SIFAT-SIFAT CAHAYA

1.    CAHAYA

Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. Cahaya adalah paket partikel yang disebut foton.

Kedua definisi di atas adalah sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel". Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna. Bidang studi cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan area riset yang penting pada fisika modern.

Studi mengenai cahaya dimulai dengan munculnya era optika klasik yang mempelajari besaran optik seperti: intensitas, frekuensi ataupanjang gelombang, polarisasi dan fasa cahaya. Sifat-sifat cahaya dan interaksinya terhadap sekitar dilakukan dengan pendekatan paraksial geometris seperti refleksi dan refraksi, dan pendekatan sifat optik fisisnya yaitu: interferensi, difraksi, dispersi, polarisasi. Masing-masing studi optika klasik ini disebut dengan optika geometris (geometrical optics) dan optika fisis (physical optics).

Pada puncak optika klasik, cahaya didefinisikan sebagai gelombang elektromagnetik dan memicu serangkaian penemuan dan pemikiran, sejak tahun 1838 oleh Michael Faraday dengan penemuan sinar katoda, tahun 1859 dengan teori radiasi massa hitam olehGustav Kirchhoff, tahun 1877 Ludwig Boltzmann mengatakan bahwa status energi sistem fisik dapat menjadi diskrit, teori kuantumsebagai model dari teori radiasi massa hitam oleh Max Planck pada tahun 1899 dengan hipotesa bahwa energi yang teradiasi dan terserap dapat terbagi menjadi jumlahan diskrit yang disebut elemen energi, E. Pada tahun 1905, Albert Einstein membuat percobaanefek fotoelektrik, cahaya yang menyinari atom mengeksitasi elektron untuk melejit keluar dari orbitnya. Pada pada tahun 1924 percobaan oleh Louis de Broglie menunjukkan elektron mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang, hingga tercetus teori dualitas partikel-gelombang. Albert Einstein kemudian pada tahun 1926 membuat postulat berdasarkan efek fotolistrik, bahwa cahaya tersusun dari kuanta yang disebut foton yang mempunyai sifat dualitas yang sama. Karya Albert Einstein dan Max Planck mendapatkanpenghargaan Nobel masing-masing pada tahun 1921 dan 1918 dan menjadi dasar teori kuantum mekanik yang dikembangkan oleh banyak ilmuwan, termasuk Werner Heisenberg, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, David Hilbert, Roy J. Glauber dan lain-lain.

Era ini kemudian disebut era optika modern dan cahaya didefinisikan sebagai dualisme gelombang transversal elektromagnetik dan aliran partikel yang disebut foton. Pengembangan lebih lanjut terjadi pada tahun 1953 dengan ditemukannya sinar maser, dan sinarlaser pada tahun 1960.

Era optika modern tidak serta merta mengakhiri era optika klasik, tetapi memperkenalkan sifat-sifat cahaya yang lain yaitu difusi dan hamburan.

2. Pendahuluan Gelombang Cahaya

Dalam kehidupan sehari-hari sering Anda mengamati pelangi.Apa yang Anda ketahui tentang pelangi? Mengapa pelangi terjadi pada saat gerimis atau setelah hujan turun dan matahari tetap bersinar? Apakah cahaya merupakan suatu gelombang?

Terhadap permasalahan-permasalahan tersebut, kita sering berpikir bahwa pelangi adalah warna-warni cahaya yang nampak indah.Pelangi muncul pada saat musim hujan karena pelangi hanya dihasilkan oleh air hujan. Cahaya merupakan suatu gelombang elektromagnetik memiliki arah rambat yang sama dengan gelombang bunyi, jadi termasuk gelombang longitudinal. (Cahaya yang arah rambatnya sejajar dengan arah getarnya)

Pikiran-pikiran tersebut adalah miskonsepsi. Secara lebih rinci, berikut disajikan konsepsi ilmiah terkait dengan gelombang cahaya.

3.    Dispersi Cahaya

Gelombang dan sifat-sifatnya sebagian sudah dikenal pada waktu membahas getaran dan gelombang. Pada bagian ini, kita akan membahas gelombang cahaya. Cahaya merupakan radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi mata manusia.Cahaya selain memiliki sifat-sifat gelombang secara umum misal dispersi, interferensi, difraksi, dan polarisasi, juga memiliki sifat-sifat gelombang elektromagnetik, yaitu dapat merambat melalui ruang hampa.

