6
BAB II DASAR TEORI
2.1. Metode Spektroskopi Laser
Sejak ditemukannya laser, terjadi perkembangan yang pesat dalam bidang spektroskopi. Penggunaan laser sebagai sumber cahaya ini memunculkan teknik-
teknik baru dalam bidang spektroskopi. Pengembangan teknik-teknik baru tersebut memanfaatkan kelebihan laser. Keunggulan laser itu diantaranya berdaya
tinggi, monokromatik, dan frekuensi yang dapat ditala. Dengan keunggulan- keunggulan yang dimiliki laser, permasalahan yang tidak dapat diselesaikan oleh
spektroskopi klasik mampu diselesaikan oleh spektroskopi laser. Perkembangan bidang spektroskopi laser erat kaitannya dengan kemajuan
bidang spektroskopi molekuler. Salah satu bidang aplikasi dalam spektroskopi molekuler adalah pengamatan polusi udara [Wang dan Xia, 1991]. Hal ini
memungkinkan untuk memperoleh informasi komposisi molekul dan atom yang terkandung dalam atmosfer. Selain itu, dengan menggunakan sumber radiasi laser,
dapat dipelajari eksitasi dan relaksasi dari atom dan molekul. Salah satu spektroskopi laser adalah spektroskopi fotoakustik.
Spektroskopi ini sensitif dalam mendeteksi gas. Spektroskopi fotoakustik merupakan spektroskopi yang menggunakan metode kalorimetrik. Pada
spektroskopi fotoakustik, radiasi laser yang diserap sampel dideteksi langsung dari pemanasan yang terjadi pada sampel. Pemanasan tersebut memunculkan
gelombang akustik yang kemudian dideteksi oleh sensor [Zharov dan Letokhov, 1986
].
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2.2. Detektor Fotoakustik
Spektroskopi fotoakustik merupakan salah satu bidang spektroskopi yang memanfaatkan kelebihan laser. Radiasi laser yang mengenai medium akan
menyebabkan molekul-molekul dalam medium yang terkena radiasi tersebut mengalami eksitasi dari tingkat energi dasar E
1
ke tingkat energi tereksitasi E
2
. Eksitasi pada molekul tersebut akibat penyerapan foton dengan energi yang
dinyatakan oleh persamaan 2.1.
h ν = E
2
– E
1
2.1
dengan h adalah tetapan planck 6,63 x 10
-34
J.s dan ν adalah frekuensi radiasi
laser yang diserap molekul. Molekul dalam keadaan tereksitasi akan mengalami proses relaksasi. Relaksasi tersebut dapat terjadi secara radiasi dan secara non-
radiasi. Proses tersebut ditunjukkan oleh Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Proses yang terjadi pada molekul yang terkena radiasi laser
Relaksasi secara radiasi
Tingkat energi tereksitasi E
2
Tingkat energi dasar E
1
Radiasi laser hν
Relaksasi secara non-radiasi
Pemanasan medium
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Detektor fotoakustik merupakan alat ukur konsentrasi gas yang menggunakan prinsip dasar serapan cahaya. Serapan terhadap daya laser dideteksi
secara langsung menggunakan metode kalorimetrik. Hal penting dalam metode kalorimetrik terkait dengan waktu relaksasi. Relaksasi merupakan peristiwa
pelepasan energi suatu molekul dari tingkat energi tereksitasi ke tingkat energi dasar. Peristiwa tersebut mengikuti proses interaksi laser dengan medium tertentu.
Waktu relaksasi meliputi waktu relaksasi secara radiasi dan waktu relaksasi secara non-radiasi. Relaksasi secara non-radiasi terdiri dari relaksasi
homogen dan relaksasi heterogen. Relaksasi secara non-radiasi yang terjadi lewat tumbukan dengan molekul lain dalam suatu volume tertentu merupakan relaksasi
homogen. Sedangkan, relaksasi secara non-radiasi yang terjadi lewat tumbukan dengan dinding sel tempat molekul tersebut berada merupakan relaksasi
heterogen. Waktu relaksasi molekul dinyatakan oleh persamaan 2.2 [Zharov dan Letokhov, 1986
].
τ = {τ
r -1
+ τ
hom -1
+ τ
het -1
}
-1
2.2
dengan τ adalah waktu relaksasi molekul, τ
r
adalah waktu relaksasi secara radiasi, τ
hom
adalah waktu relaksasi homogen, dan τ
het
adalah waktu relaksasi heterogen. Laser merupakan sumber cahaya yang digunakan pada sistem fotoakustik.
Jenis laser yang digunakan akan menentukan wilayah kerja sistem fotoakustik. Salah satu contoh laser yang digunakan pada sistem fotoakustik adalah laser CO
2
yang bekerja di daerah panjang gelombang 9 - 11 μm [Santosa, 2008]. Detektor
fotoakustik berbasis laser CO
2
bekerja pada wilayah panjang gelombang
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
inframerah. Pada daerah panjang gelombang tersebut, relaksasi homogen merupakan relaksasi yang dominan dari keseluruhan proses relaksasi yang terjadi
pada molekul-molekul dalam medium. Hal tersebut mengakibatkan kenaikan energi kinetik pada medium. Kenaikan energi kinetik menyebabkan kenaikan
suhu dan tekanan. Jika intensitas radiasi laser CO
2
yang datang menuju medium dimodulasi secara periodik, maka tekanan tersebut akan berubah secara periodik.
Hal ini menyebabkan munculnya bunyi. Pada detektor fotoakustik berbasis laser CO
2
, proses pembangkitan bunyi tersebut terjadi di dalam sel fotoakustik. Sel fotoakustik merupakan salah satu komponen penting pada detektor
fotoakustik. Bagian utama dari sel fotoakustik adalah resonator akustik dan mikropon. Resonator akustik merupakan tempat terjadinya resonansi bunyi. Bunyi
yang berasal dari medium dalam resonator akustik akan dideteksi oleh mikropon. Keluaran dari mikropon tersebut akan diperkuat oleh lock-in amplifier. Keluaran
dari mikropon merupakan sinyal fotoakustik yang kemudian diolah komputer bersama dengan daya laser yang terukur oleh powermeter. Dari data tersebut
dapat diperoleh nilai konsentrasi gas penyerapnya [Santosa, 2008]. Secara sederhana, proses yang terjadi pada detektor fotoakustik dapat dijelaskan dengan
bagan pada Gambar 2.2.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Gambar 2.2. Bagan proses pengukuran konsentrasi gas pada detektor fotoakustik
2.3. Amplitudo dan Fase Sinyal Fotoakustik
Kategori