Difraksi Cahaya

      A.    Pengertian Difraksi

      Difraksi merupakan gejala pembelokan cahaya bila mengenai suatu celah sempit. Semakin sempit celah yang dilalui cahaya, semakin dapat menghasilkan perubahan arah penjalaran cahaya yang semakin lebar.

Penghalang ini hanya dapat meneruskan sebagian kecil dari gelombang; yang dapat melalui lubang celah dapat terus, yang lainnya berhenti atau kembali.

Cahaya masuk melalui celah yang cukup lebar akan membentuk bayangan geometris pada layar. Bagian yang terang persis sama lebar dengan panjang celah. Di luar bagian yang terang adalah bayangan geometris. Sekarang bila celah dipersempit, maka bagian yang terang pada layar akan melebar ke daerah bayangan geometmetrisnya.

       Difraksi pertama kali ditemukan oleh Francesco M. Grimaldi (1618-1663) dan gejala ini juga diketahui oleh Huygens (1620-1695) dan Newton (1642-1727). Akan tetapi Newton tidak melihat kebenaran tentang teori gelombang disisni, sedangkan, Huygens yang percaya pada teori gelombang tidak percaya pntuk menerangkan difraksiada difraksi. Oleh karena itu, ia tetap menyatakan bahwa cahaya berjalan lurus. Frensel (1788-1827) secara tepat menggunakan teori Huygens yang disebut prinsip Huygens frensel, Berunyi :

“ Setiap titik muka gelombang di celah merupakan sumber cahaya titik dari gelombang bola, sehingga muka gelombang neto pada titik-titik diluar celah adalah hasil superposisi gelombang bola yang bersumber dari titik muka gelombang muka dicelah”.

Difraksi terbagi menjadi dua jenis  yaitu difraksi frounhofer dan fresnel.

1.      Difraksi frounhofer

        Apabila letak sumber cahaya jauh sekali dari celah, artinya berkas yang memasuki celah harus sejajar dan yang keluar dari celah harus sejajar. Untuk bermacam-macam arah belokan. Celah sempit adalah celah yamg memiliki lebar jauh lebih kecil dari panjang dan lebar celah juga sangat lebih kecil dari pada jarak celah ke layar. sementara itu, topic yang meliputi difraksi franhoufer sebagai berikut:

1.1  Celah tunggal (single slit )

1.2  Lubang bulat (circular aperture )

1.3  Dua celah sempit

1.4  Kisi (celah banyak )

2.      Difraksi Fresnel

        Apabila jarak sumber ke celah dan celah ke layer dekat, berkas tidak perlu sejajar; celah lebar; tidak sempit. Celah adalah lubang yang berbentuk empat persegi panjang yang memiliki lebar kecil sekali bila dibandingkan dengan panjangnya. Topik yang meliputi difraksi frensel sebagai berikut :

2.1  Luang bulat

2.2  Celah persegi

2.3  Penghalang berbentuk Piringan

2.4  Penghalang berbentuk lancip (tajam)

      B.      Difraksi oleh Celah Tunggal

      Sebuah celah tunggal disinari akan menghasilkan polaa difraksi pada layar yang diletakkan dibelakangnya. Bentuk pola akan sama dengan celahnya (segi empat panjang), yaitu daerah-daerah terang dan gelap berbentuk segi empat panjang. pola ini disebut pita-pita atau rumbai (fringe=frinji), berupa pita terang dan pita gelap.

Daftar istilah yang digunakan dalam gambar litasan optik diatas  yaitu:

b     : Lebar celah

Po   : Tempat terang dari titik dengan α = 0  ( α = 0 sudut pembelokan)

P     : Tempat terang atau gelap dari titik dengan arah α yang dikumpulkan oleh lensa

O    : Pusat celah

       Keadaan P tergantung pada perbedaan fase yang sampai di P. Hal tersebut dilihat dari intensitasnya,dititik P inimungkin terdapat intensitas maksimum atau minimum,, tempat terang atau tempat gelap. Untuk menghitung intensitas, dihitung dulu amplitudo di P. Pandang berkas cahaya yang berasal dari element ds, yaitu element lebar celahyang berjarak s dari pusat celah O. Gelombang-gelombang sekunder yang merambat tegak lurus celah akan difokuskan di P₀, sedangkan yang merambat dengan sudut α  akan di fokuskan di P.