Gejala dispersi cahaya adalah gejala peruraian cahaya putih (polikromatik) menjadi cahaya berwarna-warni (monokromatik).Cahaya putih merupakan cahaya polikromatik, artinya cahaya yang terdiri atas banyak warna dan panjang gelombang. Jika cahaya putih diarahkan ke prisma, maka cahaya putih akan terurai menjadi cahaya merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Cahaya-cahaya ini memiliki panjang gelombang yang berbeda. Setiap panjang gelombang memiliki indeks bias yang berbeda. Semakin kecil panjang gelombangnya semakin besar indeks biasnya. Disperi pada prisma terjadi karena adanya perbedaan indeks bias kaca setiap warna cahaya. Perhatikan Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Dispersi cahaya pada prisma

Seberkas cahaya polikromatik diarahkan ke prisma. Cahaya tersebut kemudian terurai menjadi cahaya merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Tiap-tiap cahaya mempunyai sudut deviasi yang berbeda. Selisih antara sudut deviasi untuk cahaya ungu dan merah disebut sudut dispersi. Besar sudut dispersi dapat dituliskan sebagai berikut :

Φ = δ_u - δ_m = (n_u – n_m) β .......................................2.1

Keterangan:

Φ = sudut dispersi

n_u = indeks bias sinar ungu

n_m = indeks bias sinar merah

δ_u = deviasi sinar ungu

δ_m=deviasi sinar merah

Penerapan Dispersi:

Contoh peristiwa dispersi pada kehidupan sehari-hari adalah pelangi. Pelangi hanya dapat kita lihat apbila kita membelakangi matahari dan hujan terjadi di depan kita. Jika seberkas cahaya matahari mengenai titik-titik air yang besar, maka sinar itu dibiaskan oleh bagian depan permukaan air. Pada saat sinar memasuki titik air, sebagian sinar akan dipantulkan oleh bagian belakang permukaan air, kemudian mengenai permukaan depan, dan akhirnya dibiaskan oleh permukaan depan. Karena dibiaskan, maka sinar ini pun diuraikan menjadi pektrum matahari.Peristiwa inilah yang kita lihat di langit dan disebut pelangi. Bagan terjadinya proses pelangi dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Proses terjadi pelangi

4.    Interferensi Cahaya

Sebelumnya  Anda telah ketahui bahwa dua gelombang dapat melalui satu titik yang sama tanpa saling mempengaruhi. Kedua gelombang gelombang itu memiliki efek gabungan yang diperoleh dengan menjumlahkan simpangannya. Interferensi adalah paduan dua gelombang atau lebih menjadi satu gelombang baru.Jika kedua gelombang yang terpadu sefase, maka terjadi interferensi konstruktif (saling menguatkan). Gelombang resultan memiliki amplitudo maksimum.

Jika kedua gelombang yang terpadu berlawanan fase, maka terjadi interferensi destruktif (saling melemahkan).Gelombang resultan memiliki amplitudo nol. Setiap orang dengan menggunakan sebuah baskom air dapat melihat bagaimana interferensi antara dua gelombang permukaan air dapat menghasilkan pola-pola bervariasi yang dapat dilihat dengan jelas. Dua orang yang bersenandung dengan nada-nada dasar yang frekuensinya berbeda sedikit akan mendengar layangan (penguatan dan pelemahan bunyi) sebagai hasi interferensi .

Warna-warni pelangi menunjukkan bahwa sinar matahari adalah gabungan dari berbagai macam warna dari spektrum kasat mata. Di lain fihak, warna pada gelombang sabun, lapisan minyak, warna bulu burung merah, dan burung kalibri bukan disebabkan oleh pembiasan. Hal ini terjadi karena interferensi konstruktif dan destruktif dari sinar yang dipantulkan oleh suatu lapisan tipis.Adanya gejala interferensi ini bukti yang paling menyakinkan bahwa cahaya itu adalah gelombang.Interferensi cahaya bisa terjadi jika ada dua atau lebih berkas sinar yang bergabung.Jika cahayanya tidak berupa berkas sinar, maka interferensinya sulit diamati. Interferensi cahaya sulit diamati karena dua alasan:

(1)   Panjang gelombang cahaya sangat pendek, kira-kira 1% dari lebar rambut.

