Oleh: Drs. Riskan Qadar, M.Si. OPTIK KODE:5G5053 Oleh: Drs. Riskan Qadar, M.Si.

Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

BAB 1 SIFAT DAN PERAMBATAN CAHAYA Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

1-1 Pendahuluan Optika: Cabang fisika yang mempelajari perilaku cahaya dan gelombang elektromagnetik Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Manfaat sifat-sifat cahaya membantu memahami: - warna biru dari langit - mata manusia - teleskop - laser - mikroskop - komputer optik - kamera - pencitraan - hologram - dll Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

1-2 Sifat Cahaya Sampai pada zaman Isaac Newton (1642-1727); cahaya terdiri dari aliran partikel yang dipancarkan oleh sumber cahaya. Tahun 1665; diyakini cahaya memiliki sifat gelombang. Tahun 1873, Clerk Maxwell meramalkan keberadaan gelombang elektromagnetik dan menghitung laju rambatannya. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Tahun 1887, Heinrich Hertz; cahaya adalah gelombang elektromagnetik Tahun 1930, perkembangan kuantum menyatakan cahaya memiliki dua sifat; gelombang dan partikel. Foton atau kuanta merupakan energi yang diangkut oleh gelombang cahaya dalam bentuk diskrit. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Optik geometri dan optik fisis mempelajari aspek perambatan cahaya. Aspek partikel dari cahaya dipelajari pada aspek pemancaran dan penyerapan; efek Compton dan efek fotolistrik. Muatan listrik yang bergerak dipercepat menghasilkan radiasi elektromagnetik. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Radiasi elektromagnetik merambat dalam vakum dengan laju cahaya. Pengukuran laju cahaya sampai tahun 1983 c = 2,997992458x108 m/s Ilmuwan yang mengukur laju cahaya - Romer, tahun 1676; astronomi Denmark - Armand Fizeau, tahun 1849; Perancis - Jean Foucault, Perancis - Albert Michelson; USA Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Muka gelombang adalah tempat posisi semua titik berdekatan dimana fasa Gambar 1. muka gelombang dan sinar Muka gelombang adalah tempat posisi semua titik berdekatan dimana fasa getaran sebuah besaran fisika yang berkelompok dengan gelombang itu adalah sama Sinar: garis khayal sepanjang arah perjalanan gelombang Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

1-3 Refleksi dan Refraksi Refleksi:pengembalian seluruh atau sebagian suatu berkas atau gelombang bila berkas itu bertemu dengan bidang batas antara dua medium. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Refleksi spekular (refleksi teratur) (bahasa latin, spekular artinya cermin, cermin yang dimaksud adalah cermin yang permukaannya halus) adalah refleksi pada sudut tertentu dari sebuah permukaan yang sangat halus Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Refleksi difus/ baur/ tersebar adalah refleksi yang dihamburkan dari sebuah permukaam kasar. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Gambar 3. sinar datang, refleksi, dan refraksi Refraksi: perubahan arah yang dialami oleh muka gelombang pada saat melintas miring dari suatu medium ke medium yang lain. Gambar 3. sinar datang, refleksi, dan refraksi Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Indeks refraksi adalah rasio laju cahaya c dalam vakum terhadap laju cahaya v dalam sebuah material (1-1) Cahaya selalu merambat lembih lambat di dalam material daripada di dalam vakum, sehingga nilai n > 1 dalam medium apapun selain vakum. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Hukum refleksi dan refraksi Sinar yang masuk/datang, sinar yang direfleksikan, dan sinar yang direfraksikan dan normal terhadap permukaan semuanya terletak pada bidang yang sama. Sudut refleksi θr sama dengan sudut masuk θa untuk semua panjang gelombang dan untuk setiap pasangan material adalah θa= θr (1-2) (hukum refleksi) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

