BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Difraksi Cahaya (Light Diffraction)

Difraksi cahaya atau lenturan cahaya dapat terjadi karena pembelokkan arah rambat

cahaya oleh suatu penghalang. Penghalang yang dipergunakan biasanya berupa kisi, yaitu

celah sempit. Semakin kecil halangan, penyebaran gelombang semakin besar. Hal ini bisa

diterangkan oleh prinsip Huygens.

Pada pelajaran gerak gelombang, telah diperkenalkan pula bahwa gelombang

permukaan air yang melewati sebuah penghalang berupa sebuah celah sempit akan

mengalami lenturan (difraksi). Peristiwa yang sama terjadi jika cahaya dilewatkan pada

sebuah celah yang sempit sehingga gelombang cahaya itu akan mengalami difraksi. Selain

disebabkan oleh celah sempit, peristiwa difraksi juga dapat disebabkan oleh kisi. Kisi

adalah sebuah penghalang yang terdiri atas banyak celah sempit. Jumlah celah dalam kisi

dapat mencapai ribuan pada daerah selebar 1 cm. Kisi difraksi adalah alat yang sangat

berguna untuk menganalisis sumber-sumber cahaya. Perhatikan Gambar 2.1

Gambar 2.1. Cahaya yang melewati celah sempit

Kita dapat melihat gejala difraksi ini dengan mudah pada cahaya yang melewati sela

jari-jari yang kita rapatkan kemudian kita arahkan pada sumber cahaya yang jauh,

misalnya lampu neon atau dengan melihat melalui kisi tenun kain yang terkena sinar

lampu yang cukup jauh.

Difraksi cahaya berturut-turut dipelajari antara lain oleh:

a. Isaac Newton dan Robert Hooke pada tahun 1660, sebagai inflexion dari partikel

cahaya yang sekarang dikenal sebagai cincin Newton.

b. Francesco Maria Grimaldi pada tahun 1665 dan didefinisikan sebagai hamburan fraksi

gelombang cahaya ke arah yang berbeda-beda. Istilah yang digunakan saat itu

mengambil bahasa Latin diffringere yang berarti to break into pieces.

c. James Gregory pada tahun 1673 dengan mengamati pola difraksi pada bulu burung

yang kemudian didefinisikan sebagai diffraction grating.

d. Thomas Young pada tahun 1803 dan sebagai fenomena interferensi gelombang

cahaya. Dari percobaan yang mengamati pola interferensi pada dua celah kecil yang

berdekatan, Thomas Young menyimpulkan bahwa kedua celah tersebut lebih

merupakan dua sumber gelombang yang berbeda daripada partikel (en:corpuscles).

e. Augustin Jean Fresnel pada tahun 1815 dan tahun 1818, dan menghasilkan

perhitungan matematis yang membenarkan teori gelombang cahaya yang

dikemukakan sebelumnya oleh Christiaan Huygens pada tahun 1690 hingga teori

partikel Newton mendapatkan banyak sanggahan. Fresnel mendefinisikan difraksi dari

eksperimen celah ganda Young sebagai interferensi gelombang dengan persamaan:

m = 0, 1, 2, 3, ………………………………………………..(2.1)

dimana d adalah jarak antara dua sumber muka gelombang, θ adalah sudut yang

dibentuk antara fraksi muka gelombang urutan ke-m dengan sumbu normal muka

gelombang fraksi mula-mula yang mempunyai urutan maksimum m = 0.. Difraksi

Fresnel kemudian dikenal sebagai near-field diffraction, yaitu difraksi yang terjadi

dengan nilai m relatif kecil.

f. Richard C. MacLaurin pada tahun 1909, dalam monograph-nya yang berjudul Light,

menjelaskan proses perambatan gelombang cahaya yang terjadi pada difraksi Fresnel

jika celah difraksi disoroti dengan sinar dari jarak jauh.

g. Joseph von Fraunhofer dengan mengamati bentuk gelombang difraksi yang perubahan

ukuran akibat jauhnya bidang pengamatan. Difraksi Fraunhofer kemudian dikenal

sebagai far-field diffraction.

h. Francis Weston Sears pada tahun 1948 untuk menentukan pola difraksi dengan

menggunakan pendekatan matematis Fresnel. Dari jarak tegak lurus antara celah pada

bidang halangan dan bidang pengamatan serta dengan mengetahui besaran panjang

gelombang sinar insiden, sejumlah area yang disebut zona Fresnel atau half-period

elements dapat dihitung.