(2) Setiap sumber alamiah cahaya memancarkan gelombang cahaya yang fasenya sembarang (random) sehingga interferensi yang terjadi hanya dalam waktu sangat singkat.

Jadi, interferensi cahaya tidaklah senyata seperti interferensi pada gelombang air atau gelombang bunyi. Interferensi terjadi jika terpenuhi dua syarat berikut ini:

(1)   Kedua gelombang cahaya harus koheren, dalam arti bahwa kedua gelombang cahaya harus memiliki beda fase yang selalu tetap, oleh sebab itu keduanya harus memiliki frekuensi yang sama.

(2)   Kedua gelombang cahaya harus memiliki amplitude yang hampir sama.

Terjadi dan tidak terjadinya interferensi dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.3.

 

Gambar 2.3. (a) tidak terjadi interferensi, (b) terjadi interferensi

Untuk menghasilkan pasangan sumber cahaya kohern (garis vertikal tunggal pada sumbu datar frekuensi).sehingga dapat menghasilkan pola interferensi adalah :

(1)    Sinari dua (atau lebih) celah sempit dengan cahaya yang berasal dari celah tunggal (satu celah). Hal ini dilakukan oleh Thomas Young.

(2)    Dapatkan sumber-sumber kohern maya dari sebuah sumber cahaya dengan pemantulan saja. Hal ini dilakukian oleh Fresnel.Hal ini juga terjadi pada pemantulan dan pembiasan (pada interferensi lapisan tipis).

(3)    Gunakan sinar laser sebagai penghasil sinar laser sebagai penghasil cahaya kohern.

5.    Percobaan Fresnell dan Young

Untuk mendapatkan dua sumber cahaya koheren, A. J Fresnell dan Thomas Young menggunakan sebuah lampu sebagai sumber cahaya.Dengan menggunakan sebuah sumber cahaya S, Fresnell memperoleh dua sumber cahaya S₁ dan S₂ yang kohoren dari hasil pemantulan dua cermin.Sinar monokromatis yang dipancarkan oleh sumber S, dipantulkan oleh cermin I dan cermin II yang seolah-olah berfungsi sebagai sumber S₁ dan S₂. Sesungguhnya, S₁ dan S₂ merupakan bayangan oleh cermin I dan Cermin II (Gambar 2.4)

Gambar 2.4. Percobaan cermin Fresnell

Berbeda dengan percobaan yang dilakukan oleh Fresnell, Young menggunakan dua penghalang, yang pertama memiliki satu lubang kecil dan yang kedua dilengkapi dengan dua lubang kecil. Dengan cara tersebut, Young memperoleh dua sumber cahaya (sekunder) koheren yang monokromatis dari sebuah sumber cahaya monokromatis (Gambar 2.5). Pada layar tampak pola garis-garis terang dann gelap.Pola garis-garis terang dan gelap inilah bukti bahwa cahaya dapat berinterferensi. Interferensi cahaya terjadi karena adanya beda fase cahaya dari kedua celah tersebut.

Gambar 2.5. Percobaan dua celah oleh Young

Pola interferensi yang dihasilkan oleh kedua percobaan tersebut adalah garis-garis terang dan garis-garis gelap pada layar yang silih berganti.Garis terang terjadi jika kedua sumber cahaya mengalami interferensi yang saling menguatkan atau interferensi maksimum.Adapun garis gelap terjadi jika kedua sumber cahaya mengalami interferensi yang saling melemahkan atauinterferensi minimum. Jika kedua sumber cahaya memiliki amplitudo yang sama, maka pada tempat-tempat terjadinya interferensi minimum, akan terbentuk titik gelap sama sekali. Untuk mengetahui lebih rinci tentang pola yang terbentuk dari interferensi dua celah, perhatikan penurunan-penurunan interferensi dua celah berikut.

Pada Gambar 2.6, tampak bahwa lensa kolimator menghasilkan berkas sejajar. Kemudian, berkas cahaya tersebut melewati penghalang yang memiliki celah ganda sehingga S­­₁ dan S₂ dapat dipandang sebagai dua sumber cahaya monokromatis. Setelah keluar dari S₁ dan S₂, kedua cahaya digambarkan menuju sebuah titik A pada layar. Selisih jarak yang ditempuhnya (S­₂A – S₁A) disebut beda lintasan.

