Difraksi Cahaya

Difraksi merupakan pembelokan gelombang di sekitar suatu penghalang atau pinggir celah.

Cahaya yang melewati sebuah celah sempit yang seukuran dengan panjang gelombang cahaya, mengalami lenturan atau Difraksi. Utuk difraksi celah tunggal yang kita amati adalah pita gelap. Pita gelap ke – n terjadi jika,

Difraksi minimum

n = 1,2,3,…

n = 1 untuk pita gelap ke – 1, n = 2 untuk pita gelap ke – 2,….

Difraksi maksimum

n = 0,1,2,3,…

n = 0 untuk pita terang pusat, n = 1 untuk pita terang ke – 1,….

θ = sudut simpang (Sudut Deviasi).

d= lebar celah

Lebar pita terang pusat = 2y1, dengan y1 adalah jarak pita gelap ke - 1 dari titik tengah terang pusat , dihitung sebagai berikut :

Dengan L adalah jarak celah tunggal ke layar.

Macam-macam difraksi :

1. Difraksi Fresnal dan Difraksi Fraunhoter- Difraksi medan dekat / difraksi fresnal (Augustin Jean Fresnal, 1788 – 1827)

d sin θ=(n+ 12) λ

d y1

L=λ atau y1=

L λd

θdθ

L

y1

y1

“Sumber titik dan layar relatif dekat ke rintangan yang membentuk pola difraksi”

- Difraksi medan jauh / difraksi Frounhoter (Joseph Von Fraunhoter, 1787 – 1826)

“Sumber titik, rintangan dan layar cukup jauh, sehingga sinar-sinar dari sumber kerintangan dapat dianggap sejajar”

2. 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.

3. Kisi difraksi

Kisi difraksi merupakan alat yang digunakan untuk menghasilkan pola interferensi yang lebih tajam pada layar yang memiliki celah dengan lebar sama dan jarak antar celah yang berdekatan juga sama. Tetapan kisi garis terang

d= 1N

;d sin θ=n λ ;n=0,1,2 , …

n= 0 menyatakan maksimum orde ke nol atau pusat terang, n =1 menyatakan maksimum orde ke-1(garis terang ke-1), dan seterusnya.

Inteferensi cahaya

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  (akan

dibahas pada Bab 3).

 

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:

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

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:

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.

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 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.

Percobaan Interferensi oleh Frenell 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 atau interferensi 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, ...)

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 pada Gambar 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 di B 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

Cincin Newton

Fenomena cincin Newton merupakan pola interferensi yang disebabkan oleh pemantulan

cahaya di antara dua permukaan, yaitu permukaan lengkung (lensa cembung) dan permukaan

datar yang berdekatan. Ketika diamati menggunakan sinar monokromatis akan terlihat

rangkaian pola konsentris (sepusat) berselang-seling antara pola terang dan pola gelap.

Jika diamati dengan cahaya putih (polikromatis), terbentuk pola cincin dengan warna-warni

pelangi karena cahaya dengan berbagai panjang gelombang berinterferensi pada ketebalan

lapisan yang berbeda. Cincin terang terjadi akibat interferensi destruktif.

Cincin di bagian luar lebih rapat dibandingkan di bagian dalam. Dengan R adalah jari-jari

kelengkungan lensa, dan panjang gelombang cahaya dalam kaca adalah λ, radius cincin

terang ke-n, yaitu rn dapat dihitung dengan rumus

dengan m = 1, 2, 3, … adalah nomor urut cincin terang.

Sedangkan radius cincin gelap ke-n, yaitu  rn dapat dihitung dengan rumus

dengan m = 1, 2, 3, … adalah nomor urut cincin gelap.

Perlu diingat bahwa panjang gelombang λ pada persamaan di atas adalah panjang gelombang

cahaya dalam kaca (lensa) yang dapat dinyatakan dengan: λ = λ0/r, di mana λ0 adalah panjang

gelombang cahaya di udara dan n adalah indeks bias kaca (lensa)

Transmisi Gelombang dan Refleksi Gelombang

Jika gelombang merambat dari medium 1 ke medium 2 yang berbeda jenisnya, maka

akan terjadi Gelombang Transmisi dan Gelombang Refleksi.

• Transmisi Gelombang adalah Gelombang yang diteruskan ke medium 2

• Refleksi Gelombang adalah Gelombang yang dipantulkan kembali ke medium 1

Bila suatu gelombang datang pada suatu permukaan batas yang memisahkan dua

daerah dengan laju gelombang yang berbeda, maka sebagian gelombang akan dipantulkan

(refleksi) dan sebagian lain akan ditransmisikan. Berkas yang terpantul membentuk sudut

dengan garis normal permukaan yang besarnya sama dengan sudut berkas datang (berlaku

untuk semua gelombang). Berkas yang ditransmisikan akan dibelokkan mendekat atau

menjauh dari garis normal-bergantung pada apakah laju gelombang pada medium kedua lebih

kecil atau lebih besar daripada laju gelombang dalam medium datang. Pembelokan berkas

yang ditransmisikan disebut refraksi (pembiasan) (berlaku untuk semua gelombang).