(hukum refraksi, atau hukum Snellius) Rasio dari sinus sudut θa dan θb dimana kedua sudut ini diukur dari normal terhadap permukaan, sama dengan kebalikan dari rasio kedua refraksi. na sin θa = nb sin θb (1-3) (hukum refraksi, atau hukum Snellius) Gbr 4 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

(arah masuk normal) (1-4) Sifat tambahan cahaya yang direfleksikan adalah intensitas Ir dari gelombang yang direfleksikan ditentukan oleh indeks-indeks refraksi n1 dan n2 di dalam kedua medium itu. Reflektansi R didefinisikan sebagai nilai banding dari Ir dan intensitas masuk Io. Transmitansi T adalah bagian yang ditransmisikan, atau 1 – R. Pada arah masuk normal θ = 0 di dalam arah manapun (arah masuk normal) (1-4) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Karakteristik gelombang bila mengalami refraksi adalah Frekuensi (f) dari gelombang tidak berubah. Laju (v) dari gelombang berubah. Panjang gelombang () berubah hubungannya dan (1-5) Panjang gelombang cahaya dalam material (1-6) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Tabel 1.1 indeks refraksi cahaya natrium kuning ( = 589 nm) Zat Indeks bias (n) padatan Es (H2O) 1,308 Fluorit (CaF2) 1,434 Polistiren 1,49 Garam batu (NaCl)1,544 Kwarsa (SiO2) 1,544 Intan (C) 2,417 Fabulit (SrTiO3) 2,409 Rutil (TiO2) 2,62 Zat Indeks bias (n) kaca Mahkota 1,52 Batu api berat 1,66 Cairan (suhu 20oC) Metanol (CH3OH) 1,329 Air (H2O) 1,333 Etanol (C2H5OH) 1,36 Terpentin 1,472 Gliserin 1,473 Benzena 1,501 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

1-4 Refleksi Internal Total Refleksi internal total adalah sinar yang memasuki antarmuka dengan material kedua yang indeks biasnya lebih kecil daripada indeks bias yang dijalani material itu yang sudut datangnya sama atau lebih besar dari sudut kritis Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Berdasarkan hukum Snellius na sin θa = nb sin θb,, Sudut kritis adalah sudut masuk ketika sinar yang direfraksikan muncul keluar menyinggung permukaan itu Berdasarkan hukum Snellius na sin θa = nb sin θb,, jika θb = 90o (sin 90o = 1), Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

maka sudut kritis diperoleh (1-7) Perhatikan gambar 5. di bawah Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Prisma merupakan salah satu contoh alat optik yang baik menghasilkan refleksi internal total. Endoskop merupakan piranti serat optik yang banyak digunakan dalam instrumen kedokteran yang dapat disisipkan langsung ke dalam pembuluh tenggorokan, kantung kemih, usus besar, dll untuk pemeriksaan yang dapat dilihat dengan mata. Gambar 6 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Kabel optik serat dalam sistem komunikasi digunakan untuk mentransmisikan sinar yang dimodulasi. Keuntungannya bahwa kabel itu isolator listrik, tidak terpengaruh oleh interferensi listrik dari petir dan sumber lain, kabel itu tidak memperbolehkan arus listrik yang tidak diinginkan antara sumber dan penerima, aman dan sukar untuk dipasangi alat pendengar rahasia, dan juga sukar untuk disambungkan dan untuk disadap. Gbr 7 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

1-5 Perambatan dalam suatu medium tak homogen: prinsip Fermat Pierre de Fermat (1601-1665)matematikawan dari Perancis mengatakan (dikenal dengan prinsip Fermat) bahwa “dalam perjalanan dari titik yang satu ke titik yang lain, suatu sinar memilih jejak dimana waktu perambatan mempunyai nilai minimum” Perhatikan gambar sistem pemantulan Fermat Gambar 8 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

