CHAPTER 6 SPEKTROSKOPI OPTIK Metodespektroskopimembutuhkankecocokanantarasumbercahayadanperalatan spektrumdalammenganalisisradiasi,halinidapatdiaplikasikandalammenemukanstruktur tingkat energi secara umum pada rentang energi yang sesuai seperti UV, cahaya tampak, cahaya IR.Skematingkatenergiuntukatomdanionpadakeadaanmuatanyangberbedadapat ditemukandarianalisisspektraldiarepanjanggelombangyangberbeda,sebagaimana didiskusikanpadachapter2.Banyakgarisspektralyangditelitiadalahmonograpstandar. Struktur hyperfine dapat dipelajari dalam banyak kasus menggunakan instrumen denganresolusi tinggi.Penelitianpertamadaristrukturhyperfinemenggunakanoptikalspektradilakukanpada abad19olehA.Michelson(1891)danCh.FabrydanA.Perot(1897).Pembahasanstruktur sebelumnyadiajukanpadaakhirtahun1807-an.Metodeoptikdalammempelajaristruktur hyperfinesecarakhusussangatcocok,saatditemukannyaelectron-syangtidakberpasangan (strukturhyperfineyangluas).Sejumlahbesarintitelahdipelajaridenganmenganggapsebagai spinintidanmomenselamatahunan.Banyakisotopradioaktifyangjugadipelajari mengguanakansampelyangsangatkecil.Meskipunmetodeoptikalklasikmempunyaiakurasi yangrendahdibandingdenganmetoderesoansi(bagian7)atautekniklaser(bagian9),namun memilikiruangaplikasiyangluas.Sejumlahbesartingkateksitasidapatdipelajarimelewati strukturdarisebagianbesargarisyangdiapancarkanolehsumbercahaya.Strukturpadagaris spektral,menghubungkankeadaangroundedataukeadaanyangberadapadakelompokyang metastabildengantingkatyanglebihtinggi,keadaanumurpendek,yangjugamerupakansuatu hal bisa dipelajari melalui eksperimen absorpsi, yang mana absorpsi atomik telah di catat sebagai distribusi spektral kontinu. Teknik spektroskopi optik klasik akan di jelaskan lebih lanjut di [6.6-6.8] 6.1.Light Source Banyaktipesumbercahaya(lampu)dalampengembanganpenyelidikanspektroskopi atom. Jika radiasi dari sumber dianalisis langsung, dalam hal ini lampu, tentu saja, mengandung jenis atom yang berasal dari pemancaran spektral yang dipelajari. Begitu juga sumber cahaya di desainsebagaigarissumbercahaya.Jikasumbercahayadigunakanuntukeksitasiatomyang dipelajaridenganmetodespektroskopi,banyaksumbercahayayangmenghasilkanintensitas yang cukup terhadap panjang gelombang eksitasi yang digunakan; kejadian yang terjadi di waktu bersamaanantaragarisdarielemenyangberbeda,contohnya,jikadigunakanclose-lyingline dapatmenyebabkankebingungandalamanalisispektralyangsebelumnyaterdaftar [6.9]. Bagaimanapun, ketepatan waktu itu sangat jarang terjadi, dengan menganggap bahwa normalnya garistidakakanmelebihi0,001nm.Padaeksperimensebenarnya(ekperimenabsorpsi) ContinumLightSourceyangtidakmenghasilkanspekrumgarisyangterkarakteristik,dapat digunakan,dengantujuanbergunauntukeksitasi,kecualipitaabsorpsiyangditetapkan. Berlawanansekalideganketigagrupsumbercahaya,laser.Disini,intensitastiapinterval spektralbanyak digunakan pada magnitude yang tinggi dari pada yang ditemukan pada sumber cahaya.Kadang-kadanghanyatransisilaserpadafrequensilaseryangtepat [6.10],ataukejadian yang bersamaan dapat dipelajari. Bagaimanapun, laser yang sesuai sudah ada, sehingga membuat aplikasi yang umum untuk sifat yang unik dari laser mungkin dapat dilakukan pada spektroskopi. Laser akan didiskusikan pada chapter 8. 6.1.1 Line Light Sources Akurasidalampengukuranspektroskopiditentukanolehketajamangarisyangdiukur. catatan eksperimen mengenai lebar dari garis memiliki dua kontribusi: lebar utama (dari sumber) danlebarinstrumendariperalatanspektralyangdigunakan.Kitapadaawalnyamenganggap bahwafaktoryangberkontribusiuntuklebarutamaadalahsumbercahaya.Faktorluasanjuga relevanpadaekperimenabsorpsi.Kitasudahsepakatbahwalebarradiasialami(luasan homogen)ditingkatenergipadachapter4.Untukkebanyakansumbercahayalebarinicukup kecildibandingkandenganluasandoppler.Dikarenakanbermacam-macamkecepatandanarah daripergerakansebuahatomyangsedangdiselidiki,cahayadenganintervalfrekuensiyang spesifik dapat dipancarkan atau di serap. Seperti ilustrasi pada gambar 6.1. Luasandoppleradalahsebuahcontohdariluasanyangtidakhomogen,padaatomyang berbedaberkontribusipadabagianprofilgaris.cahayamemilikifrekuensiv0,dipancarkandari sumber yang sedang bergerak dengan kecepatan termal v, untuk dekat (v>0) atau jauh (v 10 -3 