Polarisasi Cahaya dan Macamnya

Cahaya memiliki sifat sebagai gelombang elektromagnetik, yaitu gelombang yang dapat merambat tanpa memerlukan medium. Sedangkan berdasarkan arah getarnya, cahaya termasuk kedalam gelombang transversal. Karena hal tersebut maka cahaya dapat mengalami proses polarisasi. Gejala polarisasi hanya dapat dialami oleh gelombang transversal saja.

Menurut Alonso dan Finn (1992), polarisasi cahaya adalah peristiwa penyerapan arah bidang getar gelombang. Tjia (1993) menjelaskan bahwa gejala polarisasi dapat digambarkan dengan gelombang yang terjadi pada tali yang dilewatkan pada celah. Apabila tali digetarkan searah dengan celah maka gelombang pada tali dapat melewati celah tersebut. Sebaliknya jika tali digetarkan dengan arah tegak lurus celah maka gelombang pada tali tidak bisa melewati celah tersebut.

Gambar Peristiwa Polarisasi (a) Tali Digetarkan Searah dengan Celah 
(b) Tali Digetarkan dengan Arah Tegak Lurus Celah
(Sumber: Saripudin, Rustiawan & Suganda, 2009)

Seberkas sinar terdiri atas banyak gelombang yang dipancarkan oleh atom-atom dari sumber cahaya. Setiap atom menghasilkan gelombang yang memiliki orientasi tertentu dari vektor medan listrik E. Arah polarisasi dari setiap gelombang didefinisikan sebagai arah medan listrik yang bervibrasi.
Gambar. Sebuah Diagram Skematis dari Gelombang Elektromaknetik (Serway, 2010).

Pada tersebut, arah medan listrik terletak disepanjang sumbu y. Namun, gelombang elektromagnetik dapat memiliki vektor E yang terletak di bidang yz membentuk sudut berapapun yang memungkinkan dengan sumbu y. Oleh karena itu arah vibrasi dari suatu sumber gelombang semuanya mungkin, maka resultan gelombang elektromagnetiknya adalah suatu superposisi dari gelombang-gelombang yang bervibrasi ke arah yang berlainan. Hasilnya adalah sinar cahaya yang tidak terpolarisasi.

Gambar Berkas Cahya (a) Representasi dari Seberkas Cahaya yang Tidak Terpolarisasi.
(b) Berkas Cahaya yang Terpolarisasi Secara Linier (Serway,2010).

Gambar (a) terlihat bahwa arah rambat gelombang tegak lurus bidang kertas. Panah menunjukkan beberapa arah yang mungkin dari vektor medan listrik untuk setiap gelombang yang membentuk resultan berkas sinar. Sebuah gelombang dikatakan terpolarisasi linier jika resultan medan listriknya bervibrasi kearah yang sama disetiap waktu pada titik tertentu, seperti ditunjukkan pada Gambar  (b). Bidang yang dibentuk oleh E dan arah rambatnya disebut bidang polarisasi gelombang. Sinar alami seperti sinar matahari pada umumnya adalah sinar yang tak terpolarisasi. Cahaya dapat mengalami gejala polarisasi dengan berbagai cara, antara lain karena peristiwa pemantulan, pembiasan, pembias ganda, absorbsi selektif, dan hamburan.

Macam Polarisasi Cahaya

1. Polarisasi Dengan Pemantulan dan Pembiasan
Ketika seberkas sinar yang tidak terpolarisasi dipantulkan dari sebuah permukaan, maka cahaya yang dipantulkan mungkin seluruhnya terpolarisasi, setengahnya terpolarisasi, atau tidak terpolarisasi sama sekali bergantung pada sudutnya.
Gambar. Cahaya yang Tidak Terpolarisasi Datang pada Bidang Pantul (Serway,2010).

Misal sebuah sinar yang tidak terpolarisasi datang pada permukaan, seperti pada gambar di atas, setiap vektor medan listrik masing-masing dapat diuraikan menjadi dua komponen. Komponen pertama adalah yang sejajar permukaan (ditunjukkan oleh titik) dan komponen kedua adalah yang tegak lurus dengan komponen pertama dan dengan arah rambatnya (ditunjukkan dengan panah). 