2.2 Difraksi Celah Tunggal

Pola difraksi yang disebabkan oleh celah tunggal dijelaskan oleh Christian Huygens.

Menurut Huygens, tiap bagian celah berfungsi sebagai sumber gelombang sehingga cahaya

dari satu bagian celah dapat berinterferensi dengan cahaya dari bagian celah lainnya.

Gambar 2.2 Difraksi celah tunggal pada gelombang air

Gambar 2.3. Grafik dan citra dari sebuah difraksi celah tunggal

Interferensi minimum yang menghasilkan garis gelap pada layar akan terjadi, jika

gelombang 1 dan 3 atau 2 dan 4 berbeda fase ½, atau lintasannya sebesar setengah panjang

gelombang. Perhatikan Gambar 2.4.

Gambar 2.4. interferensi celah tunggal

Berdasarkan Gambar 2.4 tersebut, diperoleh beda lintasan kedua gelombang (d sin θ)/2.

ΔS = (d sin θ)/2………………………………………………………………(2.2)

dan

ΔS = ½ λ…………………………………………………………………….(2.3)

sehingga

d sin θ = λ…………………………..……………………………………….(2.4)

Jika celah tunggal itu dibagi menjadi empat bagian, pola interferensi minimumnya menjadi

ΔS = (d sin θ)/4………………………………………………………………(2.5)

ΔS = ½ λ…………………………………………………………………….(2.6)

Sehingga

d sin θ = 2 λ. ……………………………………………………………….(2.7)

Berdasarkan penurunan persamaan interferensi minimum tersebut, diperoleh persamaan

sebagai berikut.

dsinθ=mλ………………………………………………………………….(2.8)

dengan:

d = lebar celah

m = 1, 2, 3, . . .

Untuk mendapatkan pola difraksi maksimum, maka setiap cahaya yang melewati celah

harus sefase. Beda lintasan dari interferensi minimum tadi harus dikurangi dengan

sehingga beda fase keduanya mejadi 360°. Persamaan interferensi maksimum dari pola

difraksinya akan menjadi :

………………………………………(2.9)

.......................................................................................(2.10)

Dengan (2m – 1) adalah bilangan ganjil, m = 1, 2, 3,…

2.3 Difraksi Celah Ganda

Gambar 2.5 Citra dari sebuah difraksi celah ganda

Pada mekanika kuantum, eksperimen celah ganda yang dilakukan oleh Thomas

Young menunjukkan sifat yang tidak terpisahkan dari cahaya sebagai gelombang dan

partikel. Sebuah sumber cahaya koheren yang menyinari bidang halangan dengan dua

celah akan membentuk pola interferensi gelombang berupa pita cahaya yang terang dan

gelap pada bidang pengamatan, walaupun demikian, pada bidang pengamatan, cahaya

ditemukan terserap sebagai partikel diskrit yang disebut foton.

Pita cahaya yang terang pada bidang pengamatan terjadi karena interferensi

konstruktif, saat puncak gelombang (crest) berinterferensi dengan puncak gelombang yang

lain, dan membentuk maksima. Pita cahaya yang gelap terjadi saat puncak gelombang

berinterferensi dengan landasan gelombang (trough) dan menjadi minimal.

konstruktif terjadi saat:

…………………..……………(2.11)

dimana

λ adalah panjang gelombang cahaya

a adalah jarak antar celah, jarak antara titik A dan B pada diagram di samping kanan

n is the order of maximum observed (central maximum is n = 0),

x adalah jarak antara pita cahaya dan central maximum (disebut juga fringe distance) pada

bidang pengamatan

L adalah jarak antara celah dengan titik tengah bidang pengamatan

Persamaan ini adalah pendekatan untuk kondisi tertentu. Persamaan matematika yang

lebih rinci dari interferensi celah ganda dalam konteks mekanika kuantum dijelaskan pada

dualitas Englert-Greenberger.