torr) dalam kisaran suhu di manakacaatauquaitzvesselsdapatdigunakan(dibawah1000C),lampudisegeldibawah vakumtinggisetelahsejumlahkecildariunsuryangtelahdibawakedalamnyadengan memanaskansegumpalmateriyangdisimpan.LampuakanditempatkandikumparanRFdi dalamoven,dandayaRFdaribiasanyal00Wditerapkan.Jenislampuyangseringdigunakan untuk atom alkali pada suhu rendah diperlukan dalam kasus ini, tekanan uap logam dapat diatur secaraakuratolehsirkulasiminyaksekitarjaridingindikotaklampu,yangdisimpanpada temperatur sedikit lebih tinggi. titik Terdinginpada kapal akan menentukan tekanan uap logam. Dilampuatomik,tembakanatomdirangsangdalamkumparanRF,dancahayayang dipancarkanpadasudutkananpadatembakanatomyangdikumpulkan.Dengancaraini pelebarandopplerdarigarisemisiakanjauhberkurang.Prinsipyangsamauntukpengurangan lebar garis digunakan dalam pengukuran penyerapan, di mana penyerapan dari distribusi panjang gelombangterusmenerusolehatomdirekampadasudutkananpadatembakkanatomyang dikumpulkan.Lebardoppleryangdihasilkanketikaatomdenganarahyangdiinginkangerak yangdigunakandapathitungdengancarayangsamasepertiuntukkasusdenganarahgerak merata. Pada kasus prakti, lebar garis lebih dari puluhan MHz diperoleh dalam penyerapan optik pada pengukuran tembakan atom, dengan kecepatan termal (beberapa ratus m/s) [6.17-6.23]. Berikut sinardarilaserdayatinggidifokuskankeposisikecildipermukaandarisubstratlogam. BiasanyaNd:LaserKaca(bagian8)digunakandenganenergipulsasekitar10Jdanpanjang pulsa beberapa ns. Suhu plasma setinggi 10 6 -10 7 K diperoleh. Ionisasi terjadi sangat cepat dan padakeadaanionisasirendahtidakpunyawaktuuntukmemancarkan.Keadaanmaksimum ionisasi (hingga 60 elektron dihapus) dapat bervariasi dengan mengubah energi pulsa dan fokus. Lasermenghasilkanspektrumplasmalebihmudahuntukditerimadaripadaspektrumdari percikanspark,dimanasejumlahbesartahapionisasisecarabersamaanmenghasilkangaris spektrum.Khususnya,jikabahantargetdenganZyangtinggimenggunakansinar-xkontinu yangkuatjugaakandiperoleh.Radiasiinisebandingdenganyangdihasilkanolehelektron sinkotron(bagian6.1.3).Radiasigelombangpendektersebutsangatbergunabaikuntuk penyelidikanspektroskopidanaplikasiteknissepertimikroskopsinar-Xsehubungandengan sirkuit semikonduktor (lihat bagian 5.1.3 dan 9.6.4). Dalam penelitian fusi laser, tembakan daya tinggi yang dibuat untuk menabrak target kecil deuteriumdantritium [6.24].Halinijugamemungkinkanuntukmempelajariterionisasisangat tinggidarispektrumgeneratorplasmalainyangdigunakandalampenelitianfusi,sepertimesin tokamak, Sebuah sumber cahaya plasma yang lebih kecil adalah pinch theta, di mana pulsa arus kuatdalammemaksasatuputarankoildankontakpadaplasma.Analisaspektraldaricahaya plasma berfungsi penting sebagai alat diagnostik dalam mesin penelitian fusi [6.25]. Akhirnya,sumbersinardanaplikasiakandijelaskan.Teknikinidiperkenalkanpada tahun 1963 oleh Bashkin dan Kay [6.26; 6.27]. Prinsip-prinsip spektroskopi sinar diilustrasikan pada gambar6.3,Iondarielemenyangakanditelitidiproduksidarienergiyangterdefinisidengan baik(kecepatan)dalamakseleratorion.Ion-ion(dengankecepatankhas106m/s)melewati50 nm foil karbon tebal, di mana eksitasi sangat mendadak terjadi (waktu bagian adalah ~ 10-14 s). perbedaaniondibentukdenganpaksa.Sebuahelektronjugadapatdiambildanatomnetral kemudiandibentuk.Keadaantereksitasiakanmeluruhsetelahmelewatifoildanspektrumyang sesuaidapatdirekamdenganspektrometer.Karenahamburanlateraltertentudalamfoildan karenasudutyangsolidterbatasmakaharusdigunakanuntukmendeteksifoton,pelebaran doppleruntukpartikelcepatakanbesar,biasanyabeberapa0,1nm.Lebargarisbagaimanapun dapatdikurangidenganmenggunakanteknikpencitraankhusus(refocusing) [6.28].Sebuahsinar spektrum khas ditunjukkan pada gambar 6.4. Karenakecepatanpartikeldiketahui,skalawaktuyangditentukandiperolehsetelahfoil danpeluruhandapatdiamatisecaralangsung.Sepertipengukuranfoilbiasanyayaitubergerak maju-mundursementarasistemdeteksitetap,kehilanganenergitertentudankecepatan penyebaran(terurai)diperolehsebagaiionmelewatifoildanefekkecilbisadipelajarijika kecepatananalisaelektrostatikditempatkansetelahfoil,sepertidiilustrasikanpadagambar. waktu hidup dari keadaan tereksitasiatom dan ion dapat dengan mudahdiukur dengan metode