artikel/materi cahaya gelombang dan alat optik

FISIKA

Cahaya  Gelombang
-Spektrum cahaya,difraksi,interferensi,dan polarisasi
-pemanfaatan konsep dan prinsip cahaya pada  teknologi,layar lcd dan led

Alat Optik
- Prinsip kerja alat optik(efek zoom pada lensa kamera lup,teropong dan teropong bintang)
- Simulasi transfer data dengan serat optik

CAHAYA GELOMBANG

Pengertian Cahaya

Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasatmata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombangkasat 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 sebutanoptika, merupakan area riset yang penting pada fisika modern.

Studi mengenai cahaya dimulai dengan munculnya era optika klasik yang mempelajari besaran optik seperti: intensitas, frekuensiatau panjang gelombang, polarisasi dan fasa cahaya. Sifat-sifat cahaya dan interaksinya terhadap sekitar dilakukan denganpendekatan paraksial geometris sepertirefleksi dan refraksi, dan pendekatan sifat optik fisisnya yaitu: interferensi,difraksi, dispersi,polarisasi. Masing-masing studi optika klasik ini disebut dengan optika geometris (en:geometrical optics) dan optika fisis (en: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 1877Ludwig Boltzmann mengatakan bahwa status energi sistem fisik dapat menjadi diskrit, teori kuantumsebagai model dari teori radiasi massa hitamoleh Max Planck pada tahun 1899 dengan hipotesa bahwa energi yang teradiasi dan terserap dapat terbagi menjadi jumlahan diskrit yang disebutelemen 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 mendapatkan penghargaan 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 sinar laser pada tahun 1960.

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

Sumber Cahaya

Sumber cahaya adalah benda yang bisa menghasilkan cahaya. Sumber cahaya dibedakan menjadi dua yakni sumber cahaya alami adalah benda yang dapat memancarkan cahayanya sendiri, seperti matahari, api dan bioluminesens. Dan sumber cahaya buatan adalah benda yang dapat memancarkan cahaya akibat suatu proses tertentu.

1.  Perambatan Cahaya dan Pembentukan Bayangan

Cahaya merambat menurut lintasan yang berbentuk garis lurus. Pembentukan bayangan suatu benda disebabkan oleh sifat cahaya yang merambat menurut garis lurus. Anggapan cahaya yang merambat menurut garis lurus disebut optik geometrik.

Akibat cahaya merambat lurus, benda yang tidak tembus cahaya seperti buku, pohon,kertas, atau tubuh manusia akan membentuk bayangan apabila terkena cahaya.

2.  Bayangan Umbra dan Penumbra

Jika sebuah benda tidak tembus cahaya dikenai cahaya, di belakang benda tersebut akan terbentuk dua bayangan, yaitu bayangan inti dan bayangan kabur. Bayangan inti disebut umbra dan bayangan kabur disebut penumbra.

Sifat Sifat Cahaya

-        Spektrum cahaya

-        Difraksi

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.

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.

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

-        Interferensi

Pada bab 1(gelombang mekanik), 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  (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:

(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 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, ...)

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

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

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.

Polarisasi

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.

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.

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.

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 disebut hamburan. 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.

Alat Optik

Prinsip kerja alat optik

KAMERA DIGITAL

Selain kamera konvensional di atas, terdapat kamera yang lebih mudah penggunaannya yakni kamera digital. Kamera digital ini lebih sering kita temui di lingkungan sekitar kita, selain penggunaannya yang mudah harganya juga relatif lebih murah. Kamera digital yaitu kamera yang dapat bekerja tanpa menggunakan film negatif sebagai gantinya adalah sensor. Kita dapat dengan mudah menangkap suatu objek dikarenakan kamera digital menggunakan sebuah layar LCD yang terpasang di belakang kamera. Dibalik teknologi canggih tersebut, tahukah kalian bagaimana prinsip dan cara kerja kamera digital? Yuk mari kita bahas, tapi mukanya gausah serius gitu :D

           

Jenis-jenis kamera digital
A.       Kamera Saku (Point and Shoot Camera)

Point and Shoot Camera merupakan kamera yang paling banyak digunakan. Selain mudah digunakan, dari segi harga juga relatif murah. Kamera ini dirancang untuk orang-orang yang kurang menyukai kontrol manual. Kamera ini mempunyai fasilitas yang menarik, antara lain :

1. Optical zoom
Yaitu fasilitas pembesaran gambar yang dilakukan dengan kombinasi reposisi lensa.

2. Digital zoom
Yaitu fasilitas pembesaran gambar yang dilakukan secara digital. Proses ini sebenarnya hanya berupa proses crooping dan pembesaran menggunakan software internal kamera. Zoom ini mengakibatkan gambar menjadi kabur (blur).