Pada proses pemantulan dan pembiasan gelombang dapat terpolarisasi sebagian atau

seluruhnya oleh refleksi. Perbandingan intensitas cahaya yang dipantulkan dengan cahaya

yang datang disebut reflektansi (R), sedangkan perbandingan intensitas cahaya yang

ditransmisikan dengan cahaya datang disebut transmitansi (T). Fresnel menyelidiki dan

merumuskan suatu persamaan koefisien refleksi dan koefisien transmisi yang dihasilkan oleh

pemantulan dan pembiasan (Pedrotti, 1993).

a. Transmisi gelombang merupakan sisa energi gelombang setelah melewati/menembus suatu

struktur penahan gelombang. Gelombang transmisi sangat dipengaruhi pada karakteristik

gelombang. Koefisien transmisi (t) adalah perbandingan amplitudo gelombang yang

ditransmisikan dibandingkan gelombang datang. Pembelokan berkas yang ditransmisikan

disebut refraksi (pembiasan). Pembiasan terjadi karena gelombang memasuki medium yang

berbeda dan kecepatan gelombang pada medium awal dan medium yang dimasuki berbeda.

Jika arah datang gelombang tidak sejajar dengan garis normal maka pembiasan menyebabkan

pembelokan arah rambat gelombang. Gelombang air yang melalui daerah yang lebih dangkal

mengalami perubahan kecepatan, sehingga terjadi pembiasan. Cahaya yang bergerak dari

udara ke air mengalami pembiasan karena perbedaan kecepatan cahaya di udara dan di air.

b. Pemantulan gelombang (Refleksi), terjadi pada saat sebuah gelombang yang merambat

dalam suatu media sampai di bidang batas medium tersebut dengan media lainnya. Dengan

demikian, Pemantulan (refleksi) sebuah gelombang adalah bidang batas antara dua medium

yang berbeda. Koefisien refleksi (r) adalah perbandingan amplitudo gelombang pantul

dibandingkan amplitudo gelombang datang.

Hukum pemantulan menyatakan bahwa sudut datang sama dengan sudut pantul, atau θ i= θ r.

Transmisi dan Refleksi pada Gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik yang bersumber dari matahari dan bergerak menuju

permukaan bumi dimanfaatkan sebagai dasar pengenalan obyek pada sistem penginderaan

jauh pasif. Gelombang yang jatuh pada suatu permukaan obyek akan mengalami beberapa

kejadian terhadap gelombang elektromagnetik tersebut. Sebagian dari gelombang

elektromagnetik akan dipantulkan oleh permukaan obyek. Sebagian akan dihamburkan ke

atmosfer yang berada di atasnya. Sebagian lagi akan diserap dan ditransmisikan ke balik

permukaan obyek tersebut sebagai panas. Nilai pantulan, serapan, dan transmisi banyak

dipengaruhi oleh sifat obyek atau benda. Pada benda hitam (black bodies), nilai serapan lebih

besar dari pada nilai energi yang dipantulkan. Kebalikannya, pada benda putih, nilai energi

yang diserap lebih sedikit daripada energi yang dipantulkan. Energi yang dihamburkan oleh

obyek sangat dipengaruhi oleh tingkat kekasaran permukaan obyek. Pada permukaan obyek

yang kasar, dimana tingkat kekasarannya lebih besar dari panjang gelombang yang jatuh pada

permukaan tersebut, maka gelombang akan di hamburkan ke segala arah. Gelombang yang

jatuh pada permukaan obyek dengan tingkat kekasaran permukaan lebih kecil dari panjang

gelombang, maka akan terjadi pemantulan specular.

Kondisi kekasaran dan sudut permukaan obyek mempengaruhi tipe pantulan yang

akan terjadi. Beberapa tipe pantulan dapat digambarkan sebagai berikut :

1. Tipe Specular : Pantulan tipe ini terjadi ketika gelombang elektromagnetik yang

datang jatuh pada sebuah bidang datar dengan permukaan yang halus. Sudut pantulan

memiliki besaran yang sama dengan sudut datang gelombang elektromagnetik

tersebut pada permukaan.

2. Tipe Lambertian (Diffuse) : Pada tipe ini, gelombang elektromagnetik dipantulkan ke

segala arah. Pantulan pada tipe ini terjadi ketika gelombang elektromagnetik jatuh

pada permukaan yang kasar dengan permukaan yang menghadap ke segala arah.

3. Tipe Corner Reflector : Pantulan gelombang elektromagnetik akan berbalik kembali

ke asal sumber gelombang tersebut. Pantulan ini terjadi ketika gelombang

elektromagnetik jatuh pada dua bidang datar dan halus yang saling tegak lurus

membentuk sudut 90 derajat.