Desain Divais Optik Beam Expander dengan

Menggunakan Perangkat Lunak OSLO Karina Anggraeni, Nufiqurakhmah, Angkik Pandu Rizky, Devic Oktora, Sirojulaili

S1 Lintas Jalur Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

karinaanggraeni27@gmail.com

nufiqurakhmah@gmail.com

angkik.pandurizky@gmail.com

oktoradevic@gmail.com

Shirojoel@gmail.com

Abstract Dewasa ini alat optik merupakan kemajuan bagi peradaban manusia. Alat optik dapat berupa teleskop, kamera,

teropong, mikroskop, dan lain - lain. Dalam perancangan alat

optik perlu diperhatikan komponen komponen dan parameter yang tersusun dalam desain alat optik tersebut. Hal ini untuk menghindari adanya aberasi. Beam expander adalah komponen

pada optik yang digunakan untuk memperbesar beam. Beam

expander merupakan konsep dasar yang digunakan pada teleskop.

Desain optik pada beam expander yang telah dirancang

menggunakan perangkat lunak OSLO dan dibandingkan dengan

percobaan secara langsung. Analisa data dilakukan setelah

diperoleh hasil desain beam expander menggunakan OSLO dan

eksperimen langsung.

Kata kunci desain optik, aberasi, beam expander, OSLO

I. PENDAHULUAN

Penglihatan merupakan indera yang penting bagi

manusia. Dimana dengan penglihatan kita dapat mengenal

dunia. Namun tidak semua dapat dilihat dengan mata

telanjang manusia. Beberapa objek dengan jarak yang jauh

maupun ukuran yang kecil harus kita lihat untuk mendapatkan

informasi dari objek tersebut. Oleh karena itu manusia

merancang divais optik, yang salah satunya berupa lensa.

Pemanfaatan lensa sendiri dewasa ini kita rasakan sangat

besar, mulai dari hanya mengabadikan momen dengan

kamera, melakukan percobaan dengan mikroskop, hingga penemuan bintang dan planet baru menggunakan teleskop.

Perancangan divais optik diperlukan untuk membantu

dalam kegiatan manusia. Salah satunya adalah desain beam

expander. Beam Expander adalah komponen optik yang

digunakan untuk memperbesar beam. Desain dibuat pada

perangkat lunak OSLO dan selanjutnya diimplementasikan

dalam eksperimen secara nyata. Paper ini akan membahas

mengenai hasil yang diperoleh dari desain beam expander

secara simulasi dan eksperimen.

II. DASAR TEORI

2.1 Desain Optik

Desain optik adalah membuat rancangan alat optik. Alat optik dapat berupa teleskop, kamera, teropong, mikroskop dan

lain lain. Dalam perancangan alat optik ini harus memperhatikan komponen komponen yang terkandung

dalam desain alat optik tersebut. Hal ini untuk menghindari

adanya aberasi.

2.2 Beam Expander

Beam expander adalah komponen pada optik yang digunakan untuk memperbesar beam. Beam expander

merupakan konsep dasar yang digunakan pada teleskop. Jenis

beam expander ada 2 yaitu :

1) Galilean Beam Expander

Galilean beam expander terdiri dari lensa negatif dan lensa

positif.

Gambar 2.1 Galilean Beam Expander

2) Keplerian Beam Expander

Keplerian beam expander terdiri dari 2 lensa positif.

Gambar 2.2 Keplerian Beam Expander

Beam divergence tergantung pada diameter beam seperti

pada persamaan berikut :

Perbesaran dapat dihitung dengan cara sebagai berikut :

Mp =

atau Mp =

Selain itu, untuk mengetahui output diameter beam dapat

dihitung dari panjang sinar keluaran dari input diameter beam.

Gambar 2.3 Jarak input beam dengan output beam

Laser beam divergence menggunakan sudut penuh

sehingga yang digunakan bukan

.

Dari persamaan di atas maka

Persamaan di atas bisa digunakan jika besar tidak dipengaruhi aberasi sferis. Jika dipengaruhi aberasi sferis

maka seperti ini hasilnya :

1) Galilean beam expander

Gambar 2.4 Pengaruh Aberasi Sferis pada Beam Expander Galilean

2) Keplerian beam expander

Gambar 2.5 Pengaruh Aberasi Sferis pada Beam Expander Keplerian

Dalam mendesain alat optik berdasarkan pada prinsip

optika geometri. Prinsip optika geometri yang digunakan

adalah optika geometri pada lensa cekung dan cembung.

