu, maka sudut biasnya akan 90o dan dalam hal ini berkasbias akan berimpit dengan bidang batas berkas K pada Gambar 5. Sudut kritis adalah sudut datang yang mempunyai sudut bias 90o atau yangmempunyai cahaya bias berimpit dengan bidang batas. Apabila sudut datang yang telah menjadi sudut kritis diperbesar lagi, maka cahayabiasnya tidak lagi menuju ke udara, tetapi seluruhnya dikembalikan ke dalam air(dipantulkan). Peristiwa inilah yang dinamakan pemantulan internal sempurna, sehingga syarat terjadinya pemantulan internal sempurna adalah cahaya datang berasal dari zat yang lebih rapat menuju ke zat yang lebihrenggangdan sudut datang lebih besar() dari sudut kritisc. Beberapa peristiwa pemantulan sempurna dapat dijumpai dalam kehidupan sehari-hari diantaranya terjadinya fatamorgana, intan dan berlian tampak berkilauan, teropong prisma, periskop prisma, dan serat optik, (Halliday 1985). 2.4
Propagasi Cahaya pada Serat Optik Core dan claddingadalah media terjadinya fenomena pantulan internal total. Agar terjadi fenomena pantulan internal total di dalam serat optik maka haruslah dirancang dengan indeks bias claddinglebih kecil dan sudut datang yang lebih besar dari sudut kritisnya yaitu:
Ada 2 jenis serat berdasarkan sebaran indeks bias core : Serat optik graded index(GRIN) Serat optik graded index mempunyai indeks bias yang bervariasi secara parabolik dalam core. Penjalaran sinarnya tidak lurus tapi melengkung karena refraksi yang terjadi pada setiap lapisan dalam core yang indeks biasnya bervariasi parabolik seperti pada Gambar 6. Serat optikstep index Serat optik step index mempunyai indeks bias yang konstan di semua bagian dalam core. Penjalaran sinarnya lurus karena tidak ada variasi indeks bias dalam core seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Sensor serat optik terdiri atas kabel serat optik dan interface sensor. Kabel serat optik dihubungkan pada interface sensor, yang terdiri atas sumber cahaya, penerima cahaya, amplifier juga sebagai pengkonversi cahaya menjadi sinyal-sinyal listrik. Sinyalsinyal listrik ini bisa berupa tegangan atau arus tersebut bisa dikonversikan menjadi sinyal digital dengan ADC (Analog to digital convertion ) dan ditampilkan pada display. 2.5
Sensor Serat Optik (Optical Fiber Sensors) Sensor adalah alat yang sangat sensitif terhadap perubahan keadaan yang terukur, seperti temperatur, konsentrasi kimia, dll.Ada dua jenis sensor yaitu sensor fisika dan sensor kimia.Sensor fisika mendeteksisuatu besaran berdasarkan hukum-hukum fisika. Contoh sensor fisikaadalah sensor cahaya, sensorsuara, sensor gaya, sensor kecepatan, sensor
ncladding< n coredan i >c
Gambar 6Serat multimode graded
index
Gambar 7Serat multimode step index
5
percepatan, dan sensor suhu. Sedangkan sensor kimia mendeteksi jumlah suatu zat kimia dengan cara mengubah besaran kimia menjadi besaran listrik. Biasanya melibatkan beberapa reaksi kimia.Contohnya adalah sensor pH, sensor oksigen, sensorledakan, dan sensor gas. Teknologi sensor serat optik mulai berkembang tahun 1960 ketika laser dan serat optik dikenal. Setelah itu, dilakukan banyak penelitian secara khusus mengenai hal tersebut karena adanya beberapa kelebihan sensor serat optik dibandingkan dengan sensor biasa. Sensor serat optik dikategorikan menjadi tiga bagian: sensor intensitas, sensor polarimetrik, dan sensor interferometrik.Sensor serat optik adalah alat yang dapat mengukur perubahan modulasi cahaya yang terpandukan akibat adanya gangguan-gangguan, baik dari dalam (intrinsik) maupun dari luar (ekstrinsik). Sensor Serat Optik Ekstrinsik Sensor yang dapat mengukur perubahan penjalaran gelombang yang disebabkan oleh lingkungan seperti cahaya yang masuk ke dalam serat selain sumber cahaya.