........................................2.2

Gambar 2.6. Percobaan Interferensi Young

Jika jarak S₁A dan S₂A sangat besar dibandingkan jarak S₁ ke S₂, dengan S₁S₂ = d, sinar S₁A dan S₂A dapat dianggap sejajar dan selisih jaraknya ΔS = S₂B. Berdasarkan segitiga S₁S­₂B, diperoleh , dengan d adalah jarak antara kedua celah.  Selanjutnya, pada segitiga COA,  .

Untuk sudut-sudut kecil akan didapatkan  . Untuk θ kecil, berarti p/l kecil atau p<<l sehingga selisih kecepatan yang ditempuh oleh cahaya dari sumber S₂ dan S₁ akan memenuhi persamaan berikut ini.

................................................2.3

Interferensi maksimum akan terjadi jika kedua gelombang yang tiba di titik A sefase. Dua gelombang memiliki fase sama bila beda lintasannya merupakan kelipatan bilangan cacah dari panjang gelombang.

ΔS = mλ ............................................................2.4

Jadi, persamaan interferensi maksimum menjadi

.........................................................2.5

dengan d = jarak antara celah pada layar

p = jarak titik pusat interferensi (O) ke garis terang di A

l = jarak celah ke layar

λ = panjang gelombang cahaya

m = orde interferensi (0, 1, 2, 3, ...)

Contoh Soal Interferensi

Cahaya monokromatis dengan panjang gelombang 5000 A melewati celah ganda yang terpisah pada jarak 2 mm. Jika jarak celah layar 1 meter, tentukanlah jarak terang pusat dengan garis terang orde ketiga pada layar.

Penyelesaian:

Diketahui: d = 2 mm; l = 1 meter = 1 ´ 10³ mm; λ = 5000 A = 5 ´ 10^-4 mm; m = 3

Jika kedua gelombang cahaya dari sumber S₁ dan S₂ yang sampai pada layar berlawanan fase (berbeda sudut fase 180°),  maka pada layar akan terjadi interferensi minimum atau garis-garis gelap. Untuk mendapatkan beda fase sebesar 180°, beda lintasan harus merupakan kelipatan bilangan ganjil dari setengah panjang gelombang, yaitu :

.......................................2.6

dengan m = 1, 2, 3, 4, …

Berdasarkan persamaan (2.6) dan (2.4) maka diperoleh interferensi minimum yang memnuhi persamaan berikut.

=   (m- ½ )λ                       2.7

6.    Interferensi Pada Lapisan Tipis

Dalam keseharian Anda sering mengamati garis-garis berwarna yang tampak pada lapisan tipis bensin atau oli yang tumpah di permukaan air saat matahari menyoroti permukaan oli tersebut.Di samping itu, Anda tentu pernah main air sabun yang ditiup sehingga terjadi gelembung. Kemudian saat terkena sinar matahari akan terlihat warna-warni.

Cahaya warna-warni inilah bukti adanya peristiwa interferensi cahaya pada lapisan tipis air sabun. Interferensi ini terjadi pada sinar yang dipantulkan langsung dan sinar yang dipantulkan setelah dibiaskan. Interferensi antar gelombang yang dipantulkan oleh lapisan atas dan yang dipantulkan oleh lapisan bawah ditunjukkan padaGambar 2.7.

Gambar 2.7   Interferensi pada selaput tipis

Selisih lintasan yang ditempuh oleh sinar datang hingga menjadi sinar pantul ke-1 dan sinar pantul ke-2 adalah

ΔS = S₂ – S₁ = n(AB + BC) – AD = n(2AB) – AD ...........................2.8

dengan n adalah indeks bias lapisan tipis.

Jika tebal lapisan adalah d, diperoleh d = AB cos r sehingga AB = d/cos r dan AD = AC sin i, dengan AC = 2d tan r.  Dengan demikian, persamaan (2.8) menjadi:

Sesuai dengan hukum Snellius, n sin r = sin I, selisih jarak tempuh kedua sinar menjadi:

ΔS = 2nd cos r ..............................................2.9

Supaya terjadi interferensi maksimum, ΔS harus merupakan kelipatan dari panjang gelombang (λ), tetapi karena sinar pantul diB mengalami perubahan fase , ΔS menjadi

..........................................2.10

Jadi, interferensi maksimum sinar pantul pada lapisan tipis akan memenuhi persamaan berikut.