sinar-foil.Sejakproseseksitasiinitidakselektif,kurvapeluruhanharushati-hatidianalisis sehinggapeluruhandarikeadaanyanglebihtinggidapatdiidentifikasidandiperbaikiuntuk [6.30;6.31]. Pengukuran umur hidup menggunakan teknik sinar-foil yang diilustrasikan pada gambar 6.5.Metodetembakanfoilmenghasilkankekuatansinyalrendah,karenakepadatanpartikel dalamberkasbiasanya105 ion/cm2.Ionakseleratordalamrentangenergiyangberbedadapat digunakan:daripemisahmassamenghasilkan100KeVenergiuntukakseleratorberat menghasilkanenergipartikelhingga300GeV.Atomterionisasi90kalitelahdiamati.Dalam rangkauntukmenentukanbarismilikkeadaanionisasitertentu,medanlistrikyangkuatdapat diterapkanuntukmengalihkanbaloksesuaidenganbagianyangbertanggungjawabatasberkas ion konstituen. Sebagaiakibatdarieksitasifoilsecaratiba-tiba,atomdanionbisadiarahkanpada keadaan kuantum mekanikyang merupakan superposisi koheren eigenstates. Dengan "koheren" maksudkitadalamkonteksinibahwahubunganyangterdefinisiadaantarafaktorfase eigenstatesyangberbeda.Jikasub-levelstidaksamanamuntingkattertentumembawa "keselarasan",beberapakomponendaricahayayangmeluruh,secaratiba-tibakeadaandimodulasipadafrekuensiyangsesuaidenganpembagianenergiantarasub-states.keselarasan dapat diperoleh dalam proses eksitasi beam foil, terutama jika simetri rusak dengan memiringkan foilberhubungandengansinarion [6.33].Halinidisebutspektroskopikuantum-beat,yang diperlakukansecarateoritisuntukkasustembakan-foilpada [6.34],sangatbergunauntuk mengukurgarisdanpemisahanstrukturhyperfine.Teknikinidiilustrasikanpadapenemuan strukturyangbagusdari4Hepadagambar6.6.Sebuahcontohstrukturkuantumhyperfine diberikan pada gambar 6.7. Kami akan kembali ke eksperimen quantum-beat pada bagian 9.4.5, di mana kasus yang lebih baik didefinisikan optik (laser) eksitasi dibahas. Sebagaimana telah kita lihat, sumber sinar-foil menawarkan banyak kemungkinan untuk studispektrum,dayatahandantingkatpemisahan,dandatayangekstensiftelahdikumpulkan selama30tahun [6.37-6.41]lalu.Ulasankomprehensifbidangspektroskopisinar-foiltelahditulis [6.42-6.48]. 6.1.2 Continum Light SourceBlack-bodyemitteradalahjenisyangpalingsederhanadarisumbercahayakontinum. Radiasi dari pita tungsten dipanaskan pendekatan bahwa dari emitter Planck. Namun, untuk suhu tertentuhanyasekitar30%daridayayangdipancarkanolehbagianyangbenar-benarhitam diperoleh(emisivitas:30%).Suhutertinggidicapaidengancarainiadalah3400K.Biasanya, suhu yang bekerja untuk lampu tungsten adalah sekitar 2900 K. Lampu seperti ini berguna dalam panjanggelombang320nmwilayah2.5m.DiagramradiasiPlanckuntuksuhukarakteristik tertentuditunjukkanpadagambar6.8,yangjugamenggambarkanperpindahandaripanjang gelombangemisimaksimumterhadappanjanggelombangyanglebihpendekdengan meningkatnyasuhu(hukumperpindahanWien:maxT-1).UntukwilayahIRyangdisebut pandanganmarahNernstyangseringdigunakan.Initerdiridaribatangpemanasdaridisinter cerium dan zirkonium oksida (1500-2000 K). DalamUVdandaerahlampumemanfaatkandebitgasyangseringdigunakan.Dalam lampudeuteriumpadatekananbeberapapuluhanTorrs,garisspektrumyangdiperluasuntuk spektrumkontinusepertihanyapuncaktertentuyangtersisa.Wilayahpraktisdigunakanadalah 180-380nm.Lampudengantekananyanglebihtinggijugadapatdigunakan.Dalamxenondan mercurylamputekananpuluhanatmosferyangseringdigunakan.Distribusispektralbeberapa lampuisiangasdisajikanpadagambar6.9.Meskipundayaoutputtotaldarisumberkontinum semacaminibisasangattinggi(>IKW),kekuatandalamsuatuwilayahsesuaidengangaris serapan atom individu (0.001-0.005 nm) selalu kecil. 6.1.3 Radiasi Sinkrotron Selamabeberapatahunterakhirelektronsynchrotronstelahseringdigunakansebagai sumberradiasikontinum.aslinya,radiasiyangdiperoleh"secaraparasit"darimesinyang dibangun untuk percobaan fisika nuklir. Akhir-akhir ini, banyak mesin yang didedikasikan untuk beberapacahayatelahdibangun.Karenapercepatansentrifugalyangkuat(~1016guntuk elektrondengankecepatandekatdengancdalamorbitdariradius1m),elektronakan memancarkan radiasi. Pada kecepatan rendah pola emisi adalah distribusi normal 6 dipol dengan jari-jari orbit sebagaisumbu simeteri (gambar 6.10). Karena efek relativistik karakteristik emisi akan sangat memuncak dalam sesaat arah penyebaran dari berkecepatan tinggi elektron [6.49; 6.50]. Sudut pembukaan emisi kerucut berbanding terbalik dengan energi elektron. Cahaya terpolarisasi linier. Total daya meningkatkan radiasi sinkrotron sebagai kekuatan keempat elektron energi E.