2.4 Jenis-jenis Difraksi (Kind of Diffraction)

Difraksi cahaya terdiri atas dua jenis yaitu :

1. Difraksi Fresnel

Difraksi Fresnel merupakan jenis difraksi dimana sumber cahaya atau layar terletak

pada jarak tertentu (dekat) dari celah difraksi, dan secara umum difraksi yang dibahas

merupakan jenis Difraksi Fresnel.

Tinjauan teoritis dari difraksi fresnel sangat kompleks. Berikut gambar dari difraksi

fresnel :

Gambar 2.6 Difraksi celah tunggal biasa merupakan jenis Difraksi Fresnel

Difraksi Fresnel adalah pola gelombang pada titik (x,y,z) dengan persamaan:

………………………….(2.12)

dimana:

…………………………………..(2.13)

2. Difraksi Fraunhofer

Difraksi Fraunhofer merupakan jenis difraksi dimana sumber, kisi, dan layar jauh

jaraknya, sehingga semua garis dari sumber ke kisi dapat dianggap sejajar. Berikut adalah

suatu eksperimen untuk memperoleh pola difraksi fraunhofer dari suatu celah tunggal

Gambar 2.7 Difraksi Fraunhofer

Pada Difraksi Fraunhofer digunakan lensa cembung yang berfungsi untuk

memfokuskan cahaya yang datang dari sumber yang jaraknya sangat jauh. Berkas cahaya

tersebut terlebih dahulu difokuskan dengan menggunakan sebuah lensa cembung yang

telah diatur agar focus lensa tepat berada pada celah pertama. Dengan demikian, berkas

cahaya yan terfokus ini dapat menjadi sumber cahaya baru yang akan didifraksikan.

Sebelum melewati celah difraksi, berkas cahaya terlebih dahulu melewati lensa

cembung agar cahaya yang tadinya telah terfokus pada titik fukus lensa pertama dapat

sejajar kembali dan kemudian berkas sejajar inilah yang akan mengalami difraksi.

Perlu diperhatikan bahwa jarak antara lensa cembung kedua dan kisi difraksi haruslah

sangat kecil agar berkas cahaya tidak sempat difokuskan oleh lensa cembung kedua pada

titik fokusnya.

Difraksi dapat digunakan untuk membuktikan bahwa cahaya putih merupakan cahaya

polikromatik yang terdiri dari berbagai spektrum warna. Dan spektrum warna cahaya bila

dipadukan akan menghasilkan warna putih kembali dapat dibuktikan dengan difraksi

fraunhofer.

Dalam teori difraksi skalar (en:scalar diffraction theory), Difraksi Fraunhofer adalah

pola gelombang yang terjadi pada jarak jauh (en:far field) menurut persamaan integral

difraksi Fresnel sebagai berikut:

..........(2.14)

Persamaan di atas menunjukkan bahwa pola gelombang pada difraksi Fresnel yang skalar

menjadi planar pada difraksi Fraunhofer akibat jauhnya bidang pengamatan dari bidang

halangan.

DAFTAR PUSTAKA

Cinda.2011. Difraksi Cahaya. http://fisikon.com/ : dikunjungi pada hari Selasa tanggal 5 Juni

2012 pukul 07:40 WIB.

Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid 2 Edisi Kelima. Jakarta : Erlangga.

My Green Blog. 2010. Interferensi dan Difraksi Cahaya.

http://katupatkarau.blogspot.com/difraksi : dikunjungi pada hari Selasa tanggal 5 Juni 2012

pukul 07:40 WIB.