Satu kaedah pengukuran indeks biasan cecair dan dielektrik lut sinar

secara anjakan alur Gaussian laser dilaporkan. Pengukuran indeks biasan

air suling, asiton, kaca dan perspek dilakukan pada suhu bilik 21 0 C,

denganjarak gelombang laser BeNe (5mW), 632.8 nm. Nilai-nilai indeks

biasan direkodkan masing-masing sebagai; 1.333, 1.341, 1.537 dan 1.476.

Pengukuran profil alur Gaussian laser dilakukan dengan kaedah anjakan

pinggir mata pisau. Kaedah ini boleh digunakan untuk mengukur indeks

biasan dari jarak gelombang UV hingga jarak gelombang infra merah dan

boleh diubah suai untuk beroperasi secara automatik dengan kawalan

komputer

Chang, Feng Ling

Mat Yunus, W. Mahmood

Universiti Putra Malaysia Institutional Repository

Pertanika J. Sci. & Techno!. 4(1): 67-76 (1996)1SSN:OI28-7680© Penerbit Universiti Pertanian MalaysiaPengukuran Indeks Biasan Cecair dan Dielektrik LutSinar Menggunakan K~edahAnjakan Alur Laserw. Mahmood Mat Yunus dan Chang Feng LingJabatan FizikFakulti Sains dan Pengajian Alam SekitarUniversiti Pertanian Malaysia43400 UPM, Serdang, Selangor, MalaysiaDiterima 30 January 1995ABSTRAKSatu kaedah pengukuran indeks biasan cecair dan dielektrik lut sinarsecara anjakan alur Gaussian laser dilaporkan. Pengukuran indeks biasanair suling, asiton, kaca dan perspek dilakukan pada suhu bilik 21 0 C,denganjarak gelombang laser BeNe (5mW), 632.8 nm. Nilai-nilai indeksbiasan direkodkan masing-masing sebagai; 1.333, 1.341, 1.537 dan 1.476.Pengukuran profil alur Gaussian laser dilakukan dengan kaedah anjakanpinggir mata pisau. Kaedah ini boleh digunakan untuk mengukur indeksbiasan dari jarak gelombang UV hingga jarak gelombang infra merah danboleh diubah suai untuk beroperasi secara automatik dengan kawalankomputer.ABSTRACTA method for measuring refractive index of liquid and transparentdielectric using a laser beam displacement technique is presented.Measurements of refractive index for distilled water, acetone, glass andperspex were carried out at room temperature at BeNe laser (5mW) 632.8nm wavelength. The values obtained for these samples were recorded as1.333, 1.341, 1.537 and 1.476 respectively. Measurement of laser beamprofile was done using a knife edge method. This method can be used formeasuring refractive index from UV to infra-red and can also be modifiedto be automatically operated by computer control.Kata kunci: indeks biasan, anjakan alur laser, alur Gaussian dan pinggirmata pisauPENGENALANIndeks biasan n ia1ah salah satu parameter optik yang penting bagi sesuatubahan. Beberapa kaedah untuk mengukur indeks biasan bahan bolehdidapati da1am beberapa buku teks optik (Born and Wolf 1965; Longhurst1967; Hecth 1984) dan kertas-kertas jurna1 (Grange et ai. 1976; Jenkins1982; Bass and Weidner 1984; Cariou et ai. 1986; Mahmood and AzizanW. Mahmood Mat Yunus dan Chang Feng Ling1988; Mahmood 1989). Untuk medium cecair misalnya nilai indeks biasanboleh diukur dengan kaedah penentuan sudut sisihan minimum satuprisma berongga (Grange et al. 1976; Jenkins 1982; Mahmood and Azizan1988; Mahmood 1989), kaedah meterbiasan Abbe (Kuhler et al. 1991) dankaedah sudut kritikal satu prisma (Moreels et al. 1984; Sainov and Dushkina1990). Ketiga-tiga kaedah di atas adalah terhad kepada pengukuran indeksbiasan medium pada sinar nampak sahaja, dan hanya memerlukanpengamatan sinar cahaya oleh mata atau satu teleskop. Kertas inibertujuan