       Misalkan A₀ adalah amplitude resultan dari gelombang-gelombang yang sampai di P₀ dengan intensitas I₀, I₀ berbanding lurus dengan A₀². A adalah amplitude resultan dari gelombang-gelombang yang sampai di P.

A berbanding lurus dengan ds dan 1/x, x jarak dari O ke P.

Jadi =α ds / x  , α = faktor pembanding

      Di P₀ terjadi gelombang simpangan: dS₀ = α ds / x sin (ωt - kx), bila ds  dititik O (pusat celah), jadi x adalah jarak celah-layer. Untuk ds ditempat lain yaitu :

 Berati gelombang resultan yang sampai di P adalah gelombang harmonic sederhana, amplitudonya berubah bergantung  pada letak titik P( sudut α).

A₀ sinβ / β merupakan faktor amplitude

sin (ωt - kx) merupakan faktor gelombang

intensitas di layar :

I berbanding lurus dengan A²                                                               (3)

       Persamaan 4-1 dan 4-2 berlaku bila cahaya jatuh normal terhadap celah. Kalau jatuh tidak normal, tetapi membentuk sudut I dengan normal, maka :

keterangan :

i = sudut jatuh pada celah

α = sudut belok

Di sini digambarkan α untuk sudut belok dan p untuk orde agar dapat dibedakan terhadap interferensi yang menggunakan sudut q dan m (orde).

        Puncak speaktrum atau  garis terang terjadi salah satunya pada q = 0, puncak itu berada digaris minimum pertama sebelah kiri sampai minimum pertama sebelah kanan puncak pusatnya. Jarak antara ke dua garis berinteraksi minimum disebut lebar puncak pusat. Lebar puncak pusat bertambah lebar bila α semakin kecil. Dikenal sudut istilah ½ lebar puncak yang berarti antara q = 0 sampai dengan pusat garis minimum pertamanya.

      C.      Difraksi oleh Celah Majemuk

      Kisi difraksi adalah alat optis yang terdiri dari banyak celah yang identik, yang disusun sejajar, berjarak sama.Pola difraksi dari kisi cukup rumit.Celah rangkap merupakan kisi yang paling sederhana.

       Kegunaan kisi adalah untuk spektroskopi.Dampak penambahan celah yaitu : 

• Pada pola difraksi terlihat maksimum interperensi menyempit dan lebih tajam (intensitas lebih besar). Jika jumlah celah banyak sekali. Pita-pita terang ini akan berbentuk garis-garis saja.
• Maksimum daerah yang lemah akan terjadi diantara maksimum utama interferensi, jumlah sekunder maksimum bertambah.

      Jarak antara dua minima dikiri kanan maksimum pusat adlah dua kali jarak antara dua minimayang lain, Diantara dua minima,, intensitas naik sampai kedua maksimum sekunder yang memiliki intensitas yang rendah,  lalu menurun dan naik lagi waktu mendekati maksimum utama.

b.       Difraksi kisi

      Sistem kisi untuk difraksi dinamakan kisi difraksi tarasmisi yang dapat digunakan untuk keperluan menganalisis sinar-sinar inframerah dekat, cahaya tampak ataupun sinar ultraviolet. kisi difraksi cahaya ini terdiri dari beribu-ribu celah tiap sentimeternya. Kisi dapat dibuat dengan menggoreskan sederetan garis-garis sejajar pada filem trasparan. Garis-garis ini kemudian berfungsi sebgai ruang diantara celah-celah, kisi difraksi disebut kisi refleksi, yaitukisi yang dibentuk oleh sederetan garis-garis yang dibuat pada permukaan metal. Daerah antara dua garis yang akan memantulkan cahaya membuat suatu pola difraksi.