t = c -1(y12 + x2)1/2 + c-1[y22 + (l – x)2]1/2 Waktu yang diperlukan sinar dari titik A ke titik B melalui cermin yang direfleksikan sejarak x dari titik A ke titik O adalah t = tAO + tOB  atau t = c -1(y12 + x2)1/2 + c-1[y22 + (l – x)2]1/2 agar waktu bernilai minimum maka Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Berdasarkan Gbr 8. diperoleh sin θa = sin θr atau θa = θr (hukum refleksi) Prinsip Fermat untuk refraksi waktu yang diperlukan sinar dari titik A ke titik B melalui batas dua medium yang direfraksikan sejarak x dari titik A ke titik O adalah t = natAO +nbtOB Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Agar waktu bernilai minimum maka Gambar 9 Agar waktu bernilai minimum maka Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

diperoleh na sin θ1 = nb sin θ2 (Hukum refraksi) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

1-6 Prisma θa θb θc θd A δ Gbr 10 Prisma adalah suatu medium yang dibatasi oleh dua permukaan yang membentuk sudut A Gambar 10 memperlihatkan sinar merambat ke dalam prisma kemudian keluar lagi Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

terjadi sebagai berikut: Sudut deviasi δ terjadi sebagai berikut: δ = (θa – θb) + (θd – θc) = θa + θd – (θb + θc) δ = θa + θd – A (sudut deviasi) (1-8) Sudut deviasi minimum terjadi bila θa = θd, maka pers (1-7) menjadi δmin = 2 θa – A  θa = ½ (δmin + A) dan θb = θc  θb = ½ A dari hukum refraksi na sin θa = nb sin θb na sin ½ (δmin + A) = nb sin ½ A (1-9) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

na sin ½ (δmin + A) = nb sin ½ A ditulis na ½ (δmin + A) = nb ½ A Bila sudut prisma kecil; A<10o, maka sudut deviasi minimum juga kecil, dan akibatnya nilai sudut sinus sama dengan sudutnya sendiri. Jadi na sin ½ (δmin + A) = nb sin ½ A ditulis na ½ (δmin + A) = nb ½ A na (δmin + A) = nb A (1-10) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

1-7 Pergeseran sinar pada kaca plan paralel θb A B C D d t na nb Gbr 11 Perhatikan gambar 11 diperoleh (1-11) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

1-8 Dispersi Cahaya putih merupakan superposisi dari gelombang-gelombang dengan panjang gelombang yang membentang melalui seluruh spektrum tampak. Laju cahaya dalam vakum adalah sama untuk semua panjang gelombang, tetapi laju cahaya tersebut dalam material berbeda untuk panjang gelombang yang berbeda. Indeks refraksi n sebuah material bergantung pada panjang gelombang Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Gbr 11 Dispersi adalah kebergantungan laju gelombang dan indeks refraksi pada panjang gelombang Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Warna-warna atau panjang gelombang berbeda yang dipancarkan oleh suatu sumber S berupa cahaya putih (polikhromatik) yang terlihat muncul di layar setelah melalui zat optik (misalnya prisma) disebut spektrum. Gbr 12 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Gbr 13 Gbr 13 memperihatkan pelangi yang dibentuk oleh refraksi, refleksi dan dispersi dalam tetesan air Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Gbr 14 peristiwa pelangi oleh sinar matahari melalui tetesan air setelah hujan Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

lalu dideferensialkan pada δmin dan nb Dispersi prisma didefinisikan (1-12) faktor dδ/dn bergantung pada geometri sistem; faktor dn/d bergantung pada bahan yang menyusun prisma. Pada pers 1-8 na sin ½ (δmin + A) = nb sin ½ A lalu dideferensialkan pada δmin dan nb na cos ½ (δmin +A) ½ d δmin = sin ½ A dnb Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

(1-13) faktor dn/d bergantung pada sifat gelombang dan medium untuk gelombang elektromagnetik pada umumnya dan cahaya pada khususnya, pernyataan yang memuaskan diberikan oleh rumus Cauchy (1-14) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