membincangkan satu kaedah baru mengukur indeks biasancecair dan pepejal lut sinar. Kaedah ini boleh mengatasi dua kelemahanyang terdapat pada kaedah yang dibincangkan di atas. Kaedah bam iniberupaya mengukur indeks biasan dalam sela jarak gelombang dari UVhingga kepada jarak gelombang infra merah. Dalam kertas ini, untukmembincangkan kemampuan kaedah ini dalam menentukan nilai indeksbiasan cecair dan pepejal dielektrik lut sinar, hanya sinar cahaya nainpak(laser He e, 632.8 nm) digunakan.TEORI DAN KAEDAHUntuk membincangkan kaedah ini kita pertimbangkan satu alur lasermelalui satu sel cecair berbentuk segi empat seperti Rajah la. Tebal dindingsel dan medium cecair masing-masing ialah d[ dan d2 dengan indeks biasanmasing-masing n] dan n2. Bila arah alur laser bersudut 8 (dengan per-mukaan sel pada titik A, alur yang keluar pada titik B akan teranjaksebanyak o. Oleh itu untuk tiga medium yang dilalui oleh alur laser padaRajah la, anjakan yang terlibat boleh ditulis dalam sebutan 0] dan 02.Untuk sel cecair (Rajah la) anjakan alur laser 0 adalah berfungsi kepadaindeks biasan, nl,n2,nO dan 8 dan boleh ditulis sebagai (rujuk Rajah la),(1)0] dan 02 adalah anjakan yang berlaku selepas sinar melalui medium 1 danmedium 2. Dengan menggunakan hukum Snell (ni sin 8i = no sin 8),01 dan02 boleh ditulis sebagai berikut;0] = d1 [1 - no cos 8 I] sin 8(nf - n5 sin2 8)2s: d [1 no cos 8 ]. 8U2 = 2 - 1 Sin(n~ - n5 sin 8)2Dengan menggantikan 0] dan 02 kepada persamaan (1) anjakan alurlaser dapat ditulis sebagai berikut;68 Pertanika J. Sci. & Techno!. Vo!. 4 No.1, 1996Pengukuran Indeks Biasan Cecair dan Dielektrik Lut Sinar Menggunakan Kaedah Anjakan Alur Laser(a)eudarakaca---;;--~/B//(b)en,- - - - --- --- - -::~:::)--~Rajah 1. AnJakan alur laser melalui (a) sel cecair berbentuk empat segi dan(b) pepeJal lut sinaro(no,n l ,n2 ,8)=2dl [l- no cos 8 I]Sin8+d2 [1- nocos8 I] sin 8 (2)(ni - n5 sin2 8)'i (n~ - n5 sin 8)2Dari persamaan (2), ternyata dengan mengetahui nilai d[, d2 dan nl, jugadengan mengukur 8 pada sudut () tertentu yang dipilih, nilai indeks biasann2 dapat ditentukan. Untuk mengira nilai n[ dan d] (nilai indeks biasan selcecair dan tebal dinding sel cecair), ianya dilakukan dengan menulis satuparameter baru, b. yang boleh ditakrifkan sebagai berikut;Pertanika J. Sci. & Techno!. Vo!. 4 No. I, 1996 69W. Mahmood Mat Yunus dan Chang Feng Ling(3)dengan 8(no, nl, n2, 0) membawa maksud anjakan alur laser yang berlakupada ketika sel di isi dengan cecair dan 8(no, nl, no, 0) ialah anjakan alurlaser ketika sel kosong (sel tanpa sampel cecair) pada nilai sudut e yangsarna. Dengan memasukkan persamaan (2) kepada persamaan (3) kitaboleh tulis ungkapan indeks biasan n2 sebagai,[ {cos 0 }2] t .", = "<J 1+ (Sin 0 _ ~) SIn e (4)Perhatikan persamaan (4) tidak mengandungi sebutan parameter sel, nldan dl . Ini bererti dengan mengukur (b.jd2) pada satu sudut 0 tertentuyang dipiIih, kita dapat menentukan nilai indeks biasan n2 untuk cecairyang diisi ke dalam sel menggunakan persamaan (4). Kaedah ini sensitifhanya bila (b.j d2) berubah secara sensitif dengan perubahan (ndno) padasudut 0 yang dipilih. Rajah 2 menunjukkan pergantungan nilai (b.jd2)kepada (ndno) mengikut persamaan 4 untuk tiga nilai 0, iaitu 10°,20° dan30°.Untuk mengukur indeks biasan pepejal dielektrik Iut sinar dengankaedah ini kita pertimbangkan semula persamaan (3) dengan menulisparameter b. sebagai,II = 