3. Resolusi sampai dengan 3,1 mega piksel
Media bidik bisa berupa lensa konvensional. LCD, atau merupakan kombinasi keduanya.

Terdapat satu fitur pada kamera saku yang sebaiknya kalian hindari pemakaiannya, yaitu digital zoom. Mau tau kenapa?

Saat kalian menggunakan optical zoom, komponen gelas optik di dalam lensa akan memperbesar ukuran objek baru kemudian hasil perbesaran dari lensa akan ditangkap oleh sensor kamera lalu direkam. Sebaliknya, digital zoom tidak benar-benar memperbesar ukuran objek, namun hanya melakukan pemotongan (cropping) area gambar disekitar objek dan “mengembangkan” ukuran foto dengan menggunakan interpolasi. Dengan cara seperti ini, foto akan kehilangan banyak detail. Jadi jika kalian menggunakan digital zoom maka hasil foto akan tampak tidak tajam atu cenderung blur. Jika dengan optical zoom objek yang kalian inginkan masih tampak terlalu kecil, maka berjalanlah mendekat ke objek baru bidiklah. Usahakan untuk memakai digital zoom jika benar-benar terpaksa, karena banyak sekali ruginya. Ini nih contoh hasil penggunaan digital zoom

Gambar Asli                                    Hasil Digital Zoom

Kamera Digital SLR (Single Lens Reflex)

   Resolusi terendah yang dimiliki kamera digital SLR (Single Lens Reflex) adalah 5,1 megapiksel. Sama halnya dengan kamera SLR analog, kamera digital SLR juga memiliki kualitas gambar terbaik karena menggunakan lensa optik dan sistem kontrol manual. Selain kontrol yang diberikan secara manual, kamera ini juga memiliki sistem kontrol otomatis yang dibantu oleh mikro prosesor yang cukup canggih. Kamera digital bertipe SLR ini, seperti halnya kamera SLR analog, juga menggunakan lensa yang bisa dilepas dan diganti dengan lensa berdiameter lebih besar atau lebih kecil sesuai kebutuhan. Selain itu, penempatan tombol dan fungsi dasar kedua kamera digital ini tidak banyak berbeda. Terdapat 2 hal yang harus diperhatikan dalam menggunakan kamera digital SLR, yaitu lensa dan blitz.

Cara Kerja Kamera Digital

   1. Lensa menangkap gambar, kemudian diteruskan ke bagian panel penangkap gambar. Penangkap gambar atau biasa disebut sensor CCD (yang juga berfungsi sebagai view finder) mengirimkan gambar ke LCD. Sementara pada kamera DSLR, gambar juga dilewatkan ke cermin pantulan yang merefleksikan gambar ke jendela intip (eye finder).

   2. Gambar yang ditangkap oleh lensa, dilewatkan pada filter warna yang kemudian akan ditangkap oleh CCD atau sensor gambar. Jarak antara lensa dan sensor ini dikenal dengan istilah focal length. Jarak ini pula yang akan menjadi faktor pengali pada lensa.

   3. Tugas CCD adalah merubah sinyal analog (gambar yang ditangkap oleh lensa) menjadi sinyal listrik. Pada CCD ini terdapat jutaan titik sensor yang dikenal dengan pixel. Jadi istilah pixel atau megapixel pada kamera digital sebenarnya mengacu pada jumlah titik pada sensor ini. Semakin kecil sensor dan semakin banyak titik sensornya, maka akan semakin halus dan semakin tinggi resolusi gambar yang dihasilkan.

   4. Gambar yang ditangkap oleh sensor CCD diteruskan ke bagian pemroses gambar yang tugasnya memproses semua data dari sensor CCD menjadi data digital berupa file format gambar, serta melakukan proses kompresi sesuai format gambar yang dipilih (RAW, JPEG, dan sebagainya). Di bagian ini selain chipset yang berperan, software (firmware) dari kamera yang bersangkutan juga menentukan hasil akhir gambar. Kedua bagian inilah yang akan menentukan karakter dari kamera digital tersebut. Itulah sebabnya, setiap mereka kamera memiliki software dan chipset sendiri-sendiri pada kamera mereka.

   5. Proses yang terakhir adalah mengirimkan hasil file gambar dalam format yang dipilih ke bagian penyimpanan (storage) atau memory card. Biasanya, memory card berupa SD, CF dan sebagainya.

LUP

            Sebagaimana namanya, lup memiliki fungsi untuk memperbesar bayangan benda. Lup adalah lensa cembung yang digunakan untuk mengamati benda-benda kecil agar nampak lebih besar. Bayangan yang dibentuk oleh lup memiliki sifat: maya, tegak, dan diperbesar. Untuk itu benda harus diletakkan di Ruang I atau daerah yang dibatasi oleh fokus dan pusat lensa atau cermin (antara f dan O), dimana So < f.