=  2.11

dengan n = indeks bias lapisan tipis

d = tebal lapisan

r = sudut bias

m = orde interferensi (0, 1, 2, 3, …)

λ = panjang gelombang sinar

Contoh Soal Interferensi pada Lapisan Tipis 1

Tentukanlah tebal lapisan minimum yang dibutuhkan agar terjadi interferensi maksimum pada sebuah lapisan tipis yang memiliki indeks bias 4/3 dengan menggunakan panjang gelombang 5.600.

Penyelesaian:

Interferensi maksimum pada lapissan tipis mmenuhi persamaan (2.11)

Supaya tebal lapisan minimum, m = 0 dan cos r = 1, maka diperoleh

Adapun untuk memperoleh interferensi minimum, selisih lintasan ΔS kedua sinar pantul harus merupakan kelipatan   dan beda fase  sehingga akan diperoleh:

ΔS = 0, λ, 2λ , 3λ, 4λ …= mλ

Interferensi minimum dalam arah pantul akan memenuhi persamaan

2nd cos r = mλ ....................................................2.12

Contoh Soal Interferensi pada Lapisan Tipis 2

Tentukanlah panjang gelombang sinar yang digunakan, jika terjadi interferensi minimum orde 2 pada lapisan di udara dengan ketebalan 10³ nm, sudut bias 60°, dan indeks bias lapisan 1,5.

Penyelesaian:

Dengan menggunakan persamaan (2.12) diperoleh

2nd cos r = mλ

2(1,5) (10³ nm) (cos 60°) = 2λ

λ = 0,75 × 10³ nm = 750 nm.

Jadi, panjang gelombang cahaya yang digunakan 750 nm.

7.    Difraksi Cahaya

Pada pelajaran gerak gelombang, telah diperkenalkan pula bahwa gelombang permukaan air yang melewati sebuah penghalang berupa sebuah celah sempit akan mengalami lenturan (difraksi). Peristiwa yang sama terjadi jika cahaya dilewatkan pada sebuah celah yang sempit sehingga gelombang cahaya itu akan mengalami difraksi. Selain disebabkan oleh celah sempit, peristiwa difraksi juga dapat disebabkan oleh kisi. Kisi adalah sebuah penghalang yang terdiri atas banyak celah sempit. Jumlah celah dalam kisi dapat mencapai ribuan pada daerah selebar 1 cm. Kisi difraksi adfalah alat yang sangat berguna untuk menganalisis sumber-sumber cahaya. Perhatikan Gambar 2.8.

Gambar 2.8. Cahaya yang melewati celah sempit

Kita dapat melihat gejala difraksi ini dengan mudah pada cahaya yang melewati sela jari-jari yang kita rapatkan kemudian kita arahkan pada sumber cahaya yang jauh, misalnya lampu neon. Atau dengan melihat melalui kisi tenun kain yang terkena sinar lampu yang cukup jauh.

8.    Difraksi Celah Tunggal

Pola difraksi yang disebabkan oleh celah tunggal dijelaskan oleh Christian Huygens. Menurut Huygens, tiap bagian celah berfungsi sebagai sumber gelombang sehingga cahaya dari satu bagian celah dapat berinterferensi dengan cahaya dari bagian celah lainnya.

Interferensi minimum yang menghasilkan garis gelap pada layar akan terjadi,

jika gelombang 1 dan 3 atau 2 dan 4 berbeda fase ½, atau lintasannya sebesar setengah panjang gelombang. Perhatikan Gambar 2.9.

Gambar 2.9.interferensi celah tunggal

Berdasarkan Gambar 2.9 tersebut, diperoleh beda lintasan kedua gelombang (d sin θ)/2.

ΔS = (d sin θ)/2 dan ΔS = ½ λ, jadi d sin θ = λ

Jika celah tunggal itu dibagi menjadi empat bagian, pola interferensi minimumnya menjadi

ΔS = (d sin θ)/4 dan ΔS = ½ λ, jadi d sin θ = 2 λ.

Berdasarkan penurunan persamaan interferensi minimum tersebut, diperoleh persamaan sebagai berikut.

d sin θ = mλ                                                       2.13

dengan: d = lebar celah

  m = 1, 2, 3, . . .