| || | | | ( )| |488.5 I mA EGeVP WRm= (6.10) dimanaIadalaharustembakanelektrondanRadalahjari-jariorbitelektron.Secaraklasik frekuensiradiasiyangdipancarkanolehedaranelektronakanmenjadikebalikandariperiode revolusidanbiasanyabesarnya10MHz.Namun,karenaefekrelativistikterhadaptingkatan sangat tinggi maka dipancarkan pada kekuatan tinggi. Karena waktuyang singkat untuk radiasi pinggirandarielektronindividuakanmenyapudetektordanfluktuasienergidanposisiorbit, distribusifrekuensidiolesikeluarkekontinumyangmeluaspadapanjanggelombangyang sangatpendek.Sebuahsumberradiasisinkrotronbiasanyadiklasifikasikanolehpanjang gelombang () karakteristiknya. | || | ( )35.6cRmEGeV( = ( A(6.11) Distribusiintensitasmaksimumcukupdekatdenganc.Panjanggelombangkarakteristikyang khas,makinbesarsekitar1nm.Halinidimungkinkanuntukmengungkapkandistribusisetiap radiasielektronsinkrotrondalamsatuanintensitasnormalmenggunakanpanjanggelombang karakteristiksebagaiunitpanjanggelombang.Fungsiuniversaldistribusiditunjukkanpada gambar6.11.Agarmencapaiintensitasradiasiyangtinggicincinpenyimpananelektrondigunakan.Tataletakcincinsepertiditunjukkanpadagambar6.12.Dalamcincinini,dipompa oleh(diisidari)akseleratorelektron,arusyangkeluarsebesar1A.Menggunakanmedan frekuensiradiodenganenergiyangcukupdikirimkankeelektronuntukmengkompensasi kehilanganradiasi.(perbandingandenganmodelatomBohr).Dicincinelektrontersebutdiatur dalamsirkulasitandan.Dengandemikianemisisepertiyangterlihatolehpenggunayang ditempatkantangensialkeorbitakanberdenyutdenganlebarpulsadiwilayahsub-nanosecond dantingkatpengulanganurutanMHzkeGHz.Jadipercobaanwaktuyangdiselesaikandapat ditunjukkandi [6.51;6.52].Datauntuksejumlahfasilitasproduksiradiasisinkrotrondiberikan dalam tabel 6.1. Dengan ukuran synchrotronsyang memungkinkan intensitas per lebar Doppler yangdicapaisebandingdenganyangdiperolehdarisumbercahayahalusefisien.Namun, intensitas meningkat terhadap UV ekstrim (XUV) dan wilayah sinar-x, di mana tidak ada sumber cahaya kontinum yang sebanding. Kinerjasyncrotronsdancincinpenyimpanandapatlebihditingkatkandengan menggunakanwigglersatauundulators [6.53].Padabentukjenissistemangkalokal,belokan tajamdalamtembakanelektronyangdibuatmenggunakanmagnetyangkuat.Dengancaraini emisilokalpanjanggelombangpendekmasihdapatdiperoleh,lihat(6.11).Sebuahmodulator struktur berkala magnet pada bagian yang lurus dari jalur elektron antara magnet bengkok besar padamesin,dimanaelektronyangbolak-balikmenghasilkanradiasiyangsangatkuatpada panjanggelombangyangsempit(pitafundamentaldanbandnadatinggi)dandalamarahyang jelas. Dengan memperkenalkan tindakan cermin laser yang cocok dapat dicapai dalam apa yang disebut Free-Electron Laser (FEL) [6.54-6.62]. Radiasi merdu dengan kekuatan sangat tinggi pada akhirnya menjadi layak. BeberapaFELsekarangberoperasimemproduksiradiasiyangsesuaisebagianbesar meliputiIR,wilayahspektral.OperasiFELdidaerahtampakdanUVjugatelahdibuktikandi beberapa fasilitas. Generasi cahaya koheren dari undulator mungkin tanpa memakai cermin laser diprosesklystron [6.63].Dalamundulatorsyangsangatpanjangdengankualitaselektron-beam sangattinggiSASE(Self-AmplifiedSpontanEnussion)-OperasiFELharuslahmungkin [6.64], perangkat tersebut, kini dibangun, misalnya, di DESY (Hamburg),yang memiliki potensi untuk menghasilkanradiasikoherenultra-intensturunkekisaran10nmdanmungkinlebihrendah. The Inverse Laser Free-elektron (IFEL)aksi [6.65] dapat digunakan untukmempercepat elektron menggunakan sinar laser intens. Radiasi Synchrotron memiliki banyakaplikasi dalam sejumlah besar ilmiah dan industri bidang:fisika,kimia,biologi,kedokterandanelektronik.Berkenaandenganspektroskopiatom danmolekul,radiasisinkrotroniniterutamaberlakuuntuksinar-xdanstudifotoelektron.Di sebagian besar percobaan itu perlu untuk memiliki foton monochxomatized, yang dapat diperoleh denganmenggunakanmonokromatoryangdirancangkhususmampumenanganiradiasi. Pengaturan untuk studi ESCA (bagian 5.2) dengan menggunakan radiasi sinkrotron ditunjukkan pada gambar6.13. Daerah lain yang penting di mana radiasi sinkrotron dapat diterapkan adalah EXAFS (Spektroskopi Penyerapan sinar-X Struktur Halus Extended, bagian 5.1.2). Spektrum A dapatdirekamdalambiasanya1/1000waktuyangdibutuhkanketikasumbersinar-X konvensional digunakan, radiasi Synclirotron dan aplikasinya telah dibahas dalam [6.67-6.72]. 