(Dispersi pada prisma) dengan Ao dan Bo adalah konstanta khas tiap bahan lalu didiferensialkan terhadap n dan , diperoleh Pers. 1-10 ditulis menjadi (1-15) (Dispersi pada prisma) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Pembuktian pers. Cauchy Angka negatif berarti deviasi berkurang bila panjang gelombang bertambah sehingga merah lebih sedikit terdeviasi daripada ungu. Pembuktian pers. Cauchy Pers. 1-11 diperleh dari pers. Indeks bias sebagai fungsi frekuensi gelombang elektromagnetik dan frekuensi karakteristik bahan. Sederhananya dianggap hanya terdapat satu frekuensi atomik o dan  << o, maka diperoleh Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Dengan menggunakan ekspansi binomial, didapatkan Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Bila dan Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

jika maka Jadi pers. Terbukti pers. (1-14) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

1-9 Polarisasi Polarisasi merupakan karakteristik semua gelombang transversal Polarisasi cahaya adalah proses pembatasan getaran vektor listrik gelombang cahaya sehingga menjadi satu arah. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Cahaya yang tidak terpolarisasi, medan listrik bergetar ke segala arah tegak lurus arah rambat. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Gelombang yang hanya mempunyai pergeseran y, kita mengatakan bahwa gelombang tersebut terpolarisasi linear dalam arah y. Pemolarisasi adalah saringan polarisasi yang hanya mengizinkan gelombang dengan arah polarisasi tertentu untuk lewat. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Materi pemolarisasi adalah gabungan zat-zat yang mempunyai dichroism, yakni penyerapan selektif dimana satu dari komponen-komponen yang dipolarisasikan itu diserap jauh lebih kuat daripada komponen-komponen lainnya. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Dichroisme adalah gejala dimana gelombang merambat melalui sebuah potongan bahan yang cukup tebal berangsur-angsur menjadi terpolarisasi pada satu bidang karena salah satu dari gelombang biasa atau luar biasa akan terserap hampir seluruhnya seperti gambar 15. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Gbr.15 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Gbr.16 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Bila cahaya yang tidak terpolarisasi memasuki sebuah pemolarisasi ideal seperti Gbr 16. intensitas cahaya yang ditransmisikan persis setengah dari intensitas cahaya tidak terpolarisasi yang masuk, tidak peduli bagaimanapun sumbu polarisasi itu diorientasikan. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Bila dua pemolarisasi disusun maka pemolarisasi yang kedua disebut penganalisis. Gbr 17 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

dengan Imaks adalah intensitas setelah lewat pemolarisasi pertama. Sudut yang dibentuk oleh kedua pemolarisasi terhadap masing-masing sumbu adalah θ sehingga intensitas yang lewat pada penganalisis adalah I = Imaks cos2 θ (1-16) dengan Imaks adalah intensitas setelah lewat pemolarisasi pertama. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Gbr 17. penganalisis ideal hanya mentransmisikan komponen yang paralel dengan arah transmisinya, atau sumbu polarisasinya. Cahaya yang tak terpolarisasi dapat dipolarisasi, baik secara parsial maupun secara total oleh refleksi. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Gbr 18. terbentuknya polarisasi oleh refleksi. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Bidang yang mengandung sinar masuk, sinar refleksi dan normal terhadap permukaan disebut bidang masuk. Untuk sebagian besar sudut masuk cahaya yang direfleksikan terpolarisasi parsial. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Satu sudut tertentu yang dinamakan sudut polarisasi, maka cahaya yang direfleksikan yang tegak lurus bidang masuk ter polarisasi total, sedang yang direfraksikan sebagain ter polarisasi. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Tahun 1812 ilmuwan Inggris Sir David Brewster menemukan bahwa polarisasi oleh refleksi terjadi bila sinar refleksi dan sinar refraksi saling tegak lurus dan dinamakan hukum Brewster. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