Pembentukan bayangan pada lensa mematuhi aturan berikut::

1) Sinar datang pada lensa cembung sejajar dengan sumbu lensa akan dibiaskan menuju titik fokus lensa.

Sebaliknya jika sinar datang melewati titik fokus akan

dibiaskan sejajar sumbu lensa.

2) Sinar datang pada lensa cekung sejajar dengan sumbu lensa akan dibiaskan seolah-olah berasal dari titik

fokus lensa. Sebaliknya jika sinar datang menuju titik

fokus akan dibiaskan sejajar sumbu lensa.

3) Sinar yang datang melalui pusat lensa akan diteruskan..

Pembentukan bayangan pada lensa sebagai berikut :

1) Lensa cekung

Gambar 2/6 Pembentukan Bayangan pada Lensa Cekung

2) Lensa cembung

Gambar 2.7 Pembentukan Bayangan pada Lensa Cembung

2.3 Aberasi

Aberasi disebutj uga kesesatan atau kecacatan lensa.

Aberasi adalah kelainan bentuk bayangan yang dihasilkan

oleh lensa atau cermin. (Tippler, 2001). Aberasi optik adalah

degradasi kinerja suatu sistem optik dari standar pendek atan

paraksial optika geometri. Degradasi yang terjadi dapat

disebabkan sifat-sifat optik dari cahaya maupun dari sifat-sifat optik sebagai medium terakhir yang dilalui sinar sebelum

mencapai mata pengamatnya.

1) Aberasi Sferis Aberasi sferis adalah gejala kesalahan terbentuknya

bayangan yang diakibatkan pengaruh kelengkungan lensa atau

cermin. Aberasi semacam ini akan menghasilkan bayangan

yang tidak memenuhi hukum-hukum pemantulan atau

pembiasan. Ada dua jenis aberasi sferis :

2) Aberasi Kromatik Aberasi kromatik adalah pembiasan cahaya yang berbeda

panjang gelombang pada titik fokus yang berbeda. Prinsip

dasar terjadinya aberasi kromatis oleh karena fokus lensa

berbeda beda untuk tiap tiap warna. Ada dua macam aberasi kromatik :

3) Aberasi Monokromatik Aberasi monokromatik sering juga disebut aberasi tingkat

ketiga adalah aberasi yang terjadi walaupun sistem optik mempunyai lensa dengan bidang sferis yang telah sempurna

dan tidak terjadi dispersi cahaya.

4) Koma Koma adalah gejala dimana bayangan sebuah titik sinar

yang terletak di luar sumbu lensa tidak berbetuk titik pula.

Dapat dihindari dengan diafragma.

5) Distorsi Distorsi adalah gejala bayangan benda yang

berbentuk bujur sangkar tidak berbentuk bujur sangkar lagi.

Dapat dihindari dengan lensa ganda dengan difragma di

tengahnya.

6) Astigmatisme Astigmatisme adalah gejala dimana bayangan benda titik

tidak berupa titik tapi berupa ellips atau lingkaran.

Astigmatisme itu sama dengan koma namun koma terbentuk

akibat penyebaran gambar dari suatu titik pada suatu bidang

yang tegak lurus pada sumbu lensa sedangkan astigmatisme

terbentuk sebagai penyebaran gambar dalam suatu arah

sepanjang sumbu lensa.

III. DESAIN DIVAIS OPTIK BEAM EXPANDER DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK OSLO

3.1 Pengenalan OSLO OSLO (Optics Software for Layout Optimization)

adalah software yang digunakan untuk mendesain suatu

divais optik. Umumnya layar permukaan OSLO terdiri

dari dua surfaces yaitu object surface di bagian kiri dan image surface di bagian kanan. Ada 3 parameter utama dalam setiap surfaces yaitu jari-jari kelengkungan (ketebalan

material), indeks refraksi (tipe kaca), dan jari jari apperture.

OSLO terdiri dari beberapa bagian, yaitu : Command,

Spreadsheet, Main Window, Graphic Windows, Status Bar,

Text Window, dan Slider-whell Window.

Desain beam expander dilakukan dengan memasukkan

nilai tertentu pada parameter surfaces sebelum disimulasikan.

3.2. Eksperimen Desain Divais Optik Beam Expander

Desain yang dilakukan dengan menggunakan perangkat

lunak OSLO menggunakan dua buah lensa yang memiliki titik

fokus berbeda, yaitu 100mm dan 330mm. Beberapa parameter

surfaces diberikan untuk desain beam expander.