Untuk mendapatkan pola difraksi maksimum, maka setiap cahaya yang melewati celah harus sefase. Beda lintasan dari interferensi minimum tadi harus dikurangi dengan  sehingga beda fase keduanya mejadi 360°. Persamaan interferensi maksimum dari pola difraksinya akan menjadi :

..........................................2.14

Dengan (2m – 1) adalah bilangan ganjil, m = 1, 2, 3, …

Contoh Soal Difraksi Celah Tunggal

Untuk pola difraksi maksimum, tentukanlah beda celah minimum yang dibutuhkan pada difraksi celah tunggal bila diinginkan sudut difraksinya 30°, dan panjang gelombang yang digunakan 500 nm.

Penyelesaian:

Dengan menggunakan persamaan (2.14), diperoleh

d mencapai minimum jika m = 1

Jadi, lebar celah minimum 500 nm.

9.    Difraksi Pada Kisi

Jika semakin banyak celah pada kisi yang memiliki lebar sama, maka semakin tajam pola difraksi dihasilkan pada layar. Misalkan, pada sebuah kisi, untuk setiap daerah selebar 1 cm terdapat N = 5.000 celah. Artinya, kisi tersebut terdiri atas 5.000 celah per cm. dengan demikian, jarak antar celah sama dengan tetapan kisi, yaitu

Pola difraksi maksimum pada layar akan tampak berupa garis-garis terang atau yang disebut dengan interferensi maksimum yang dihasilkan oleh dua celah. Jika beda lintasan yang dilewati cahaya datang dari dua celah yang berdekatan, maka interferensi maksimum terjadi ketika beda lintasan tersebut bernilai 0, λ, 2λ, 3λ, …,. Pola difraksi maksimum pada kisi menjadi seperti berikut.

d sinθ = mλ ......................................................2.15

dengan m = orde dari difraksi dan d = jarak antar celah atau tetapan kisi.

Demikian pula untuk mendapatkan pola difraksi minimumnya, yaitu garis-garis gelap. Bentuk persamaannya sama dengan pola interferensi minimum dua celah yaitu:

d sinθ = (m+ ½ )λ .............................................2.16

Jika pada difraksi digunakan cahaya putih atau cahaya polikromatik, pada layar akan tampak spectrum warna, dengan terang pusat berupa warna putih.

Gambar 2.10.  Difraksi cahaya putih akan menghasilkan

pola berupa pita-pita spectrum

Cahaya merah dengan panjang gelombang terbesar mengalami lenturan atau pembelokan paling besar.Cahaya ungu mengalami lenturan terkecil karena panjang gelombang cahaya atau ungu terkecil.Setiap orde difraksi menunjukkan spectrum warna.

Contoh Soal Difraksi pada Kisi

Sebuah kisi memiliki 10.000 celah per cm. Pada kisi dilewatkan cahaya tegaklurus dengan panjang gelombang l. Garis terang difraksi maksimum orde pertama membentuk sudut 30^o terhadap garis normal. Tentukanlah l.

Penyelesaian:

Diketahui:  =10^-4 cm, sin 30^o = ½, m=1.

Ditanya : l = ….?

Jawab:

Berdasarkan hubungan d sinq = ml, diperoleh:

(10^-4 cm)(1/2) = (1) λ

Jadi, λ=0,5 × 10^-4 cm = 5000 Å

10.  Daya Urai Alat Optik

Alat-alat optic seperti Lup, teropong, dan milkroskop memiliki kemampuan untuk memperbesar bayangan benda.Namun, perbesaran bayangan benda yang dihasilkan terbatas.Kemampuan perbesaran alat-alat optic itu selain dibatasi oleh daya urai lensa juga dibatasi oleh pola difraksi yang terbentuk pada bayangan benda itu.

 

Gambar 2.11. Pola difraksi yang dibentuk oleh sebuah celah bulat

Pola difraksi yang dibentuk oleh sebuah celah bulat terdiri atas bintik terang pusat yang dikelilingi oleh cincin-cincin terang dan gelap seperti pada Gambar 2.11.Pola tersebut dapat dijelaskan dengan menggunakan Gambar 2.12.

Gambar 2.12. Daya urai suatu lensa

D=diameter lobang

l =jarak celah ke layar

d_m=jari-jari lingkaran terang

θ = sudut deviasi

Pola difraksi dapat diperoleh dengan menggunakan sudut q yang menunjukkan ukuran sudut dari setiap cincin yang dihasilkan dengan persamaan:

.................................................2.17

dengan λ merupakan panjang gelombang cahaya yang digunakan.