batas. Medan ini dikenal dengan medanevanescent.Intensitas medan evanescent akan meluruh secara eksponensial dari batas antara core dan cladding yang dirumuskan sebagai berikut : Iz =I0exp (-z/dp)
Keterangan : Iz adalah intensitas medan evanescent(W/m2) zadalah jarak penjalaran sinar (µm) I0adalah intensitas mula-mula (W/m2) dpadalahpenetration depth/ kedalaman penetrasi gelombang (µm) Kedalaman penetrasi (dp) medan evanescent berhubungan dengan panjang gelombang radiasi λ, sudut datang θ pada bidang batas, dan n adalah n2 dibagi dengan n1. Hal ini ditunjukkan pada persamaan: dp=
2.6
Sensor Serat Optik Intrinsik Sensor yang dapat mengukur perubahan penjalarandari dalam serat, seperti perubahan indeks bias (nilai n) pada cladding.
Gelombang Evanescent Sinar dalam serat optik menjalar dengan prinsip pemantulan internal total, tetapi terdapat sedikit radiasi elektromagnetik yang memasuki cladding pada jarak yang kecil dan membentuk medan elektromagnetik yang disebut gelombang evanescent. Saat berkas cahaya berpropagasi sepanjang serat optik, medan elektromagnetik tidak mendadak ke nol pada bidang batas core-cladding, tetapi sebagian kecil menembus cladding dan meluruh cepat dalam arah tegak lurus bidang
(4)
Gelombang cahaya yang memasuki claddingsepanjang dp akan berkurang secara eksponensial.
BAB III BAHAN DAN METODE
2.7
2.8
(3)
3.1
Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksananakan mulai bulan September 2010 hingga bulan Juni 2012 di Laboratorium Biofisika Departemen Fisika Kampus IPB Dramaga,Bogor. 3.2
Bahan dan Alat Bahan-bahan yang digunakan dalam penelititan ini adalahgulapasirputih, akuades, kabel serat optik, dan etanol 90%. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah refraktometer, neraca analitik, labu ukur 100 mL, gelas piala, labu Erlenmeyer, pipet tetes, tisu, serat optic toolkit, dan baterai 9 V.
Gambar 8Gelombang evanescent
6
3.3 Metode 3.3.1 Pembuatan larutan gula Gulapasir putihditimbang di neraca analitik sesuai dengan konsentrasi gula yang diinginkan. Gula dengan beberapa konsentrasi dilarutkan dengan akuades di gelas piala. Larutan gula kemudian di tera di labu ukur 100 mL. Larutan gula kemudian dihomogenkan dengan cara dikocok kemudian dipindahkan ke labu erlenmeyer. Larutan gula ini diteteskan ke alat refraktometer untuk mengukur nilai %brix, seperti pada Gambar 9. 3.3.2 Pengukuran nilai %brix larutan gula Refraktometer dikalibrasi terlebih dahulu ke 0 dengan meneteskan 2 hingga 3 tetes aquades ke permukaan kaca optik.Tekan tombol “meas” sehingga angka %brix nya menunjukkan 0.Kemudian cairan aquades tadi dibersihkan menggunakan tisu tanpa menekan permukaan kaca optik. Larutan gula diteteskan ke permukaan kaca optik 2 hingga 3 tetes, lalu ditutup agar tidak terkena cahaya dari luar. Tekan tombol “meas” untuk melihat nilai %brix larutan gula tersebut. Untuk menguji nilai %brix konsentrasi larutan gula berikutnya, maka cairan larutan gula sebelumnya dibersihkan menggunakan tisu.Refraktometer dikalibrasi kembali seperti pada langkah di awal dengan menggunakan akuades,begitu seterusnya.Masing-masing konsentrasi larutan gula dilakukan 3kali pengulangan pengukuran %brix untuk mendapatkan nilai atau data yang benar, seperti pada Gambar 10.
3.3.3 Pengukuran kinerja sensor Dalam penelitian ini dilakukan pengukuran intensitas cahaya pada masingmasing 7 konsentrasi larutan gula : 0%, 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, & 30%. Sensor seratoptik dihubungkan dengan sumber cahayaocean optic tungsten halogen lamp ke alat science workshop 750 interface seperti yang ditunjukkanpada Gambar11. Nilai intensitas cahaya ditangkap oleh detektor, selanjutnya diolah dengan menggunakan program softwaredata studio di komputer, dan hasil pengolahandapat ditampilkan dalam bentuk grafik dan tabel intensitas cahaya, seperti pada Gambar 12. Ujung kabel serat optik dengan kondisi yang telah dikelupas cladding nya sepanjang 2 cm, dicelupkan ke dalam larutan gula yang bertindak sebagai pengganti cladding, seperti pada Gambar 13.