Pada keadaan ini komponen sejajarnya memantulkan lebih kuat daripada komponen tegak lurus dan menghasilkan sinar pantul yang terpolarisasi sebagian dan sinar bias juga terpolarisasi sebagian (Serway,2010). Jika sudut  θ1 berubah hingga sudut antara sinar pantul dan sinar bias adalah 90⁰, maka sinar pantul terpolarisasi seluruhnya (medan listrik 17 tegak lurus bidang datar) dan sinar bias akan tetap terpolarisasi sebagian. Sudut dimana sudut antara sinar pantul dan sinar bias saling tegak lurus disebut sudut polarisasi yang dinotasikan  θp.

Gambar. Sinar Pantul Terpolarisasi Seluruhnya (Serway,2010).


2. Polarisasi dan Pembiasan Ganda (Bifefringence)

Suatu sinar cahaya setelah melewati suatu kristal dapat terpecah menjadi dua berkas akibat adanya dua arah pembiasan sekaligus yang disebut dengan pembias ganda (Soedojo, 1992). Pembias ganda dapat terjadi pada bahan kalsit (calcite) dan plastik yang ditegangkan seperti selofen (cellophone). Pada kebanyakan material, laju cahaya adalah sama ke semua arah.

Material seperti ini disebut isotropik. Disebabkan struktur atomnya, bahan birefringence adalah anisotropik yaitu laju cahaya tidak sama untuk semua arah. Saat seberkas cahaya masuk pada material birefringence seperti kalsium karbonat, cahaya yang tidak terpolarisasi terurai menjadi dua berkas cahaya dengan bidang polarisasi yang melaju dengan kecepatan yang berbeda. Kedua berkas cahaya dipolarisasikan kearah yang saling tegak lurus. Kedua berkas tersebut adalah sinar biasa (ordinary ray) dan sinar luar biasa (extraordinari ray). 

Ada arah tertentu pada bahan birefringence dimana kedua sinar merambat dengan kecepatan yang sama. Arah ini disebut dengan sumbu optik (Tipler, 2001). Arah rambat cahaya pada material birefringence dijelaskan oleh Gambar berikut.


Gambar. Cahaya yang Tidak Terpolarisasi Datang Ke Dalam Kristal Kalsium Karbonat (Tipler,2001).


Sinar biasa (sinar O) dikarakteristikkan oleh suatu indeks bias nO yang sama ke segala arah. Hal ini berarti jika ada sebuah titik sumber cahaya di dalam kristal maka gelombang biasa akan menyebar dari sumber cahaya seperti bola-bola. 

Sedangkan, sinar kedua yaitu sinar luar biasa (sinar E) yang bergerak dengan kelajuan beragam dan karena itu dikarakteristikkan oleh indeks bias nE yang berubah sesuai arah rambatnya. Hal ini berarti jika ada sebuah titik sumber cahaya di dalam kristal maka gelombang luar biasa menyebar dari sumber cahaya dengan berbentuk elips. Penjelasan tersebut dapat dilihat pada gambar berikut.


Gambar. Sebuah Sumber Titik S Di Dalam Kristal Pembias Ganda (Serway, 2010).

Di arah sumbu optik, sinar biasa dan sinar luar biasa mempunyai kelajuan yang sama, yang bersesuaian dengan arah yang membuat nO= nE.
Beda kelajuan antara sinar tersebut maksimum pada arah tegak lurus sumbu optik. Nilai untuk nO dan nuntuk berbagai kristal pembias ganda ditunjukkan pada tabel berikut.

Tabel. Indeks Bias Kristal Pembias Ganda untuk Panjang Gelombang 589,3 nm (Serway,2010).



3. Polarisasi dengan Absorbsi Selektif

Polarisasi akibat absorbsi selektif terjadi jika cahaya melalui zat yang dapat memutar bidang polarisasi gelombang cahaya. Zat semacam ini disebut zat optis aktif. Pada tahun 1938, E.H.Land (1909-1991) menemukan sebuah bahan yang disebutnya sebagai polaroid yang memolarisasikan cahaya dengan cara absorbsi selektif melalui molekul-molekul yang terorientasi. 

