Rangkuman Materi Optika

phydu – Optika Fisis adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari sifat-sifat cahaya dengan fokus pada fenomena yang muncul akibat sifat gelombang cahaya. Berbeda dengan optika geometris, yang lebih berkaitan dengan bagaimana cahaya dipantulkan atau dibiaskan oleh lensa dan cermin, optika fisis membahas perilaku cahaya ketika berinteraksi dengan berbagai medium atau hambatan dalam skala yang sebanding dengan panjang gelombangnya. Dalam optika fisis, terdapat tiga fenomena utama yang dipelajari, yaitu difraksi, interferensi, dan polarisasi cahaya.

Sifat-sifat cahaya:
– Memiliki cepat rambat 3,0 x 108 m/s.
– Merupakan gelombang transversal dan elektromagnetik.
– Merambat dalam arah lurus.
– Arah rambat tidak dapat dipengaruhi medan magnet atau listrik (tidak bermuatan).
– Bagian dari spektrum matahari.

Satuan panjang gelombang yang sering digunakan:
1 Å = 10^-10 m
1 nm = 10^-9 m

A. Pembiasan Cahaya

Pembiasan cahaya adalah proses pembelokan cahaya karena melewati medium yang berbeda kerapatannya. Pembiasan cahaya pada prisma akan membentuk sudut deviasi yang merupakan perpanjangan sinar datang dengan yang meninggalkan prisma.

• Sudut deviasi dapat dihitung:

δ = (i₁ + r₂) – β

δ = sudut deviasi
i₁ = sudut sinar datang
r₂ = sudut sinar keluar
β = sudut pembias prisma

• Sudut deviasi minumum prisma dapat dihitung:

δ_m = 2.i₁ – β

Persamaan indeks bias pada prisma:

• Sudut pembias > 15^o

• Sudut pembias < 15^o

B. Dispersi Cahaya

Dispersi cahaya adalah proses penguraian cahaya polikromatik menjadi cahaya monokromatik. Dispersi cahaya pada prisma akan menghasilkan spektrum warna pelangi.

• Sudut deviasi (δ) spektrum merah dan ungu dapat dihitung:

δ_m = (n_m – 1)β      δ_u = (n_u – 1)β

δ = sudut deviasi
n_m = indeks bias merah
n_u = indeks bias ungu
β = sudut pembias prisma

• Sudut dispersi (φ) adalah lebar spektrum yang dapat dihitung:

φ = (n_u – n_m)β

C. Warna

Cahaya terbagi menjadi cahaya polikromatik dan cahaya monokromatik.

• Cahaya polikromatik adalah cahaya putih yang terdiri atas banyak frekuensi.
• Cahaya monokromatik adalah cahaya yang terdiri atas
  satu frekuensi.

Warna benda muncul akibat benda tersebut memantulkan dan menyerap spektrum warna dari sinar putih.

• Benda berwarna putih jika semua spektrum warna yang diterimanya dipantulkan.
• Benda berwarna hitam jika semua spektrum warna yang diterimanya diserap.
• Benda berwarna x jika spektrum warna x dipantulkan, dan spektrum warna lain diserap.

Pada sistem yang molekulnya bergerak secara bebas (langit dan air), warna muncul diakibatkan oleh penghamburan spektrum warna. Warna terdiri dari:

• Warna primer, jika dicampur dapat menghasilkan warna putih, terdiri dari merah, hijau, biru (RGB).
• Warna sekunder, dihasilkan dari percampuran antar warna primer, terdiri dari cyan, magenta, kuning (CMY), dan lain-lain.

D. Difraksi Cahaya

Difraksi cahaya adalah pelenturan atau penyebaran gelombang cahaya ketika melintasi celah sempit atau ujung penghalang. Difraksi cahaya akan mengakibatkan interferensi cahaya yang menghasilkan pola terang-gelap.

Ketika cahaya melewati celah yang ukurannya mendekati panjang gelombangnya, cahaya tersebut akan menyebar, bukan hanya bergerak lurus. Difraksi adalah bukti bahwa cahaya memiliki sifat gelombang. Semakin kecil celah atau semakin dekat ukurannya dengan panjang gelombang cahaya, semakin signifikan efek difraksi yang terlihat.

Contoh: Ketika cahaya matahari melewati jendela atau celah kecil, kita bisa melihat pola-pola difraksi yang muncul di sekitarnya.

Difraksi pada celah tunggal:

Persamaan difraksi celah tunggal

Rumus pola gelap

Δs = n. λ

Semakin jauh dari pusat terang, pita terang makin sempit, sehingga diabaikan.
Δs = selisih lintasan (m)
θ = sudut deviasi/simpangan
d = lebar celah difraksi (m)

Difraksi pada celah banyak (kisi):

Persamaan difraksi celah banyak

Pola terang pada difraksi celah banyak teratur, sedangkan pola gelap tidak.