(Hukum Brewster untuk polarisasi)(1-17) Dari Gbr 18b; sudut masuk adalah sudut polarisasi θa = θp sudut refleksi θr = θp dan θb = 90o – θp dan hukum refraksi na sin θa = nb sin θb , maka na sin θp = nb sin 90o – θp = nb cos θp (Hukum Brewster untuk polarisasi)(1-17) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Cahaya dan radiasi elektromagnetik selain memiliki polariasi linear juga dapat memiliki polarisasi melingkar ataupun eliptik (elips), seperti pada Gbr 19. Gbr 19 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Berdasarkan gambar 1-19 gelombang itu dikatakan terpolarisasi melingkar ke kanan bila arah gerak sebuah partikel dawai itu terhadap seorang pengamat yang memandang ke arah belakang sepanjang arah perambatan, adalah searah dengan arah perputaran jarum jam dan arah gelombangnya menuju Anda (perhatikan tanda ◙ dalam lingkaran sebagai kepala anak panah); gelombang itu dikatakan terpolarisasi melingkar ke kiri jika arah gerak itu adalah arah yang sebaliknya. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Superposisi dari dua gelombang terpolarisasi linear tertentu (fasa sama) dinamakan polarisasi melingkar. Polarisasi eliptik terjadi bila ada gelombang memiliki fasa yang berbeda. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

1-10 Hamburan Cahaya Gbr 26 kuliuggjhg Hamburan adalah proses dimana cahaya matahari yang telah diserap dan kemudian diradiasikan kembali dalam berbagai arah Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Terlihatnya langit berwarna biru di siang hari disebabkan cahaya dari matahari dihamburkan oleh atmosfir. Terlihatnya langit berwarna kuning atau kemerahan di senja hari disebabkan cahaya matahari tidak dihamburkan oleh atmosfir. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Awan mengandung konsentrasi yang tinggi dari tetesan air atau kristal es, yang juga menghamburkan cahaya sehingga awan terlihat berwarna putih. Gbr 26 memperlihatkan proses cahaya yang masuk tak terpolarisasi akan dihamburkan, lebih biru dan terpolarisasi linear. Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

1-11 Prinsip Huygens Prinsip Huygens (ilmuwan Belanda, Christian Huygens, tahun 1678); tiap -tiap titik dari sebuah muka gelombang dapat ditinjau sebagai sumber gelombang -gelombang kecil sekunder yang menyebar keluar ke segala arah dengan laju yang sama dengan laju perambatan gelombang itu. Gbr 27 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Prinsip Huygen dapat juga digunakan untuk membuktikan hukum refleksi seperti gbr 28 Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

θa = sudut masuk muka gelombang datang dengan permukaan. Dari gambar 28 gelombang pertama datang di titik AA’ lalu direfleksikan di OB, keterangan: θa = sudut masuk muka gelombang datang dengan permukaan. θr = sudut refleksi muka gelombang refleksi OP = vt untuk gelombang datang, dan AQ = vt untuk gelombang refleksi, karena jaraknya sama dan segitiga AQO dan OPA adalah siku-siku yang kongruen karena bersama di OA, dan OP = AQ = vt, maka sudut θa = θr yang sama dengan hukum refleksi Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Gambar 29 memperlihatkan prinsip Huygens untuk refraksi Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Muka gelombang datang AA’ menyentuh permukaan batas dengan sudut θa setelah waktu t, Q pada AA’ tiba di O secara tegak lurus. Pada waktu yang sama muka gelombang di titik A dalam medium kedua telah sampai di B secara tegsk lurus, namun jaraknya lebh kecil karena laju gelombang lebih kecil dibanding di medium pertama. Segitiga siku-siku AQO dan ABO memiliki hipotenusa AO yang sama sehingga Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik

Keduanya dapat ditulis dan Keduanya dapat ditulis Indeks bias ; maka  (Hukum refraksi) Sabtu, 08 April 2017 Riskan Qadar- 1 Optik