Gambar 11Science workshop 750 interface
Gambar 12Intensitas cahaya
Gambar 9Larutan gula dalam labu erlenmeyer
Gambar 10Refraktrometer
Gambar 13Kabel serat optik yang dicelupkan ke dalam larutan gula
7
dpjuga bervariasi sesuai dengan indeks bias masing-masing larutan gula.
3.3.4 Hubungan kedalaman penetrasi dan indeks bias larutan Kedalaman penetrasi gelombangevanescentpada larutan gula dengan nilai indeks bias bervariasi (10 nilai indeks bias) ditentukan dengan persamaan : dp=
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Indeks Bias Larutan Gula Penelitian ini menggunakan 10 jenis konsentrasi (molaritas) larutan gula yang bahan pelarutnya adalah akuades, terdiri dari 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, dan 1.0 molar (M). Nilai konsentrasi gula diperoleh dengan menggunakan persamaan:
(5)
Keterangan : dp = kedalaman penetrasi (µm) λ = panjang gelombang 530 nm π = 3,14 n =indeks bias inti/indeks bias cladding (n1/n2) n1 = 1,492 dan n2adalah indeks bias larutan gula θ = sudut bias terbesar (90o)
M larutan =
Sepuluh konsentrasi larutan gula, masingmasing ditentukanoleh nilai %brix nya diukur menggunakan alat refraktometer.Semakin besar nilai konsentrasi larutan gula, maka nilai %brix yang diperoleh semakin besar. Nilai indeks bias masing-masing konsentrasi larutan gula (n2) ditentukan dari nilai % brix terhadap nilai indeks bias yang telah ditetapkan Gambar 14menunjukkan bahwa semakin besar nilai konsentrasi larutan gula, maka semakin besar nilai indeks bias nya (n2) dengan nilai regresinya R = 0.996. Nilai indeks bias larutan gula untuk masing-masing nilai konsentrasi pada selang0.1 s/d 1 M dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan liniery = 0.024x + 1.332. Adanya variasi indeks bias larutan gula bisa digunakan untuk memvariasikan indeks bias cladding dalam sensor serat optik.
3.3.5 Hubungan medanevanescent(Ez) terhadap panjang penjalaran sinar gelombang (z) Medan gelombang evanescent ditetapkan dengan persamaan: Ez =E0exp (-z/dp)
(6)
Keterangan: Ez = medan evanescent(N/m2) E0 = medan awal (N/m2) z = konstanta (µm) dp =kedalaman penetrasi(µm)
Indeks bias cladding (larutan gula) (n2)
nilai E0 diasumsikan = 2, dan nilai konstanta z juga diasumsikan dengan bervariasi (0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0) sedangkan nilai 1.36
(7)
y = 0.0248x + 1.3321 R² = 0.9962
1.355 1.35 1.345 1.34 1.335 1.33 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Konsentrasi (M) Gambar 14Hubunganindeks bias larutan gula dankonsentrasilarutan gula.
1.2
8
nilai kedalaman penetrasi (dp) gelombang evanescent nya semakin besar. Dalam penelitian ini, nilai panjang gelombang cahaya (λ=530 nm), besar sudut (θ=90o), dan indeks bias inti (n1=1,492). Pada saat penjalaran sinar masuk ke dalam cladding terjadi kehilangan energi gelombang secara eksponensial. Pada penelitian ini hubungan antara energi yang terserap oleh cladding terhadap jarak penjalaran pada masing-masing kedalaman penetrasi ditunjukkan pada Gambar 16. Gambar 16 dan 17 diatas menunjukkan hubungan nilai z (panjang penjalaran sinar)
Kedalaman penetrasi (dp ) (µm)
4.2 Kedalaman Penetrasi Gelombang Evanescent (dp) Pada saat sinar menjalar pada serat optik, maka akan masuk sedikit gelombang ke dalam cladding dengan kedalaman penetrasi yang salah satunya ditentukan oleh indeks bias cladding. Gelombang yang masuk ke dalam cladding disebut dengan gelombang evanescent. Pada penelitian ini larutan gula berfungsi sebagai cladding. Nilai kedalaman penetrasi untuk masing-masing konsentrasi larutan gula ditunjukkan pada Gambar 15. Gambar 15 menunjukkan semakin besar nilai indeks bias larutan gula (n2) maka 0.186 0.184 0.182 0.18 0.178 0.176 0.174 0.172 0.17 0.168 0.166
y = 0.6812x - 0.7406 R² = 0.9934
1.33
1.335
1.34
1.345
1.35
1.355
1.36
Indeks bias larutan gula (n2) Gambar 15Hubungan kedalaman penetrasi (dp) gelombang evanescent dan indeks bias larutan gula