Rumus pola terang

Δs = n. λ

Rumus pola gelap

Δs = (n – 1/2) λ

d = tetapan kisi/jarak antar celah (m)
k = banyak celah

Difraksi cahaya membatasi daya urai atau batas resolusi dan pembesaran alat optik. Daya urai atau batas resolusi adalah jarak pisah terpendek dari dua titik dimana bayangan yang dihasilkan masih dapat terlihat sebagai dua titik terpisah.

Sudut resolusi minimum (Rayleigh) untuk men-dapatkan daya urai minimum dapat dirumuskan:

θ_m = sudut resolusi minimum/Rayleigh
D = diameter alat optik (m)

Daya urai alat optik dapat dirumuskan:

dm = daya urai alat optik
L = jarak sumber ke pengamat (m)
D = diameter alat optik (m)

E. Interferensi Cahaya

Interferensi cahaya adalah perpaduan gelombang cahaya koheren yang menghasilkan pola terang-gelap. Perpaduan ini terjadi ketika dua gelombang cahaya bertemu dan saling bertumpang tindih. Jika kedua gelombang berada dalam fase yang sama, mereka akan saling memperkuat (interferensi konstruktif), tetapi jika gelombang-gelombang itu berada dalam fase yang berlawanan, mereka akan saling melemahkan (interferensi destruktif). Fenomena ini menghasilkan pola-pola terang dan gelap yang dikenal sebagai pola interferensi.

Interferensi pada celah ganda (Thomas Young):

Persamaan interferensi celah ganda

Rumus pola terang

Δs = n. λ

Rumus pola gelap

Δs = (n – 1/2) λ

Δs = selisih lintasan (m)
θ = sudut deviasi/simpangan
d = jarak antar celah (m)
y = jarak dari terang pusat ke pita gelap ke-n (m)
L = jarak celah ke layar (m)
n = pola ke-n (bilangan bulat)

Jarak antar pola

• Jarak    antara    terang-gelap   yang    ber- sebelahan adalah 1/2.
• Jarak antara terang-terang atau gelap-gelap yang bersebelahan adalah 1.

Interferensi pada lapisan tipis:

Persamaan interferensi lapisan tipis

Rumus pola terang

Δs = (m – 1/2) λ

Rumus pola gelap

Δs = m. λ

n = indeks bias lapisan tipis
d = ketebalan lapisan tipis
r = sudut
m = pola ke-m (bilangan bulat)
λ = panjang gelombang di luar lapisan tipis

F. Polarisasi Cahaya

Polarisasi cahaya adalah pengkutuban gelombang cahaya, yaitu penyerapan sebagian arah getar gelombang cahaya. Gelombang cahaya dapat terpolarisasi dengan cara penyerapan, pemantulan, pembiasan ganda, dan hamburan. Polarisasi dengan cara penyerapan dilakukan menggunakan sebuah celah (polaroid).

Polaroid terdiri dari:

• Polarisator, mengubah cahaya tak terpolarisasi menjadi terpolarisasi.
• Analisator, mengurangi intensitas cahaya terpolarisasi.

Suatu arah gelombang akan terserap oleh celah apabila celah tidak sejajar dengan arah polarisasi, dan tidak akan terserap apabila celah sejajar dengan arah polarisasi.

Hukum Malus pada polarisasi cara penyerapan:

Intensitas cahaya pada polarisator

Intensitas cahaya pada analisator

Polarisasi akibat pemantulan dan pembiasan terjadi jika sinar pantul dan sinar bias membentuk sudut 90^o.
Pada kejadian tersebut, sinar datang disebut sinar polarisasi, dan sudut datang disebut sudut polarisasi (sudut Brewster).

Persamaan sudut Brewster:

θ_B = sudut polarisasi/sudut Brewster
n₂ = indeks bias medium tujuan (rapat)
n₁ = indeks bias medium asal (renggang)

Sudut kritis adalah sudut datang yang membuat sudut bias membentuk 90^o.

Persamaan sudut kritis

i_k = sudut kritis
n₁ = indeks bias medium tujuan (renggang)
n₂ = indeks bias medium asal (rapat)

Hubungan sudut polarisasi dengan sudut kritis:

Polarisasi dengan cara hamburan terjadi pada sistem partikel seperti gas.
Cahaya diserap dan dihamburkan oleh elektron-elektron sistem partikel sehingga menghasilkan cahaya terpolarisasi.