30'II =20'0.250.20N0.15~0.100.050.001.0 1.2 1.4ozln.II = 10'1.6 1.8Rajah 2. Contoh pergantungan nilai !l/ d2 kepaga nilai (n2/no) untuk tiganilai () J(f') 20° dan 30°70 Pertanika J. Sci. & Techno!. Vo!. 4 No. I, 1996Pengukuran Indeks Biasan Cecair dan Dielektrik Lut Sinar Menggunakan Kaedah Anjakan Alur Laser6. = 8(no, n2, e) - 8(no, n2, eo) (5)dengan eo membawa maksud alur laser pada sudut tuju normal (e = 0)kepada permukaan sampel dielektrik yang berkaitan. Dengan eara tukarganti serupa dengan kes sampel eeeair ternyata indeks biasan pepejal lutsinar juga boleh ditentukan dengan menggunakan rumusan yang samaseperti persamaan (4). Untuk kes ini, 6. = 8 (lihat Rajah lb).PENGVKVRAN DAN HASIL VJI KAJIRajah 3 menunjukkan susunan uji kaji yang diguna untuk mengukur indeksbiasan eeeair dan pepejal lut sinar. Ceeair dimasukkan ke dalam sel kaeaempat segi dengan ketebalan d2 = 10 mm dan bersaiz (7 em x 9 em). LaserBeNe,S mWatt (RS109P) tidak terkutub yang memancarkan sinar merahberjarak gelombang 632.8 nm dengan keluaran alur berprofil Gaussiandigunakan sebagai punca cahaya pada keadaan sudut tuju e denganpermukaan sel kaca. Penentuan profil Gaussian alur laser ditentukandengan kaedah "pinggir mata pisau" (Talib and Mahmood 1993). Pinggirpisau digerakkan secara mendatar merentasi alur dengan berkeadaan tegakkepada alur laser tersebut dengan langkau 0.1 mm. Keadaan ini dilakukandengan meletakkan pinggir pisau pada satu meja interferometer di mananilai anjakan mata pisau dilakukan dengan memutarkan skru mikrometerberkejituan ± 0.001 mm. Keamatan sinar selepas mengalami halanganmata pisau diukur dengan menggunakan pengesan fotadiod (RSjlOO mm2)1\"lcja 51lcktrontetcrLaserRajah 3. Susunan yJi kaji pengukuran indeks biasan menggunakan kaedah anjakan alur Gaussianlaser HeNePertanika J. Sci. & Techno!. Va!. 4 No. I, 1996 7IW. Mahmood Mat Yunus dan Chang Feng Lingatau pengesan fotoakustik-piezoelektrik (Mahmood dan Talib 1983).Untuk menggunakan persamaan (4) pengukuran keamatan sinar sebagaifungsi kepada jarak translasi pinggir pisau dilakukan pada satu sudut ()semasa sel berisi udara (kosong) dan sernasa sel berisi dengan cecair (sampe1cecair). Dalam kajian ini sampel cecair adalah terdiri daripada air sulingdan asiton, manakala sampel pepejal adalah kaca dan perspeks. Sampelasiton, kaca dan perspek adalah dari jenis gred komersial yang digunakanda1am makmal pengajaran.Sebelum uji kaji dilakukan ke atas sampel bentuk profil Gaussian, alurlaser sebelum dan selepas melalui sampel sel pada sebarang sudut disahkantidak mengalami perubahan bentuk. Untuk menentukan kaedah iniberupayaan digunakan untuk mengukur nilai indeks biasan, uji kajipertama dilakukan ke atas sampel air suling. Rajah 4 menunjukkan profilGaussian alur laser untuk air suling yang diperolehi dengan menggunakanpengesan fotodiod pada sudut tuju 10°. Analisis data Rajah 4 memberikannilai 6.. = 0.443 mm, dan n2 = 1.333. Nilai ini bersetuju dengan nilai yang1.0 ,------<--,,-.........--"""*--------,'0 0 .8-...."0 0.6.9"00....0.......... 