Energi medan evanescent (Ez) (v/m2)
2.5 2 1.5 1 0.5 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
jarak penjalaran sinar (z) (μm) Gambar 16Perbandingan nilai Ez terhadap nilai z untuk 10 indeks bias larutan gula
1.4
9
terhadap nilai Ez(medan evanescent) adalah bersifat eksponensial untuk nilai kedalaman penetrasi (dp) yang berbeda. Semakin besar nilai zuntuk satu nilai dp, maka semakin kecil nilai medan evanescent (Ez),sesuaipersamaan: Ez = E0 exp (-z/dp)
(8)
Nilai medanevanescent (Ez)antara masing-masing dp tidak jauh berbeda,
sehingga grafik eksponensial pada Gambar 16 berhimpitan satu sama lainnya. Hasil ini diperoleh karena nilai indeks bias larutan gula (n2) yang juga selisihnya sangat dekat, sehingga mempengaruhi nilai kedalaman penetrasinya (dp).Gambar 16 merupakan grafik perbandingan nilai z terhadap nilai Ez untuk nilai indeks bias larutan gula yang paling kecil dan yang paling besar.
Energi medan evanescent (Ez) (v/m2)
0.3 dp1 DP2
0.25
DP3 DP4 DP5
0.2
dp6 dp7 0.15
dp8 dp9 dp10
0.1 0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Energi medan evanescent (Ez) (v/m2)
jarak penjalaran sinar (z) (μm) Gambar 17Perbandingan nilaiEz terhadap nilai z untuk 10 indeks bias larutan gula (hasil perbesaran Gambar 16)
1.05 0.95 0.85 0.75 0.65 0.55 0.45 0.35 0.25 0.15 0.05
dp1 dp10
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
Jarak penjalaran sinar (z) (μm) Gambar 18Perbandingan nilai Ezterhadap nilai z untuk n2 terkecil dan n2terbesar.
10
4.3 Pengukuran Kinerja Sensor Selisih intensitas cahaya pada udara sebelum dicelupkan ke dalam larutan gula dan setelah dicelupkan ke dalam larutan gula,ditunjukkan pada Gambar 19. Gambar 19menunjukkan adanya penurunan intensitas cahaya pada masingmasing grafik, yang menunjukkan selisih nilai intensitas cahaya pada saat kabel serat optik sebelum dicelupkan (masih di udara) dan pada saat dicelupkan ke dalam larutan gula.Penurunan intensitas cahaya setelah melewati larutan gula terlihat berbanding
lurus dengan konsentrasi larutan gula.Semakin tinggi konsentrasi gula maka semakin kecil intensitas cahaya yang diteruskan. Gambar 20 menunjukkan semakin besar nilai konsentrasi larutan gula maka semakin besar nilai selisih intensitas cahaya pada udara dan intensitas cahaya larutan gula.Jadi kepekatan suatu konsentrasi larutan gula mempengaruhi nilai intensitas cahaya yang dihasilkan.Nilai selisih intensitas yang semakin besar menunjukkan energi gelombang evanescent yang diserap oleh larutan gula semakin besar.
Intensitas cahaya (W/m2)
45 0% 2% 5%
30
10% 15% 20% 15 2
4
30%
6
Waktu pencelupan (sekon)
Selisih inensitas cahaya di udara dan di dalam larutan gula (W/m2)
Gambar 19Selisih nilai intensitas cahaya dalam selang waktu tertentu
10 9 8 7 6 5 4 2
6
10
14
18
22
26
30
Konsentrasi larutan gula ( % b/v) Gambar 20Hubungan nilai selisih intensitas cahaya dan konsentrasi larutan gula
34
11
4.4 Pengukuran Nilai Absorbansi dan Absortivitas (ln I/I0) Nilai absorbansi merupakan fraksi radiasi datang yang diserap oleh zat penyerap, dan dinyatakan dengan persamaan : A = log I/T = log I0/I = -log T (9) Gambar 21 menunjukkan hubungan nilai konsentrasi masing-masing larutan gula dan nilai absorbansi masing-masing larutan gula yang telah dihitung berdasarkan persamaan 9.Semakin besar nilai konsentrasi larutan gula, maka nilai absorbansi semakin besar.Jadi konsentrasi (kepekatan) suatu
larutan gula sangat mempengaruhi daya serap (absorbansi) terhadap intensitas cahaya. Gambar 22 menunjukkan semakin besar nilai konsentrasi suatu larutan gula maka nilai intensitas cahaya yang dilewati dalam larutan semakin kecil, karena dipengaruhi oleh kepekatan larutan gula. Pada saat pengukuran intensitas cahaya dalam larutan gula dengan menggunakan seperangkat alat kabel serat optik dan Science Workshop 750 Interface, menunjukkan adanya perubahan (penurunan) grafik dari larutan gula berkonsentrasi rendah ke larutan gula berkonsentrasi tinggi.