6.1.4 Sumber Radiasi Alami Sehubungandengansumbercahayakontinumkitajugaakanmempertimbangkan beberapasumberradiasialami.Mataharijelasmerupakansumberradiasiyangpalingkuatdan, terlepasdarisejumlahbesarpenyerapandanemisigaris,padadasarnyahalitumemancarkan seperti sumber radiasi Planck pada suhu 6000 K (gambar 6.14). Bulan memperlihatkan distribusi yangsama,meskipunsekitar106kalilebihlemah.Langityangcerahjugamenghasilkan distribusikontinumseperti(gambar6.15).Distribusidarimataharimeningkatmenujuwilayah biru karena ketergantungan panjang gelombang yang kuat dari hamburan Rayleigh. Selanjutnya, padaumumnyaradiasi~300KdiwilayahIRkarenaemisipanasatmosfer.Distribusispektral langitmalamditentukanolehbintang-bintangyangtersebar,sepertigalaksidancahayazodiak (gambar 6.16). 6.2 Instrumen Resolusi Spektral Instrumenresolusispektraldariberbagaijenisyangdigunakanuntukmenyelesaikan komponenpanjanggelombangcahayayangberbeda.Faktor-faktorpentinguntukperangkat tersebut penyelesaian daya dan transmisi cahaya. Penyelesaian daya R didefinisikan oleh R o(6.12) dimana adalahlebargarisyangdihasilkandarialatspektralsaatmenggunakancahaya monokromatikdenganpanjanggelombang.Kitaakanmenjelaskanempatjenisinstrumen: prismadankisi-kisiinstrumen,interferometerFabry-Perotdanspektrometer.Instrumen spektroskopi telah dibahas dalam [6.6;6.7;6.75]. 6.2.1 Spektrometer Prisma Nama-nama seperti spektrometer, spektroskop, spektrograf atau monokromator digunakan untukdasarnyauntukjenisinstrumenyangsama,yangditerapkandengancarayangberbeda. Prinsipspektrografprismayangdiilustrasikanpadagambar6.17.PenyelesaiandayaR ditentukan oleh dispersi, dn/d, dan panjang prisma dasar b dnR bdo = = (6.13) Jikaprismayangterbuatdaribatukaca(dn/d=1200cm-1 pada~500nm)danmemiliki panjang dasar 5 cm, maka penyelesaian daya R akan bernilai 6000. Untuk alasan praktis ukuran prismaharusakandibatasidandengandemikianjenisspektrografiniakandiperlukanresolusi yang relatif rendah.Batas lebar celahyang digunakan jelas akan mengurangiteori penyelesaian dayayangdiberikandiatas.Karenadispersiprismameningkatterhadappanjanggelombang yanglebihpendek,resolusidiperolehpadainstrumenprismaakanbervariasiterhadappanjang gelombang.Padagambar6.18dispersibahanprismayangberbedaakanditampilkan.Gambar 6.19menampilkanlebarcelahyangdiperlukanuntukmencapaipita1nmpadaspektrometer prisma khas. InstrumenkomersialyangseringdigunakandengansebutangunungLittrow.Berikut prismaLittrowdengansudut30dansatupermukaanperak,sepertiditunjukkanpadagambar 6.20,digunakanuntukmeningkatkandispersi.Pengaturandenganlensaataucermindapat digunakanuntukpengumpulancahayayangmasukkeprismadanuntukmemfokuskanbalok dibiaskan terhadap pelat fotografi atau celah keluar. Prismadariberbagaijenisdapatdigunakanuntukmembelokkanataumenyimpang seberkas cahaya. Mereka dapat membalikkan atau memutar gambar dan mereka dapat digunakan untuk pemisahan keadaan yang berbeda dari polarisasi. Beberapa prisma yang sering digunakan dalam sistem optik dan spektroskopi akan dibahas di sini. Ilustrasi ditemukan pada gambar 6.21. Sebuahprismasudutkananmenggunakanrefleksiinternaltotaldarikemiringan simpanganyangtidakdilapisibeamsebesar90,jikagambartegaklurusterhadapsalahsatu permukaan pintu masuk. Jenis prisma ini sangat berguna untuk penyimpangan daya tinggi sinar laser. PadabagianAmici(atap)prisma,sisimiringdalamprismasudutkanandigantikanoleh duapermukaanreflektorinternalyangberorientasipada90satusamalain.Prismainijuga mengalihkan sinar sebesar 90 tetapi pada saat yang sama berputar gambar dengan 180. Prisma Penta-mengalihkansinaryangmasuksebesar90terlepasdariinsidensudutdantidak membalikkan atau membalikkan gambar. Prisma ini tidak beroperasi pada refleksi internal total tetapi membutuhkan lapisan cermin di dua permukaan. . PrismaPellin-Brocajugamembelokkansinarsekitar90tetapiitumerupakanprisma dispersif,seringdigunakanuntuksinarlaserwarnaterpisahyangberbedasetelahkonversi