Ada dua cara bagaimana menggunakan lup yaitu:
a.  Dengan cara mata berakomodasi maksimum.

b.  Dengan cara mata tidak berakomodasi.

a. Mata Berakomodasi Maksimum

Mata berakomodasi maksimum yaitu cara memandang obyek pada titik dekatnya (otot siliar bekerja maksimum untuk menekan lensa agar berbentuk secembung-cembungnya).
Pada penggunaan lup dengan mata berakomodasi maksimum, maka yang perlu diperhatikan adalah:

bayangan yang dibentuk lup harus berada di titik dekat mata / Punctum Proksimum (PP)

benda yang diamati harus diletakkan di antara titik fokus dan lensa

kelemahan : mata cepat lelah

keuntungan : perbesaran bertambah (maksimum)

Sifat bayangan : maya, tegak, dan diperbesar

b. Mata Tak Berakomodasi

Mata tak berakomodasi yaitu cara memandang obyek pada titik jauhnya (yaitu otot siliar tidak bekerja/rileks dan lensa mata berbentuk sepipih-pipihnya).
Pada penggunaan lup dengan mata tak berakomodasi, maka yang perlu diperhatikan adalah:

maka lup harus membentuk bayangan di jauh tak hingga

benda yang dilihat harus diletakkan di titik fokus (So = f)

keuntungan : mata tak cepat lelah

Kerugian : perbesaran berkurang (minimum)

Perhitungan
a. Pada mata berakomodasi maksimum

• Si = -PP = -Sn

1/f = 1/So + 1/-Sn
 
Perbesaran sudut atau perbesaran angular
M = (PP/f)  +  1

b. Pada mata tak berakomodasi

• Si = -PR

• So = f

Perbesaran sudut

M = PP/f

 M = perbesaran sudut

PP = titik dekat mata dalam meter 
f = Jarak focus lup dalam meter

 TEROPONG

            Teropong atau teleskop adalah sebuah alat yang digunakan untuk melihat benda-benda yang jauh sehingga tampak lebih jelas dan lebih dekat. Secara umum teropong terdiri atas dua buah lensa positif. Satu lensa mengarah ke obyek dan disebut lensa obyektif dan satu lensa mengarah ke mata dan disebut lensa okuler.

Berdasarkan fungsinya teropong dibagi menjadi:

1. teropong bintang

2. teropong bumi

3. teropong panggung

            Prinsip utama pembentukan bayangan pada teropong adalah: lensa obyektif membentuk bayangan nyata dari sebuah obyek jauh dan lensa okuler berfungsi sebagai lup. Dengan demikian cara mengamati obyek apakah mau dengan cara berakomodasi maupun tidak berakomodasi tergantung dari posisi lensa okulernya. Oleh karena itu jarak antara obyektif dan okuler dapat diubah-ubah. Panjang teropong adalah jarak antara lensa obyektif dan lensa okulernya.

Teropong Bintang

            Teropong bintang digunakan untuk mengamati obyek-obyek yang ada di langit (bintang). Teropong bintang terdiri dari sebuah lensa cembung yang berfungsi sebagai lensa obyektif dengan diameter dan jarak fokus besar, sedangkan okulernya adalah sebuah lensa cembung dengan jarak fokus pendek.

Simulasi transfer data dengan serat optik

  Serat optik dan keunggulannya

Serat optik adalah salah satu media transmisi yang mampu menyalurkan data dengan kapasitas besar dengan kehandalan tinggi. Kehandalan serat optik ini diperoleh karena serat optik menggunakan gelombang optik (cahaya laser) sebagai gelombang pembawanya. Hal ini berbeda dengan jenis media transmisi lain yang menggunakan sinyal listrik yang merambat melalui kabel sebagai pembawa sinyal. Penyaluran informasi pada serat optik dibawa oleh sinyal digital yang dirambatkan dalam bentuk gelombang cahaya. Gelombang cahaya dapat membawa informasi lebih banyak (kapasitas besar) dengan kecepatan tinggi. Kecepatan transfer data yang mampu dilakukan melalui serat optik ini dapat mencapai 200.000 Mbps (200 Gbps), suatu nilai yang sangat fantastis. Melalui serat optik ini juga menjamin keamanan data yang sedang ditransmisikan dari upaya pencurian data maupun pemotongan (tap) data di tengah jalan.