0.12
Absorbansi
0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 2
6
10
14
18
22
26
30
34
Konsentrasi larutan gula (% b/v)
Intensitas cahaya dalam larutan gula (W/m2)
Gambar 21Hubungan nilai absorbansi dan konsentrasi larutan gula
36 35.5 35 34.5 34 33.5 33 32.5 32 31.5 31 0
10
20
30
40
Konsentrasi larutan gula (% b/v)
Gambar 22Hubungan nilai intensitas cahaya dalam larutan gula (I) dan konsentrasi larutan gula
12
DAFTAR PUSTAKA
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Nilai indeks bias larutan gula dengan indeks bias yang bervariasi, sangat berpengaruh terhadapnilai medan gelombang evanescentdalam sensor serat optik. Semakin besar indeks bias larutan gula (n2) semakin besar medan gelombang evanescent (Ez). Nilai indeks bias larutan gula bergantung pada konsentrasi (molaritas) nya. Semakin besar konsentrasi larutan gula, semakin besar indeks bias larutan gula, sehingga menghasilkan kurva regresi yang hampir linier. Ada 10 larutan gula pada konsentrasi yang berbeda, sehingga memiliki nilai indeks bias yang berbeda. Nilai medan gelombang didapat setelah diperoleh nilai kedalaman penetrasi (dp).Kedalaman penetrasi ditentukan dari nilai indeks bias masing-masing larutan gula. Jadi, diperoleh hasil bahwa semakin besar nilai konsentrasi larutan gula,semakin besar nilai % brix nya dan semakin besar pula nilai kedalaman penetrasi gelombang evanescent pada sensor serat optik dengan pengganti cladding larutan gula. Untuk hubungan konsentrasi gula terhadap nilai absorbansi dan intensitas cahaya, semakin besar nilai konsentrasi larutan gula maka semakin nilai absorbansi nya dan nilai intensitas cahaya semakin kecil. Nilai medan gelombang evanescent mejadi besar dan bersifat eksponensial terhadap panjang penjalaran sinar cahaya (z). 5.2 Saran Untuk pengembangan penelitian ini selanjutnya perlu dilakukan beberapa hal: 1. Penelitian ini diharapkan dapat dikembangkan dengan menggunakan metode yang sama, yaitu cladding termodifikasi dengan menggunakan berbagai macam larutan, seperti larutan garam dan larutan kimia lainnya yang memiliki konsentrasi atau pH yang berbeda-beda. 2. Diharapkan nantinya dapat membuat suatu alat yang yang dapat mengukur dan mengetahui secara otomatis nilai medan gelombang evanescent suatu larutan gula dengan meneteskan jumlah larutan gula pada konsentrasi tertentu.
Adithya Didit. 2006. Pembuatan probe sensor serat optik untuk mengukur derajat keasaman (pH) menggunakan methyl violetsebagai dye indikator [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Bansal Lalitkumar. 2004. Development of a serat optic chemical sensor for detection of toxic vapors [tesis].Drexel University Donlagic Denis. 2000.Fiber Optic Sensors:An Introduction and Overview.University ofMaribor. Giancoli DC. 2001. Fisika Ed. Ke-5. Hanum Y, Arifin I, penerjemah; Hardani HW,Simarmata SL, editor. Jakarta: Erlangga. Terjemahan dari: Physics Fifth Ed. Halliday D, Resnick R. 1985. Fisika Ed. Ke-3.Silaban P, Sucipto E, penerjemah. Jakarta: Erlangga. Terjemahandari: Physics3rd edition. Keiser,
Gerd. 2000. Optical Serat Communications. Mc Graw Hill International Edition.