Jika cahaya polikromatik jatuh pada kisi, tiap-tiap λ akan membentuk garis maksimum pada sudut-sudut yang berbeda-beda kecuali pada orde m=0, sudut ini sama untuk semua panjang gelombang. Maksima dari berkas tersebut pada suatu orde akan merupakan spectrum. jadi ada spectrum orde ke 1,2,3dan seterusnya.

       Makin besar nilai λ makin besar deviasi untuk suatu orde. berarti warna merah di deviasi (perubahan arah dari jalan sinar)  lebih besar dari pada warnaviolet, hal ini kebalikan dari apa yang terjadi pada dispersi (peristiwa penguraian warna dari suatu berkas campuran panjang gelombang) oleh prisma. Dispersi kisi ditentukan oleh:

c.       Pembentukan Spektrum oleh kisi

       Kisi difraksi penting untuk menganalisis spektum gelombang elektromagnetik yang memiliki daerah yang luas dan lebih menguntungkan dari pada menggunakan prisma. salah satu hal yang menguntungkan adalah kisi difraksi yang tidak bergantung pada sifat-sifat disfersi ari bahan hanya bergantung pada geometri ( bentuk kuran) dan kisi. dibawah ini gambar spectrometer kisi.

a.       Daya Pisah difraksi ( daya pisah kromatik)

       Dua berkas cahaya dengan panjang gelombang λ₁ dan λ₂ yang berbeda kecil sekali (Δλ= λ_1- λ₂ ≈= 0 ) jatuh pada sebuah kisi difraksi, maka maksimum pertama pada orde pertama dari λ₁ dan λ₂ dapat berbentuk snagat berdekatan sehingga sukar untuk membedakannya apakah berkas yang asli monokromataik atau tidak. Agar supaya panjang gelombang dapat dibedakan atau dilihat secaraterpisah pada suatu orde tertentu, haruslah maksimum pada λ₁ berimpit dengan minimum λ₂ dan sebaliknya. Secara matematis daya yaitu sebagai berikut:

R = λ / ∆λ

 Keterangan

λ adalah panjang gelombang rata-rata λ₁ dan λ₂

Δλ= λ₁-λ₂ adalah benda panjang gelombang yang sangat kecil

Dari persamaan kisi d sin θ = mλ maka cosθ ∆θ = m∆θ / d minimum terjadi pada:

       Sehingga makin besar jumlah garis pada kisi dan makin tinggi orde dari spectrum maka daya kisi makin besar serta daya pisah kisi tidak bergantung pada ukuran dan jarak antar garis.

      D.    Fenomena Difraksi

    Dalam kehidupan sehari-hari peristiwa difraksi bisa kita lihat saat cahaya matahari masuk melalui lubang atap rumah terlihat cahaya melebar serta membentuk pola terang gelap.

Holografi adalah teknik yang memungkinkan cahaya dari suatu benda yang tersebar direkam dan kemudian direkonstruksi sehingga objek seolah-olah berada pada posisi yang relatif sama dengan media rekaman yang direkam. Hologram adalah produk dari teknologi holografi. Hologram terbentuk dari perpaduan dua sinar cahaya yang koheren dan dalam bentuk mikroskopik. Hologram bertindak sebagai gudang informasi optik. Informasi-informasi optik itu kemudian akan membentuk suatu gambar, pemandangan, atau adegan.

Hologram merupakan jelmaan dari gudang informasi (information storage) yang mutakhir. Kelebihan hologram ialah ia mampu menyimpan informasi, yang di dalamnya memuat objek-objek 3 dimensi (3D). Tidak hanya objek-objek yang biasa terdapat di foto atau gambar pada umumnya. Hal itu disebabkan prinsip kerja hologram tidak sesederhana lensa fotografi. Hologram menggunakan prinsip-prinsip difraksi dan interferensi, yang merupakan bagian dari fenomena gelombang.