Bahan tersebut dibuat dalam bentuk bahan lembaran tipis dari rantai hidrokarbon yang panjang. Lembaran ini diregangkan selama pembuatannya sehingga molekul panjangnya menjadi lurus. Setelah lembaran dicelupkan ke dalam cairan yang mengandung iodin, maka molekul-molekul menjadi konduktor listrik yang baik.

Kebanyakan konduksi terjadi di sepanjang rantai-rantai hidrokarbon karena elektron dapat dengan mudah bergerak hanya pada rantai-rantai tersebut. Saat cahaya masuk dengan vektor medan listriknya sejajar dengan rantai-rantai tersebut, arus listrik akan mengalir disepanjang rantai, sehingga energi cahaya akan diserap. Jika medan listrik tegak lurus rantai maka cahaya akan ditransmisikan. Arah tegak lurus rantai-rantai tersebut disebut dengan sumbu transmisi.

Gambar. Sinar Yang Mengalami Polarisasi Absorbsi Selektif (Serway, 2010)

Jika seberkas sinar yang tidak terpolarisasi datang pada lembaran polarisasi pertama yang disebut dengan polarisator dengan sumbu transmisi berorientasi vertikal seperti ditunjukkan gambar di atas, maka cahaya yang dihantarkan melalui lembaran ini akan dipolarisasikan secara vertikal. Lembar polarisasi kedua yang disebut dengan analisator akan memotong berkas tersebut.

Sumbu transmisi analisator dibuat bersudut θ terhadap sumbu transmisi polarisator, sehingga komponen E0 yang sejajar sumbu analisator yang diloloskan melewati analisator adalah E0 cos θ. Oleh karena itu, intensitas dari berkas transmisi dapat dijelaskan dengan persamaan berikut.

Dimana,  I adalah jumlah cahaya yang diteruskan pada sudut θ, dan 
Imaks adalah jumlah maksimum cahaya yang diteruskan.

Hubungan ini didapatkan berdasarkan percobaan yang dilakukan oleh Etienne Louis Malus pada tahun 1890, persamaan ini disebut dengan Hukum Malus (Sears, 1975).
Dari persamaan di atas, didapat bahwa intensitas dari berkas yang diteruskan akan maksimum ketika kedua sumbu transmisinya sejajar (θ=0⁰ atau 180⁰) dan akan nol (diserap sempurna oleh analisator) ketika kedua sumbu transmisi saling tegak lurus.

4. Polarisasi Melalui Hamburan
Ketika cahaya datang mengenai suatu bahan, maka elektronelektron dalam bahan akan menyerap dan meradiasikan kembali sebagian cahaya. Fenomena penyerapan dan radiasi kembali ini disebut dengan hamburan.

Gambar. Hamburan Cahaya Matahari yang Tidak Terpolarisasi Oleh Molekul Udara (Serway,2010).

Gambar di atas mengambarkan cahaya matahari yang tidak terpolarisasi mengalami polarisasi ketika dihamburkan. Berkas sinar matahari yang tidak terpolarisasi yang melewati arah horizontal (sejajar tanah) mengenai sebuah molekul dari salah satu gas yang ada di udara, sehingga membuat molekul-molekulnya bergerak. 

Komponen horizontal dari vektor medan listrik dalam gelombang muncul pada arah horizontal dari vibrasi muatannya, dan komponen vertikal vektor tersebut muncul pada arah vertikal dari vibrasinya.

Ketika cahaya dengan panjang gelombang λ yang berbeda-beda datang pada molekul gas berdiameter d (d λ)maka intensitas relatif dari cahaya yang terhambur akan berubah menurut 1/λ4. Kondisi d λ terpenuhi untuk hamburan dari molekul oksigen dan nitrogen di atmosfer, yang diamaternya sekitas 0,2 nm. Oleh karena itu, panjang gelombang yang kecil (cahaya biru) dihamburkan secara efisien 23 daripada panjang gelombang besar (cahaya merah).

Jadi, ketika cahaya matahari dihamburkan oleh molekul gas di udara, maka radiasi berpanjang gelombang kecil (biru) akan dihamburkan dengan lebih kuat daripada radiasi berpanjang gelombang besar (merah), inilah alasan mengapa langit berwarna biru.

Sekian, Semoga Bermanfaat

Previous
Next Post »
0 Komentar