Untuk sudut-sudut kecil, maka diperoleh sinθ » tan θ = d_m/λ dan sama dengan sudutnya q sehingga dapat ditulis:

,   atau   2.18

Contoh Soal Daya Urai Alat Optik

Tentukanlah daya urai sebuah celah dengan diameter 1 mm dan jarak celah ke layar 2m, dengan menggunakan cahaya yang panjang gelombangnya 580 nm.

Penyelesaian:

Diketahui:

D= 1mm, l =2m=2×10³ mm; =580nm = 5,8 × 10^-4 mm

Ditanya : d_m =  …….?

Jawab:

d_m = 1,22 λl/D = 1,22(5,8×10^-4 mm) (2×10³mm)/1mm =1,4 mm.

Jadi, daya urai celah tersebut 1,4 mm.

11.  Polarisasi Cahaya

Polarisasi gelombang hanya dapat terjadi pada gelombang transversal, tidak terjadi pada gelombang longitudinal. Untuk mengetahui apa yang dimaksud dengan peristiwa polarisasi, perhatikan gelombang tali pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13. Gelombang tali yang terpolarisasi

Sebelum dilewatkan pada celah sempit vertical, tali bergetar dengan simpangan seperti spiral.Setelah gelombang pada tali melewati celah, hanya arah getar vertical yang masih tersisa.Adapun arah getar horizontal atu diserap oleh celah sempit itu.Gelombang yang keluar dari celah tadi disebut gelombang polarisasi, lebih khusus disebut terpolarisasi linier.

Terpolarisasi artinya memiliki satu arah getar tertentu saja. Polarisasi yang hanya terjadi pada satu arah disebut polarisasi linear. Apa yang terjadi jika celah sempit dipasang secara horizontal? Apakah terjadi polarisasi linear?

Cahaya terpolarisasi dapat diperoleh dari cahaya tidak terpolarisasi, yaitu dengan menghilangkan (memindahkan) semua arah getar dan melewatkan salah satu arah getar saja. Ada 4 cara untuk melakukan hal ini, yaitu: 1) penyerapan selektif, 2)pemantulan, 3) pembiasan ganda, dan 4) hamburan.

12.  Polarisasi Dengan Penyerapan Selektif

Tehnik yang umum untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi adalah menggunakan polaroid. Polaroid akan meneruskan gelombang-gelombang yang arah getarnya sejajr dengan sumbu transmisi dan menyerap gelombang-gelombang pada arah lainnya. Oleh karena tehnik berdasarkan penyerapan arah getar, maka disebut polarisasi dengan penyerapan selektif. Suatu polaroid ideal akan meneruskan semua komponen medan listrik E yang sejajar dengan sumbu transmisi dan menyerap suatu medan listrik E yang tegak lurus pada sumbu transmisi.

Jika cahaya tidak terpolarisasi dilewatkan pada sebuah kristal, maka arah getaran yang keluar dari kristal hanya terdiri atas satu arah disebut

cahaya terpolarisasi linier. Kristal yang dapat menyerap sebagian arah getar disebut dichroic.

Gambar 2.14. Kristal melewatkan cahaya

terpolarisasi linear dan menyerap arah lainnya.

Selanjutnya, pada Gambar 2.15 ditunjukkan susunan dua keping Polaroid. Keping Polaroid yang pertama disebut polarisator, sedangkan keping polaroid yang kedua disebut analisator.

Gambar 2.15 (a) Polarisator dan analisator dipasang sejajar.

(b) Polarisator dan analisator dipasang bersilangan.

Jika seberkas cahaya dengan intensitas I₀ dilewatkan pada sebuah polalisator ideal, intensitas cahaya yang dilewatkan adalah 50% atau . Akan tetapi, jika cahaya dilewatkan pada polalisator dan analisator yang dipasang bersilangan, tidak ada intensitas cahaya yang melewati analisator. Secara umum, intensitas yang dilewati analisator adalah

.....................................................2.19

Dengan I₂ adalah intensitas cahaya yang lewat analisator. I₀ adalah intensitas awal seblum maasuk polalisator dan θ adalah sudut antara arah polarisasi polalisator dan arah polarisasi analisator. Jika keduanya sejajar, θ = 0. jika keduanya saling bersilangan,  θ = 90°.