0.4~ctl>-.!!!.0.20.00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5Jarak anjakan mata pisau, x(mm)Rajah 4. Profil Gaussian alur laser un/uk sampel air suling, A): Sel kosong, B):Sel berisi air sulingdilaporkan oleh Grange et at. (1976) dan Dobbins and Peck (1973) denganperbezaan kurang dari 0.1 %. Uji kaji seterusnya dilakukan ke atas sampelasiton, kaca dan perspek. Contoh profil Gaussian untuk sampel asitonditunjukkan pada Rajah 5, manakala nilai indeks biasan untuk sampel-sampel berkenaan disenaraikan dalam Jadual 1. Kesemua pengukurandalam uji kaji ini di1akukan pada suhu bilik (21°C) dan dilakukan padapelbagai sudut tuju bersesuaian dengan se1a jarak translasi mikrometermata pisau yang dibenarkan.72 Pertanika J. Sci. & Techno!. Vo!. 4 No. I, 1996Pengukuran Indeks Biasan Cecair dan Dielektrik Lut Sinar Menggunakan Kaedah Anjakan Alur Laser1.0 ft--/>.--(r..---0.8 -0---00 0.6 --00.....0-..... 0.4~co>-enIl0.205 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0Jarak anjakan mata pisau, x(mm)Rajah 5. Profil Gaussian alur laser untuk sampel asiton, A): Sel kosong, B): Sel berisi asitonJADUAL IBahanAir sulingAsitonKacaPerspeksIndeks Biasan1.333 ± 0.0011.332061.332131.331281.3331.341 ±0.0011.355631.3571.537 ± 0.00 I1.5171.5141.476±0.0011.483Suhu21 °21°21°25°20°21°25°25°21°21°Rujukannilai uji kaji iniDobbins and Peck (1973)Grange et al. (1976)Moreels et al. (1984)Hecth (1984)nilai uji kaji iniMoreels et al. 198Weast (1972-73)nilai uji kaji iniBorn and Wolf (1965)Crown glassWeast (1972 -73) A = 656 nmzinc crown glassnilai uji kaji iniCariou et al. (1986)Uenkins 1982; Mahmood and Azizan 1988; Mahmood 1989)PERBINCANGAN DAN KESIMPULANTelah diketahui umum bahawa indeks biasan berfungsi kepada ketumpa-tan (Jenkins 1982; Mahmood and Azizan 1988; Mahmood 1989), jarakgelombang dan suhu, t (Dobbins and Peck 1973; Grange et at. 1976;Pertanika J. Sci. & Techno!. Vo!. 4 No.1, 1996 73W. Mahmood Mat Yunus dan Chang Feng LingMahmood 1992). Perkaitan indeks biasan air suling dengan suhu padajarak gelombang 632.8 nm telah dirumuskan oleh Dobbins and Peck (1973)sebagain = 1.332156 - ((8.889(t - 20) + 0.1610(t - 20)2) x 10-5) (6)dan Grange et at. (1976) memberikann = 1.1457 + 0.1365 x 10-2T - 0.2486 X 10-5T 2 (7)(T ialah suhu mutlak, 275K :S T :s: 300K)Kedua persamaan tersebut bersetuju satu sarna lain. Oleh itu keduanyaboleh digunakan untuk membandingkan nilai uji kaji yang diukur padakeadaan suhu yang berbeza. Pada suhu 21 0 e, nilai n untuk air sulingmengikut persamaan (6) dan (7) adalah masing-masing 1.33206 dan1.33213. Kedua nilai ini bersetuju dengan nilai indeks biasan yang diukurdengan kaedah anjakan alur Gaussian laser yang telah digunakan(anggaran perbezaan ialah 0.1 %).Kejituan pengukuran dengan kaedah anjakan alur Gaussian dapatdikira dengan kaitan berikut berdasarkan rumusan (4)(8)Dengan mengambil e= 10°, 8. = 0.443 mm, n2 = 1.333 dan 8b. = 0.001mm, ketidakpastian n2 adalah ± 0.001.Dengan menggunakan kaedah anjakan alur Gaussian laser ini, indeksbiasan asiton, kaca dan perspek juga telah dinilai dengan cara yang sarnadan nilainya disenaraikan dalam Jadual 1. Merujuk kepada nilai indeksbiasan air suling dan kejituan pengukuran dalam uji kaji ini bererti kaedahini adalah satu kaedah mudah dan mampu untuk mengukur indeks biasancecair dan pepejal lut sinar. Kerana kaedah ini menggunakan prinsipanjakan alur laser yang diukur dengan pengesan optik, bererti kaedah inidapat digunakan untuk sinar laser IR dan juga sinar UV denganmenggunakan pengesan optik yang sensitif pada jarak gelombang yangberkaitan. Rajah 2 menjelaskan 8./d2 berubah dengan n2/no lebih sensitifpada eyang lebih besar dan ketidakpastian nilai n juga bergantung kepadanilai eyang dipilih. Secara praktis nilai eyang dipilih terhad