frekuensinonlinear(bagian8.6).DenganmenggabungkanempatprismaPellin-Broca, pemisahan balok dengan arah dipertahankan propagasi dapat dicapai.Pada sudut pandang lurus warna prisma tersebar di depan arah yang di capai. prisma dove juga mengirimkan cahaya dalam arahmajutapitanpadispersi.Prismainimemilikisifatpentingdarimemutargambar(duakali tingkatangularprisma).Sebuahprismakubusdengantotaltigawajahpantulaninternal orthogonal,bertindaksebagaireflektor.Sebuahsinarakanmemasukisudutkubus,setelah3 refleksi, kemudian akan dikirim dalam arah yang berlawanan terlepas dari sudut insiden. Seiring, reflektorsudutkubusterbuatdari3cerminpertama-permukaanbukandarikacapadatatau kuarsa. 6.2.2 Spektrometer Grating Sebuahkisirefleksidigunakanuntukpemisahanspektraldalamspektrometerkisi. Susunan dasar ditunjukkan pada gambar 6.22. Interferensi konstruktif diperoleh ketika perbedaan optikadalahangkainteger(m)panjanggelombanguntukdifraksidijaluryangberdekatan, seperti yang diungkapkan oleh persamaan kisi (sin sin ) m d o | = + (6.14) Berikutdadalahpemisahangarisdandansudutinsidendanrefleksi,masing-masing. penyelesaikan daya R dari kisi-kisi ditentukan oleh jumlah baris terang N dan urutan difraksi m, yaitu. R Nmo= = (6.15) Jadi10cmkisidengan3000garis/cmmemilikidayapenyelesaian30000diurutan pertama. Kisi-kisi pertama kali dibuat olehJ. Praunhofer pada tahun 1823. Biasanya, kisiyang diperintahdilapisanpermukaanaluminiumpadasubstratdenganmenggunakanujungberlian. Peran ini dilakukan oleh mesin dengan presisi tinggi, yang secara interferometri terkendali. Kisi-kisi replika yangdipasarkan,diproduksi oleh produser. Selama beberapa tahun terakhir kisi-kisi hologram telah banyak digunakan. Kisi-kisi ini diproduksi dengan merekam pinggiran gangguan dariduasinarlaseryangbersebrangan.SebuahlaserAr+yangbekerjapadaphotoresistdapat digunakan dengankerapatan hingga 6000 garis/mm dapat dicapai. Intensitas yang dibiaskan pada panjang gelombang tertentu tergantung pada bentuk garis. Kisi-kisiyangdibuatdengansudut"api"tertentu,dipilihsesuaidengandaerahpanjang gelombang yang akan enlianced melalui tindakan reflektif (gambar6.23). Efesiensi dari kisi-kisi yangbisasampai70%padasudutapiuntukurutantertentu.Baru-baruini,jugatelahmenjadi mungkinuntukmenghasilkankisi-kisidengankobaranapidenganprosesholografik. Berdasarkanperintahmekanismekisi-kisiyangdisebutgarisbayangandapatmunculkarena kesalahanberkaladarimekanikmesin.garistersebuttidakdihasilkandarikisi-kisihologram, yangjugamemilikitingkatyanglebihrendahdaricahayatersebar(cahayaliar).Sedangkan urutandifraksipertamabiasanyadigunakandalamspektrometerkecil,urutandifraksitinggi sering digunakan dalam instrumen penelitian besar. Salah satu kelemahan dari spektrometer kisi-kisiadalahbahwauntukkisitertentupengaturanserangkaianpanjanggelombang( )0 0 0, 2, 3,......., dst adalah difraksi dalam arah yang sama (perintah tumpang tindih). Masalahnyabisadihilangkandenganmenggunakanfilterataupre-monochromator dengan resolusi sangat tinggi, tetapi juga banyak urutanyang tumpang tindih, diperoleh dengan kisi echelle (gambar 6.24). Kisi-kisi tersebut beroperasi pada suatu sudut tinggi. Kisi-kisi Echelle memilikibeberapabarisrelatif/mmtetapiberoperasipadaurutandifraksiyangsangattinggi. Penyelesaiandayapendekatan106 dapatdicapaidenganinstrumenkisi.Karakteristikkisi dibahas dalam [6.77]. Spektrometerkisisecaraumum,dilengkapidengancerminsebagaipenggantilensa. Beberapapengaturanbiasaditunjukkanpadagambar6.25.Instrumenuntukdaerahtampak seringmemanfaatkanpengaturanEbertatauCzerny-Turner.SebuahkisipadagunungLittrowseringdigunakanuntuktuningwarnapulsalaser(bagian8.5.1).Denganmenggunakankisi cekungyangmerupakankebutuhancollimatingdanfokuscermindihilangkan,yangsangat berhargadidaerahVUV(ultravioletvacum)danXUV(UVekstrim),dimanacermin konvensional tidak efektif. Pengaturan udara menggunakan lingkaran Rowland sering digunakan. Celah masuk, kisi-kisidangambarspektralsemuapadalingkaranyangmemilikidiametersamadenganjari-jari kelengkungankisicekung.Untukpanjanggelombangyangsangatpendekyangdiperoleh spektrum dari atom yang sangat terionisasi atau spektrum sinar-x, sudut datang digunakan untuk meminimalkan kerugian penyerapan dalam kisi-kisi. Sinar yang meninggalkan monokromator selalu mengandung sejumlah kecil radiasi pada panjang gelombang lain dari yang dipilih. Cahaya liar ini disebabkan refleksi dan hamburan dari berbagaibelahanmonokromator.Jumlahcahayaliarbanyakdikurangimenggunakansebuah monokromator ganda yang terdiri dari dua monokromator tunggal yang terhubung hanya melalui perantara umum (keluar/masuk) celah. 