Gambar 3.1 Perancangan Beam Expander dengan menentukan parameter

surfaces

Gambar 3.2 Tampilan desain Beam Expander dengan menggunakan software

OSLO

Setelah dilakukan desain beam expander dengan

menggunakan perangkat lunak OSLO selanjutnya dilakukan

eksperimen secara langsung. Eksperimen dilakukan dengan

menggunakan sebuah laser dan dua buah lensa dengan titik

fokus berbeda dan posisi yang diatur sesuai desain pada

OSLO.

Hasil eksperimen dengan laser dan lensa memberikan hasil

yang berbeda dengan desain divais pada perangkat lunak

OSLO, seperti yang ditampilkan pada tabel berikut ini :

TABLE 4.1

PERBANDINGAN HASIL DESAIN BEAM EXPANDER MENGGUNAKAN

PERANGKAT LUNAK OSLO DAN EKSPERIMEN LANGSUNG

Desain Divais Optik Radius Aperture

Radius

Ukuran

Beam

Perangkat Lunak OSLO 5mm 17.025mm 3.4 X

Eksperimen langsung 2mm 5mm 2.5 X

Pada hasil percoban diperoleh perbesaran beam pada

eksperimen langsung sebesar 2,5 kali. Sementara pada

simulasi dengan OSLO diperoleh perbesaran 3,4 kali.

Perbedaan hasil yang diperoleh dapat terjadi karena beberapa

faktor. Salah satunya adalah pengaturan posisi lensa dan laser.

Pengaturan posisi lensa dan laser sesuai dengan desain pada

OSLO dilakukan secara manual. Hal ini memungkinkan

terjadi kesalahan karena posisi laser yang tidak tepat pada

sumbu utama. Perambatan kesalahan juga terjadi akibat layar

yang berfungsi menangkap beam hanya menggunakan kertas

dan digambar dengan alat tulis.

Perbesaran yang terjadi pada eksperimen langsung pun

tidak mengalami perubahan meskipun jarak kedua lensa

diubah. Hal ini dapat terjadi akibat cahaya laser yang jatuh

tidak tepat pada titik fokus. Berkas cahaya mengalami bias

sehingga titik fokus tidak membentuk conical sempurna dan

berpengaruh pada perbesaran bayangan yang terjadi. Kecacatan pada lensa atau aberasi juga berpengaruh pada

hasil eksperimen. Simulasi yang dilakukan pada perangkat

lunak OSLO memberikan informasi faktor yang berpengaruh

pada desain beam expander adalah sebagai berikut :

Gambar 3.3 Ray Intercept Curves Analysis

Gambar 3.4 Analis aberasi kromatis

Hasil simulasi dengan menggunakan perangkat lunak

OSLO menunjukkan adanya pengaruh dari aberasi kromatis.

Sementara pada eksperimen langsung yang dilakukan juga

mengindikasikan terjadinya aberasi kromatis. Aberasi ini

terjadi akibat perbedaan panjang gelombang dari sumber

cahaya (laser) mengakibatkan titik fokusnya juga berbeda. Laser yang digunakan tidak benar - benar bersifat

monokromatis. Pada batas tertentu cahaya berwarna lain yang

menyebabkan perbedaan panjang gelombang cahaya yang

dihasilkan laser.

IV. KESIMPULAN

Dari percobaan yang telah dilakukan, maka dapat

disimpulkan bahwa : Dari percobaan yang telah dilakukan, maka dapat

disimpulkan bahwa:

1. Dalam perancanagan beam expander dan desain optik lain di gunakan software OSLO.

2. Dalam eksperimen pembuatan beam expander menggunakan laser dan dua lensa didapatkan nilai

perbesaran beam yang berbeda dengan desain

menggunakan software OSLO .

3. Manfaat atau kegunaan dari ekperimen ini adalah untuk mendesain optik dengan optimasi untuk menurunkan

aberasi.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Modul Praktikum Teknik Optik 2014

[2] Bennett, C.A.,2008. Principles of Physical Optiks. USA: John Wiley & Sons.

[3] http://optikafisika.blogspot.com/2013/03/teori-aberasi.html

[4] http://www.edmundoptics.com/technical-resources-center/lasers/beam-expanders

[5] http://spie.org/x34432.xml

[6] http://share.its.ac.id/pluginfile.php/2002/mod_resource/ content/1/OPTIKA_GEOMETRI.pdf