Mengenal Optika Fisis, Cabang Studi Cahaya

Ilustrasi cahaya

Optika fisis atau optika gelombang merupakan cabang studi cahaya yang mempelajari sifat-sifat tertentu. Tentunya bukanlah sembarang sifat sinar yang dipelajari, namun sinar yang tidak terdefinisikan oleh optik geometris dengan model pendekatan garis sinarnya. Optik geometris di sini diartikan sebagai alat optik yang mempelajari sifat-sifat seberkas sinar sebagai gelombang yang rnengalami pembiasan dan pemantulan.

Apabila bicara lebih terkait sifat sinar, maka ada pendekatan lain yang dilakukan untuk mengeetahui sifat sinar tersebut. Definisi sifat sinar dalam optik fisis dilakukan melalui pendekatan frekuensi tinggi. Teori frekuensi tinggi pertama kali dicetuskan oleh Robert Hooke sekitar 1660. Kemudian, Christian Huygens menyusul teori barunya dengan Treatise on light pada 1690 yang dikerjakannya semenjak 1678.

Cahaya diartikan sebagai emisi deret gelombang ke segala arah dalam media yang disebut luminiferous ether. Sama halnya dengan sinar. Karena gelombang tidak terpengaruhi oleh medan gravitasi, sinar diasumsikan bergerak lebih lamban saat merambat melalui media yang lebih padat.

Di lain sisi, sinar juga memiliki sifat yang secara umum muncul. Sifat sinar yang merambat sebagai garis lurus dan termasuk gelombang elektromagnetik, artinya merupakan gabungan antara medan magnetik dan medan listrik. Ciri utama dari gelombang sinar adalah bahwa gelombang ini tidak pernah diam, atau dikatakan sinar selalu bergerak. Berikut merupakan gambaran ilmuwan optik fisis yang telah berjasa di bidangnya.

Ilmuwan Optik Fisis

Pada 1800, telah muncul teori dari Thomas Young yang mengatakan bahwa gelombang ini mempunyai warna sesuai panjang gelombangnya, dapat dipolarisasi, saling berinterferensi, dan menggambarkan color vision dalam reseptor tiga warna pada mata. Pada 1817, teori Augustin Jean Fresnel telah berhasil melakukan perhitungan matematis di Académie des Sciences dan melakukan presentasi teori gelombang. Teori itu dicetuskan dengan nama persamaan Fresnel.

Tak kalah dengan ilmuan lainnya, layaknya Simeon Denis Poisson juga mengeluarkan perhitungan matematis yang melemahkan teori partikel Newton. Para ilmuwan seakan berlomba untuk melakukan pembuktian terkait gelombang. Pada 1921, Fresnel membuktikan metode matematis bahwa polarisasi dapat dijelaskan oleh teori gelombang saja. Hal itu karena gelombang merambat tanpa vibrasi longitudinal. Kelemahan teori gelombang hanya karena gelombang membutuhkan media untuk merambat.

Saat Léon Foucault berhasil mengukur kecepatan cahaya dengan cukup akurat pada 1850, hasil percobaannya meruntuhkan teori partikel sinar yang mengatakan bahwa partikel sinar mempunyai kecepatan lebih tinggi dalam media yang lebih padat.

Pada 1845, Michael Faraday menemukan korelasi antara sinar dan medan elektromagnetik pada percobaan rotasi Faraday. Berbagai percobaan Faraday berikutnya menjadi inspirasi James Clerk Maxwell dengan On Physical Lines of Force pada 1862, A Treatise on Electricity and Magnetism pada 1873 dengan penjabaran matematis yang dinamakan persamaan Maxwell.

Setelah itu, Heinrich Hertz mengukuhkan teori Maxwell dengan berbagai percobaan pada gelombang radio. Hasil temuan kedua tokoh ini mengakhiri era optika klasik dan membuka era baru pengembangan radio modern, radar, televisi, citra elektromagnetik, komunikasi nirkabel, dan lain-lain. Temuan itulah yang sangat bermanfaat masa kini. Dengan adanya temuan tersebut, maka secara tidak langsung kita juga harus tahu terkait dengan teori – teori yang telah dicetuskan sebagian ilmuan optik fisis.

Seputar Teori Cahaya

Pada abad ke-10, Ilmuwan Abu Ali Hasan Ibn Al-Haitham atau nama akrabnya Alhazen berhasil mengembangkan teori sinar. Teori ini menjelaskan penglihatan dengan menggunakan anatomi dan geometri. Dalam teori dikatakan setiap titik pada daerah yang tersinari, akan mengeluarkan sinar ke segala arah, namun hanya satu sinar dari setiap titik yang masuk ke mata secara tegak lurus dan dapat dilihat.

Uniknya, Ilmuwan ini menggunakan kamera lubang jarum sebagai medianya, kemudian akan menampilkan sebuah citra terbalik. Anggapan Alhazen bahwa sinar adalah kumpulan partikel kecil yang bergerak pada kecepatan tertentu terbuktikan. Tak luput darinya, ternyata dia juga mengembangkan teori Ptolemy tentang refraksi namun usaha Alhazen tidak dikenal di Eropa sampai pada akhir abad 16.

Untuk teori selanjutnya, teori Partikel dicetuskan oleh Isaac Newton. Dia menyatakan pada 1675 dalam Hypothesis of Light bahwa sinar terdiri dari partikel halus (corpuscles) yang dipancarkan ke segala arah dari sumbernya. Teori ini dapat digunakan untuk menerangkan pantulan sinar, tetapi hanya dapat menerangkan pembiasannya saja karena adanya daya tarik gravitasi lebih kuat.