6.2.3 Interferometer Fabry-Perot InterferometerFabry-PerotdiperkenalkanolehC.FabrydanA.Perotpadatahun1896. Interferometer ini terdiri dari dua cermin datar yang terhubung paralel dengan reflektifitas tinggi danpenyerapanyangrendah.Cahayaakanmasukpadainterferometersertamenjalanirefleksi gandadiantaracermindimanabagiandaricahayaditransmisikan(gambar6.26).Komponen yangberbedadaricahayaakanditransmisikandenganpengganggutakterhingga,tetapipola interferensi dapat dicitrakan pada layar menggunakan lensa. Menurut prinsip Fermat fase relatif dari sinaryang berbeda tidak akan diubah oleh perjalanan mereka melalui lensa. Untuk analisis kami memperkenalkan simbol berikut yang berkaitan dengan intensitas cahaya:TheFourierTransformSpectometer(FTS)merupakaninterferometerdengan2 tembakan, yang merupakan tipe michelson. R : refleksivitas lapisan cermin; T : transmisi lapisan cermin; A : serapan lapisan cermin. Dengan hubungan, 1 R T A + + = (6.16) Dengan amplitudo yang bersesuaian nilainya dengan r, t, dan a seperti berikut; 222r Rt Ta A ==`=)(6.17) Selanjutnyaakandikenalkan:l:jarakantarlayer;n:indeksbiasantarlayer;:sudutdatang cahaya,f:fokuslensa,:panjanggelombangyangberasaldaricahayamonokromatik,: pergeseran fase antara dua sinar yang muncul, dan s,S: amplitudo. Pertama kita akan menghitung bagian perbedan optik (perlambatan) antara dua cahaya berturut menggunakan gambar 6.27, yaitu 2 cos nl u A = (6.18) Dibutuhkan interferensi konstruktif mf A = (6.19) Dimanamadalahnilaiinteger(m104).Semuasinaryangdatangpadapermukaanyang mengumpulituadalahsama.Selanjutnyakitamemperolehsistemcincinpadalayar.Jari-jari cincindisimbolkandengan.Untuksudutyangkecilkitaasumsikan 2cos 1 2 u u = dan f u = , lalu kedua persamaan (6.18) dan (6.19) di hasilkan ( )2 22 1 2 m nl f = dan ( ) 2 f nl m nl = (6.20) Dengan demikian, untuk kasus ketika interferensi konstruktif terjadi padasumbu simetri (akar kuadrat adalah nol untuk 0m m = ), cincin dengan 0 01, 2 m m m = , akan memiliki jari-jari sebanding dengan 1, 2, 3, dll. Sekarang kita akan mempelajari distribusi intensitas lebih terinci. Menggunakangambar6.26 kita menemukan bahwa total amplitudo yang ditransmisikan S untuk kasus a = 0, misalkan t2 = 1 r2, akan memberikan deret geometri ( )( )32 2 4 2 6 3211 ...1i i iis rS st r e r e r er e| | ||= + + + + =(6.21) Dimana pergeseran fase adalah 2 2 vc| t tA A= = (6.22) Menggunakan amplitudo S kita temukan intensitas yang bersesuaianyakni I ( )( )22 222 411i is rI Sr e e r| | = = + + Tetapi ( )cos 1 2sin22i ie e| |+= = dengan s2 =I0kita peroleh ( )( )1220241 sin21rI Ir|| | | = + |\ . Akhirnya, serapan pada lapisan kita peroleh ( )( )12220 2241 sin211T rI IRr|| || | |= + | | \ .\ .(6.23) Ini disebut distribusi Airy, dan diilustrasikan pada gambar 6.28. dengan maksimum intensitas 2max 01TI IR| |= |\ .(624) diperoleh = 0, 2, , saat intensitas minimum 2min 01TI IR| |= |+\ .(6.25) diperoleh = , 3, , dst. Pemisahan ini disebut dengan daerah spktral bebas, pada satuan frekuensi diperoleh 2 cos 2fsrc c cvl l t u tA = = =A(6.26) Lebar setegah puncak transimisi1c RvRot =A (for large value of R)(6.27) Rasio antara 2 nilai ini disebut dengan finesse N dan diperoleh hanya dari refleksivitas R lapisan 1fsrvRNv RtoA= =(6.28) Resolusi dari interferometer fabryperot adalah 2fsrfsrvv v lR v NRv v v c to o oA= = = =A(6.29) Variabel pada fungsi Airy adalah 2 cos2l t u| t= (6.30) Dengan demikian, dengan diberikan panjang gelombang kita dapat menjalankan melalui kurva transmisi pada gambar 6.28 dengan memvariasikan , n atau l. Dalam rekaman fotografi sistem cincin dicatat sebagai fungsi Untuk rekaman fotolistrik =0dipilihdenganmenempatkanlubangkecilpadasumbusimetri,danintensitaspadapusat dicatatdengantabungphotomultiplier.Sekarangbaiklataunberubah.Interferometerfabry-perotbiasanyaterdiridariduasubstratkuarsadatardengancoatingreflektifdansubstratyang