kepada nilaijarak maksimum translasi mata pisau pada mikrometer.U ntuk meningkatkan keberkesanan dan kejituan pengukuran indeksbiasan menggunakan kaedah ini, adalah disyorkan agar gerakan matapisau dilakukan dengan kawalan berkomputer. Dengan kejituan 88. yanglebih baik dan nilai anjakan Gaussian beam, 8. ditentukan dari anjakan74 Pertanika J. Sci. & Techno!. Vol. 4 No.1, 1996Pengukuran Indeks Biasan Cecair dan Dielektrik Lut Sinar Menggunakan Kaedah Anjakan Alur Laserpaksi profil alur laser. Dalam hal ini paksi alur Gaussian dapat ditentukandengan cara penyesuaian data uji kaji dengan bentuk Gaussian dari teori(Fitting technique) (Talib and Mahmood 1993).PENGHARGAANPengarang mengucapkan setinggi penghargaan kepada pihak Universitidan Jabatan kerana bantuan kewangan dan segala kemudahan yangdisediakan.RUJUKANBASS, ].D. and D.]. WEIDNER. 1984. Method for measuring the refractive index oftransparent solids. Rev. Sci. Instrum 55: 1569-1573.BORN, M. and E. WOLF. 1965. Principles of Optics. 3rd edn. New York: Pergamon Press.CARIOU, ].M., ]. DUGAS, L. MARTIN and P. MICHEL. 1986. Refractive indexvariation with temperature of PMMA and polycarbonate. Appl. Opt. 25: 334-335.DOBBINS, H.M. and E.R. PECK. 1973. Change of refractive index of water as afunction of temperature. ]. Opt. Soc. Am. 63: 318-320.GRANGE, B.W., W.H. STEVENSON and R. VISKANTA. 1976. Refractive index ofliquid solution at low temperatures: An accurate measurement. Appl. Opt. 15: 858-859.HECTH, E. 1984. Optics. 2nd edn. California: Addison-Wesley.JENKI S, D.D. 1982. Refractive indices of solutions. Phys. Educ. 17: 82-83.KUHLER, K., E.L. DERENIAK and M. BUCHNAN. 1991. Measurement of the index ofrefraction of the plastic phenixy PKFE. Appl. Opt. 30: 1711-1714.LONGHURST, R.S. 1967. Geometrical and Physical Optics. New York: Wiley.MAHMOOD MAT YUNUS, W. 1989. Refractive index of dye solution. Appl. Opt. 28:4268-4269.MAHMOOD MAT YUNUS, W. 1992. Temperature dependence of fractive index andabsorption ofNaCI, MgCIz and Na2S04 solutions as major components in naturalseawater. Appl. Opt. 31: 2963-2964.MAHMOOD MAT YUNUS, W. and AZIZAN ABDUL RAHMAN. 1988. Refractive indexof solutions at high concentrations. Appl. Opt. 27: 3341-3343.MAHMOOD MAT Yu US, W. dan Z.A TALIB. 1993. Pengesan optik, piezoelektrik-fotoakustik. Pertanika ]. Sci. & Technol. 1: 43-50.MOREELS, E., C. DE GREET and R. FINSY. 1984. Laser light refractometer. Appl. Opt.23: 3010-3013.MURTY, M.V.R.K. and R.P. SHUKLA. 1979. Simple method for measuring therefractive index of liquid. Opt. Engin. 18: 177-180.SAINOV, S. and . DUSHKINA. 1990. Simple laser microrefractometer. Appl. Opt. 29:1406-1408.Pertanika J. Sci. & Technol. Vol. 4 No.1, 1996 75W. Mahmood Mat Yunus dan Chang Feng LingTALIB, Z.A. and W. MAHMOOD MAT YUNUS. 1993. Measuring Gaussian laser beamdiameter using piezoelectric detection. Meas. Sci. Technol. 4: 22-25.WEAST, R.C. 1972-73. Handbook of Chemistry and Physics. 53rd edn. New York: CRC.76 Pertanika J. Sci. & Techno!. Vo!. 4 No.1, 1996

Pengukuran Indeks Biasan Cecair dan Dielektrik Lut Sinar Menggunakan Kaedah Anjakan Alur Laser

http://psasir.upm.edu.my/3261/1/Pengukuran_Indeks_Biasan_Cecair_dan_Dielektrik_Lut.pdf

Pengukuran Indeks Biasan Cecair dan Dielektrik Lut Sinar Menggunakan Kaedah Anjakan Alur Laser

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Universiti Putra Malaysia Institutional Repository