  12. Bentuk Fisik Serat Optik Sebagai media transmisi yang berfungsi untuk menyalurkan data dalam bentuk cahaya,

 maka serat optik harus dibuat dari semacam bahan kaca (atau plastik). Diameter m sampai 125 mserat optik berkisar antara 2  m m, suatu nilai yang sangat kecil. Dalam upaya untuk memperoleh kinerja yang baik, biasanya serat ultra pure fused silika adalah bahan yang sering digunakan sebagai bahan pembuat serat optik karena memiliki loss kecil. Serat optik berbentuk silinder yang terdiri dari tiga bagian yaitu bagian core, cladding, dan jacket (pembungkus) (lihat gambar). Core adalah bagian terdalam yang terdiri dari satu serat atau lebih, serat inilah yang merupakan jalur bagi sinyal cahaya. Tiap serat dikelilingi oleh cladding dan kemudian ditutupi oleh coating. Bagian terluar adalah jacket yang berfungsi melindungi serat optik dari pengaruh luar, seperti kelembapan udara, abrasi dan kerusakan.

  13. Cara Kerja Sistem Serat Optik

Pada dasarnya serat optik merupakan suatu kesatuan yang terdiri dari komponen-komponen pendukung yang membentuk suatu sistem. Hal ini dikarenakan informasi (data) yang akan ditransmisikan dalam serat optik berupa cahaya, sehingga sebelum informasi disalurkan terlebih dahulu informasi tersebut diubah bentuknya menjadi cahaya. Pada umumnya sistem transmisi serat optik terdiri tiga bagian yaitu dari sumber cahaya, media transmisi dan detektor. Sumber cahaya adalah bagian dari sistem yang mengubah sinyal listrik menjadi sinyal cahaya yang sesuai. Tugas ini biasanya dilakukan oleh LED (Light Emitting Diode) atau bisa juga menggunakan dioda laser, yaitu dioda yang dapat memancarkan sinar laser. Media transmisi dijalankan oleh serat optik. Sebagai detektor digunakan photo-diode yaitu dioda yang dapat menyerap cahaya dan mengubahnya menjadi sinyal listrik yang sesuai. Penyaluran data melalui serat optik dapat digambarkan sebagai berikut: data berupa sinyal listrik diubah menjadi cahaya yang sesuai oleh LED sebagai sumber cahaya, kemudian cahaya berisi data tadi merambat di dalam serat optik sebagai media transmisi menuju ke penerima berupa photodioda sebagai detektor dan mngubah cahaya menjadi sinyal listrik yang sesuai.

  14. Tipe Transmisi Serat Optik• Multi Mode• Single Mode

  15. Multi Mode

 Pada jenis ini, suatu informasi (data) dibawa melalui beberapa lintasan cahaya yang dijalarkan melalui serat dari satu ujung ke ujung lainnya. Metode semacam ini dapat mengakibatkan ketidakakuran data yang dikirimkan kepada penerima, karena lintasan cahaya yang satu dapat berbeda waktu tempuhnya dibandingkan lintasan yang lain sehingga data yang dikirim menjadi berubah ketika sampai di penerima. Transmisi data jenis ini menggunakan diameter serat (core) sekitar 50 mm, dan cladding sekitar 125 mm.

  16. Single Mode

Transmisi data melalui single mode hanya menggunakan satu lintasan cahaya yang merambat melalui serat. Metode semacam ini dapat menghindarkan ketidakakuratan yang dapat terjadi dalam penyaluran data. Diameter serat yang diperlukan haruslah cukup kecil untuk mendukung metode ini yaitu sekitar 3 – 10 mm. Cahaya yang diperlukan haruslah cahaya dengan koherensi dan intensitas tinggi yaitu laser, sehingga diperlukan suatu sumber cahaya yang mampu menghasilkan cahaya yang sangat tajam (koheren dan berintensitas tinggi) yang memerlukan teknologi tinggi.

Bintang-bintang di langit yang letaknya sangat jauh tidak dapat dilihat secara langsung oleh mata. Teropong atau teleskop dapat digunakan untuk melihat bintang atau objek yang letaknya sangat jauh. Teropong terdiri atas dua lensa cembung, sebagaimana mikroskop. Pada teropong jarak fokus lensa objektif lebih besar daripada jarak fokus lensa okuler (f_ob > f_ok). Teropong digunakan dengan mata tidak berakomodasi agar tidak cepat lelah karena teropong digunakan untuk mengamati bintang selama berjam-jam. Dengan mata tidak berakomodasi, bayangan lensa objektif harus terletak di titik fokus lensa okuler. Dengan demikian, panjang teropong (atau jarak antara kedua lensa) adalah

d = f_ob + f_ok

dimana f_ob adalah jarak fokus lensa objektif dan f_ok adalah jarak fokus lensa okuler.

Adapun perbesaran P yang dihasilkan oleh teropong adalah