Kolimbris, Harold. 2004. Serat Optics Communications. New Jersey: Prentice Hall. Lee,S.T, Jet al. 2001. A Sensitive fibre optic pH sensor using multi sol gel coating.J.Opt,3. 355-359. Maddu et al. 2006. Pengembangan probe sensor kelembaban serat optik dengan claddinggelatin. Makara Teknologi. 10:45-50. Maddu et al. 2006. Pengaruh kelembaban terhadap sifat optik film gelatin. Makara Teknologi. 10:30-34. Rayss, Jan, Sudolski G. 2002. Ion absorption in the poros sol-gel silica layerin the serat optic pH sensor.Sensor and Actuator B 87: 397-405.
13
Sistem Komunikasi Serat Optik. Elektron nomor 5 tahun I, April 2000.Elektro Online. www.elektroindonesia.com/elektro/ el0400b.html. (23 Maret 2012). Shelly,
Cashman, Vermaat. 2011. Discovering Computer, Menjelajah Dunia Komputer Fundamental Edke 3. Jakarta: Salemba Infotek.
Wahyudi M. 2011. Mengenal Teknologi Kabel Serat Optik (Fiber Optic). Jakarta: Bina Sarana Informatika. Fuadi N. 2010. Sensor serat optik untuk deteksi uap etanol pada proses fermentasi [tesis]. Bogor: Program Pascasarjana,Institut Pertanian Bogor.
14
LAMPIRAN
15
Lampiran 1Diagram alur penelitian
Mulai
Penelusuran literatur
Persiapan bahan dan alat
Pembuatan probe sensor (pengelupasan cladding)
Pengujian larutan gula pada air aquadest
Pengambilan data dan analisis data
Penyusunan laporan
Selesai
17 16
Lampiran 2Alat-alat yang digunakan pada penelitian
Neraca analitik
Refraktometer Larutan gula
17
Lanjutan Lampiran 2
17 18 8
Lampiran 3Tabel data penelitian Tabel 1Konsentrasi larutan gula Konsentrasi larutan gula (M)
Massa gula (gram)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
1.8 3.6 5.4 7.2 8.9 11.0 13.0 14.0 16.0 18.0
Tabel 2Nilai %brix larutan gula pada masing-masing konsentrasi larutan gula Konsentrasi larutan gula (M)
%brix
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
1.2 2.9 4.4 6.3 7.9 9.2 11.0 12.0 15.0 16.0
Tabel 3Nilai indeks bias larutan gula untuk masing-masing %brix dan konsentrasi larutan gula Konsentrasi larutan Indeks biascladding (n2) %brix gula (M) 1.33461 0.1 1.2 1.33719 0.2 2.9 1.33948 0.3 4.4 1.34237 0.4 6.3 1.34481 0.5 7.9 1.34679 0.6 9.2 1.34923 0.7 11.0 1.35091 0.8 12.0 1.35502 0.9 15.0 1.35731 1.0 16.0 Tabel 4Hubungan konsentrasi larutan gula dan intensitas cahaya Konsentrasi larutan gula(%b/v) Intensitas (W/m2) 0 36 2 34 5 34 10 33 15 32 20 32 30 31
17 19
Lanjutan Lampiran 3 Tabel 5Nilai kedalaman penetrasi gelombang evanescent Panjang gelombang (λ)(nm)
Sudut bias (θ)(derajat)
530
90
Indeks bias core (n1)
Indeks bias cladding (n2)
Kedalaman penetrasi (dp) (µm)
1.492
1.33461 1.33719 1.33948 1.34237 1.34481 1.34679 1.34923 1.35091 1.35502 1.35731
0.169 0.171 0.172 0.174 0.175 0.177 0.179 0.179 0.183 0.184
Tabel 6Selisih nilai intensitas cahaya larutan gula Konsentrasi larutan gula (%)
Intensitas cahaya dalam larutan gula
(I akhir) (W/m2)
Selisih nilai intensitas cahaya di udara dan dalamlarutan gula (Iawal-Iakhir)(W/m2)
0
36
4.5
2
34
5.9
5
34
6.5
10
33
7.1
15
32
7.6
20
32
8.1
30
31
8.7 2
Keterangan: Intensitas cahaya di udara (Iawal) = 40 W/m
Tabel 7Hubungan konsentrasi larutan gula dan absorbansi Konsentrasi larutan gula(%b/v)
Absorbansi
0 2 5 10 15 20 30
5.18 x 10-2 6.93 x 10-2 7.71 x 10-2 8.35 x 10-2 9.15 x 10-2 9.69 x 10-2 10.70 x 10-2