Contoh Soal Polarisasi dengan Penyerapan Selektif

Seberkas cahaya alamiah dilewatkan pada dua keping kaca polaroid yang arah polarisasi satu sama lain membentuk sudut 60°. Jika intensitas cahaya alamiahnya 100 Wcm^-2, tentukanlah intensitas cahaya yang telah melewati cahaya polaroid itu.

Penyelesaian:

Dengan menggunakan persamaan (2.19) diperoleh

Jadi, intensitas cahaya yang dilewatkan 12,5 Wcm^-2.

13.  Polarisasi Pada Pemantulan dan Pembiasan

Jika seberkas pola cahaya alamiah dijatuhkan pada permukan bidang batas dua medium, maka sebagian cahaya akan mengalami pembiasan dan sebagian lagi mengalami pemantulan. Sinar bias dan sinar pantul akan terpolarisasi sebagian. Jika sudut sinar datang diubah-ubah, pada suatu saat sinar bias dan sinar pantul membentuk sudut 90°. Pada keadaan ini, sudut sinar datang (i) disebut sudut polarisasi (i_p) karena sinar yang terpantul mengalami polarisasi sempurna atau terpolarisasi linear. Menurut Hukum Snellius,

n₁ sin i_p = n₂ sin r, dengan r + i_p = 90 atau r = 90 – i­_p

selanjutnya dapat dituliskan

n₁ sin i_p = n₂ sin (90 – i_p)= n₂ cos i_p

...............................................2.20

Sudut i_p disebut sudut polarisasi atau sudut Brewster, yaitu sudut datang pada sinar bias dan sinar pantul membentuk sudut 90°.

Dalam sebuah kristal tertentu, cahaya alamiah yang masuk ke dalam kristal dapat mengalami pembiasan ganda. Pembiasan ganda ini dapat terjadi karena kristal tersebut memiliki dua nilai indeks bias. Perhatikan Gambar 23, tampak ada dua bagian sinar yang dibiaskan  yang hanya mengandung E_// dan yang lain hanya mengandung. Jadi, indeks bias serta laju E_// dan adalah tidak sama.

Gambar 2.16.Polarisasi pada pembiasan ganda.

14.  Polarisasi Dengan Hamburan

Berkas cahaya yang melewati gas akan mengalami polarisasi sebagian karena partikel-partikel gas dapat menyerap dan memancarkan kembali cahaya yang mengenainya. Penyerapan dan pemancaran cahaya oleh partikel-partikel gas disebuthamburan. Oleh karena peristiwa hamburan ini, langit pada siang hari tampak berwarna biru.Hal tersebut dikarenakan partikel-parikel udara menyerap cahaya matahari dan memancarkan kembali (terutama) cahaya biru. Demikian pula, pada pagi hari dan sore hari, partikel-partikel udara akan menghamburkan lebih banyak cahaya merah (melalui kolom udara yang lebih panjang) sehingga pada pagi dan sore hari, cahaya matahari tampak lebih banyak memancarkan cahaya merah. Sebaliknya, di bulan tidak ada yang dapat menghamburkan cahaya matahari karena bulan tidak memiliki atmosfir. Oleh karena itu, atmosfir bulan akan tampak gelap.

Penerapan Polarisasi

Salah satu penerapan penting dari proses polarisasi adalah Liquid Crystal Dsiplay (LCD). LCD digunakan dalam berbagai tampilan, dari mulai jam digital, layar kalkulator, hingga layar televise. LCD dapat diartikan alat peraga kristal cair, berisi dua filter polarisasi yang saling menyilang dan didukung oelh sebuah cermin. Biasanya polarisator yang saling menyilang menghalangi semua cahaya yang melewatinya. Namun, diantar kedua filter itu terdapat lapisan kristal cair. Selain energi listrik alat ini dipadamkan, kristalnya memutar sinar-sinar yang kuat dengan membentuk sudut 90⁰. Sinar-sinar yang berputar itu kemudian dapat menembus filter (penyaring) bagian belakang. Kemudian sinar-sinar itu dipantulkan oleh cermin sehingga peraga (layar) tampak putih. Angka atau huruf pada peraga dengan menyatakan daerah-daerah kristal cair. Ini mengubah posisi kristal cair tersebut sehingga kristal-kristal tidak lagi memutar cahaya.