Begitu pula dengan teori gelombang yang dikeluarkan oleh Christiaan Huygens pada abad ke-17. Huygens menyatakan bahwa sinar dipancarkan ke segala arah sebagai ciri-ciri gelombang.Nah, sebenarnya pandangan Huygens ini menggantikan teori partikel halus. Hal ini disebabkan karena gelombang tidak mendapatkan gangguan oleh gravitasi dan gelombang akan menjadi lebih lambat ketika memasuki medium yang lebih padat.

Teori gelombang ini menyatakan bahwa gelombang sinar akan berinterferensi dengan gelombang sinar yang lain seperti gelombang bunyi (Layaknya yang pernah disebutkan oleh Thomas Young pada kurun ke-18) dan dapat dipolarisasikan. Kelemahan teori ini adalah gelombang ini memerlukan medium untuk media hantar.

Faraday menemukan sudut polarisasi dari sebuah sinar ketika sinar tersebut masuk melewati material pemolarisasi dapat diubah dengan medan magnet pada 1845. Ini adalah bukti pertama kalau sinar berhubungan dengan elektromagnetis. Dan dikatakan sebagai teori elektromagnet. Faraday mengusulkan pada tahun 1847 bahwa sinar adalah getaran elektromagnetik berfrekuensi tinggi yang dapat bertahan walaupun tidak ada medium.

Teori ini diusulkan oleh James Clerk Maxwell pada akhir abad ke-19, menyebut bahwa gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnet sehingga tidak memerlukan medium untuk merambat. Pada permukaannya dianggap gelombang yang disebarkan melalui kerangka acuan yang tertentu, seperti aether, tetapi teori relativitas khusus menggantikan anggapan ini. Teori elektromagnet menunjukkan yang sinar kasat mata adalah sebagian daripada spektrum elektromagnet. Teknologi penghantaran radio diciptakan berdasarkan teori ini dan masih digunakan.

Kecepatan cahaya yang konstan berdasarkan persamaan Maxwell berlawanan dengan hukum-hukum mekanis gerakan yang telah bertahan sejak zaman Galileo, yang menyatakan bahwa segala macam laju adalah relatif terhadap laju sang pengamat. Pemecahan terhadap kontradiksi ini kelak akan ditemukan oleh Albert Einstein.

Untuk teori kuantum yang di mulai pada abad ke-19 oleh Max Planck tersebut, dinyatakan bahwa pada tahun 1900 ada teori tentang sinar, dimana terdiri dari paket (kuantum) tenaga yang dikenal sebagai photon. Penghargaan Nobel menghadiahkan Planck anugerah fisika pada1918 untuk kerja-kerjanya dalam penemuan teori kuantum, walaupun dia bukannya orang yang pertama memperkenalkan prinsip asas partikel cahaya.

Selanjutnya ada teori dualitas partikel dan gelombang yang menggabungkan tiga teori yang sebelumnya dan menyatakan bahwa sinar adalah partikel dan gelombang. Ini adalah teori modern yang menjelaskan sifat-sifatnya dan bahkan sifat-sifat partikel secara umum. Teori ini pertama kali dijelaskan oleh Albert Einstein pada awal abad 20, berdasarkan dari karya tulisnya tentang efek fotolistrik, dan hasil penelitian Planck.

Einstein menunjukkan bahwa energi sebuah foton sebanding dengan frekuensinya. Lebih umum lagi, teori tersebut menjelaskan bahwa semua benda mempunyai sifat partikel dan gelombang, dan berbagai macam eksperimen dapat di lakukan untuk membuktikannya. Sifat partikel dapat lebih mudah dilihat apabila sebuah objek mempunyai massa yang besar.

Sifat Gelombang Cahaya

Interferensi yaitu penjumlahan super posisi dari dua gelombang cahaya atau lebih. Penjumlahan ini menimbulkan pola gelombang baru dan mengacu pada interaksi gelombang yang saling berkorelasi serta koheren antar satu dengan lainnya. Hal ini terjadi karena sinar itu berasal dari sumber yang sama atau memiliki frekuensi serupa dengan frekuensi lainnya.

Dengan tidak memperhatikan lebih terkait efek optik non linear, dua gelombang itu dengan frekuensi sama dapat berinterferensi satu sama lain dengan konstruktif bahkan destruktif. Hal ini bergantung pada posisi fasa gelombang tersebut.

Difraksi merupakan fenomena gelombang yang terjadi akibat respon gelombang terhadap halangan yang ada pada arah rambatnya. Pada gelombang sinar, difraksi merupakan istilah yang dipakai untuk menjelaskan respon sinar dengan sinar yang melengkung mengitari halangan kecil dan radiasi gelombang yang menyebar keluar dari sebuah celah kecil. Fenomena itu dijelaskan oleh Francesco Maria pada 1665 dengan maksud penjabaran sifat gelombang yang terurai menjadi potongan-potongan gelombang yang dapat bergabung kembali dalam resolusi optis.

Dispresi sering disebut chromatic dispersion yang merupakan suatu fenomena saat kecepatan suatu gelombang bergantung pada frekuensinya atau saat kecepatan grup gelombang tersebut bergantung pada frekuensi. Dispresi terjadi karena adanya berbagai macam frekuensi memiliki kecepatan yang berbeda-beda, hal ini dapat disebabkan oleh dispersi material dan dispersi pandu gelombang.

Demikian artikel tersebut yaitu seputar optika fisis, baik dari segi ilmuwan yang berkecimpung di dalamnya hingga sifat- sifat gelombang yang perlu diketahui oleh kita semua. Memang tak mudah untuk mengingat semuanya namun perlu adanya upaya untuk menghayatinya dalam kehidupan sehari- hari.