tepatdipisahkanolehspacerinvar,nkemudiandapatbervariasidenganmengubahtekanangas disusunanFabry-Perot(scanningtekanan).Atau,jarakdapatbervariasidenganmenggunakan kristal piezoelektrik di puncak dari salah satu alas. Sebagai contoh, kami akan mempertimbangkan interferometer fabry-perot yang memiliki pemisahancermin1cm(udara).Lapisanmemilikireflektifitasdari98%.Kitakemudian memiliki2 15fsrv C l GHz A = = , N 150 dan v = 100 MHz. Jika interferometer yang digunakan pada 500nm 6 x 1014 Hz kemudian R = 6 x 105. Jelas, untuk interferometer seperti lebar garis spektral dari sumber cahaya merupakan faktor pembatas. Karenaketidaksempurnaankecildanukuranterbatasdarilingkaranaperturesecara praktisdapatdicapaidenganseringberkurangresolusi.Karenaresolusitinggiinterferometer fabry-perottelahbanyakdigunakanuntukmengukurstrukturhyperfinedanpergeseranisotop. Garisspektrummenarikdipiliholehmonokromatorataufiltergangguan.Pertama,berbagai spektrum bebas dari lebar yang cukup untuk mengakomodasikan semua komponen spektral garis dipilih untuk memungkinkan urutan yang benar dari komponen yang akan ditentukan. Kemudian lempengbergerakterpisahlebihjauh,sehinggaresolusimeningkattetapijugaterjaditumpang tindih. SemuakomponenhyperfinememilikifungsiAirysendiri,yangdialihkandengan menghormatisatusamalain.Polafabry-perotberulangdenganperioderentangspektralbebas, yangdigunakanuntukkalibrasifrekuensi.Contohdarirekamanfabry-perotdiilustrasikanpada gambar 6.29. Interferometer fabry perot dibahas dalam [6.79]. Interferometerdengancerminbulatjugadapatdigunakan.Sebuahpengaturanyang seringdigunakandigunakandalaminterferometerconfocal,dimanapemisahancerminlsama denganrjari-jaricermin(gambar6.30).Penamaaninterferometerinimerupakanfaktabahwa fokuspanjang/cermindariradiusr,f=r/2.Dalaminterferometerconfocaldimanacahayasaling bersaing dalam melewati antar cermin secara ganda sebelum sinar primer dan tembakan menyatu di cermin kedua dan dapat terganggu. Karenainisesuaidenganinterferometerplanardenganduakalipemisahancermindengan kisaran spektral bebas untuk interferometer confocal diberikan oleh 4fsrcvl tA = (6.31) Interferometer ini kasus khusus dari interferometermulti-pass, di mana N ganda lewat di antara cermin terjadi sebelum gangguan. Untuk interferometer seperti yang kita miliki 2fsrcvN l tA =(6.32) Hal ini dapat menunjukkan bahwa jari-jari cermin dan pemisahan cermin harus memenuhi relasi ( ) ( )21 cos lNtI = (6.33) UntukN=2kitamemilikikasuskhususdariinterferometerconfocal.Sebagaicontoh, kita bisa memilih interferometer multi-pass dengan pemisahan cermin 0.75 m beroperasi dengan N=4(gambar6.31).Kamimenemukan ( )0.75 1 1 2 2.56 r = = m.Kisaranspektralbebas untuk perangkat ini adalah4 2 0.75 50fsrv c A = = MHz. Interferometermulti-passseringdigunakanuntukmemonitorisinarlaserdarifrekuensi yangsangattajam.Kisaranspektralbebaskecildapatdiperolehtanpamenggunakan interferometeryangsangatpanjang.Menggunakanteknikmultilayerpadakasuskhususbaru-baruinitelahmenjadimungkinuntukmenghasilkanlapisanyangdenganurutan103 ("supercavity").Jelas,instrumentersebutmemilikiaplikasipentinguntuklaserultra-stabildan metrologi presisi. 6.2.4 Spektrometer Transformasi FourierSpektrometer Transformasi Fourier (FTS) adalah interferometer dual-beam, yang paling seringdigunakandarijenisMichelson,sepertiditunjukkanpadagambar6.32.Jikalengan interferometer memiliki panjang yang sama, perbedaan bagian antara dua tembakan pengganggu akan0.JikacermindipindahkanPerbedaan /2jaluroptikdaridiperkenalkan.Untukkasus radiasi monokromatik daninetnsitas tembakan dengan intensitas pada detektor yang sama akan ()( )20cos2I I|A = (6.34) Dengan 2 22vc| t tA A= = (6.35) Jika sumber cahaya menyebarkan spektrum B(v) kita akan menemukan, () ( ) ( )20 01cos 1 cos 22I Bv v dv Bv v dvc ct t AA ( | | | |A = = + ||(\ . \ . } }(6.36) Bagian persamaan diatas menunjukkan bahwa dapat disebut interferogram () ( )01cos 22J Bv v dvc tA | |A = |\ .}(6.37) Spektrum B(v) dapat dihitung dari interferogram J() sebagai transformasi cosinus fourier. ( ) ()0cos 2 Bv J v dvc tA | | A |\ .}(6.38) Seperti perhitungan yang dilakukan pada komputer [6.81] dan secara khusus, prosesor yang sangat cepat telah dibangun.Dalam prakteknya,cerminyang bergerak hanya berpindah dengan jarak terbatas (