Difraksi Laser pada Celah TunggalElva Erinda (081311333035), Magfira Maulidiyah (081311333081), Ilham Nur Dimas Y (081311333083), Minda Pujiati (081311333084), Isniar Wardani (081311333098), Osas Lisa I (081311333102), M Nizar Zulmi (081311333103)

Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas AirlanggaJl. Mulyorejo, Kampus C, Unair Surabaya 60115 Indonesia

AbstrakTelah dilakukan percobaan difraksi cahaya oleh celah tunggal yang bertujuan untuk menentukan panjang gelombang sinar laser He-Ne. Prinsip yang digunakan dalam percobaan ini yaitu cahaya dapat mengalami proses interferensi serta difraksi atau pelenturan sebagaimana sifat cahaya sebagai gelombang. Peralatan yang digunakan pada percobaan ini antara lain yaitu laser He-Ne, detektor optis, mikrovoltmater, celah (kisi), kabel penghubung, multi clamp dan bangku optik. Percobaan ini dilakukan dengan laser, lensa dan celah disusun secara sejajar. Laser diarahkan kecelah tunggal yang telah diberikan (kisi). Laser diarahkan sampai menghasilkan bayangan garis dengan pola gelap-terang secara sempurna sehingga mudah diamati dan diukur. Percobaan dilakukan dengan melakukan variasi terhadap pergeseran layar kekanan dan kekiri guna mendapatkan nilai dari bentuk maksimum gelombang. Kesimpulan dalam percobaan ini adalah hasil pelenturan gelombang cahaya melalui sebuah celah sempit yang mengakibatkan pola gelombang yang lebih terang (interferensi maksimum) dan keadaan yang gelap (interferensi minimum). Dalam percobaan ini diketahui lebar celah tunggal yang digunakan sebesar d= 0,24 mm dan didapatkan hasil perhitungan panjang gelombang laser He-Ne sebesar 778,93 nm dengan prosentase kesalahan 23,09%.

Kata Kuncidifraksi celah tunggal, laser He-NePENDAHULUAN

Di akhir tahun 1940-an dan sekali lagi di awal tahun 1960-an, fisika kuantum membuat dua konstribusi yang sangat besar kepada teknologi, yakni transistor dan laser. Laser memimpin jalan ke arah bidang baru yang kadang-kadang dinamakan fotonik (photonics) yang membahas interaksi (pada tingkat kuantum) antara foton dan bahan yang besar.Foton adalah sebuah partikel dasar (yang artinya sebuah partikel yang tidak bisa diuraikan lagi). Foton dikenal juga sebagai unit terkecil dalam bidang elektromagnetik, yang menarik dari foton adalah ia mempunyai ciri gelombang dan juga mempunyai ciri partikel. Artinya, foton bisa dibiaskan oleh lensa, bisa berinterferensi dengan gelombang lain, dan dia juga bisa diteksi ketika dianalisis sebagai sebuah partikel. Dengan demikian, foton juga memiliki sifat dualisme seperti halnya cahaya.Apabila berkas sinar laser dengan panjang gelombang yang dilewatkan pada sebuah celah sempit dengan lebar f akan mengalami difraksi. Pola difraksi ini dapat dilihat pada layar atau diukur dengan sensor cahaya. Jika antara c dengan layar jauh lebih besar dari pada lebar celah maka berkas yang sampai di layar dapat dianggap paralel.

Gambar 1.1 Difraksi Celah TunggalDifraksiDifraksi adalah penyebaran gelombang karena adanya halangan. Semakin kecil halangan, penyebaran gelombang semakin besar. Penghalang itu dapat berupa layar dengan celah kecil yang mengizinkan sebagian kecil muka gelombang datang untuk lewat. Selain itu juga dapat berupa benda kecil, contohnya kawat atau cakram. Difraksi cahaya dapat terjadi ketika cahaya melewati suatu celah sempit (lebar celah lebih kecil dari panjang gelombang), sehingga gelombang cahaya tampak melebar pada tepi celah. Efek yang sama terjadi ketika gelombang cahaya berjalan melalui medium dengan indeks bias bervariasi. Difraksi terjadi pada semua gelombang, termasuk gelombang suara, gelombang air, dan gelombang elektromagnetik seperti cahaya tampak, sinar-X dan gelombang radio. Sebagai objek fisik yang memiliki sifat seperti gelombang (pada tingkat atom), difraksi juga terjadi dengan materi dan dapat dipelajari sesuai dengan prinsip-prinsip mekanika kuantum.

Gambar 1.2Proses terjadinya difraksi pada gelombang

Hasil dari peristiwa difraksi adalah garis-garis terang dan garis garis gelap seperti pada peristiwa interferensi. Difraksi cahaya sulit untuk diamati karena biasanya sumber cahaya polikromatik, sehingga pola difraksi yang ditimbulkan setiap gelombang cahaya saling tumpang tindih dan sumber cahaya terlalu lebar sehingga pola difraksi yang ditiimbulkan masing masing bagian akan saling tumpang tindih dan cahaya tidak selalu koheren yang menyebabkan polanya berubah-ubah sesuai beda fasenya.

Prinsip Huygens Prinsip Huygens menerangkan bahwa tiap-tiap titik dari sebuah muka gelombang dapat ditinjau dari sebuah muka gelobang dapat ditinjau sebagai sumber gelombang-gelombang kecil sekunder yang menyebar keluar ke segala arah dengan laju yang sama degnan laju perambatan gelombang itu. Muka gelombang yang baru pada suatu waktu kemudian akan didapatkan dengan membangun sebuah permukaan yang menyinggung gelombang kecil sekunder, atau yang dinamakan pembungkus dari gelombang itu.

.Gambar 1.3Prinsip Huygens menjelaskan pemancaran gelombang cahaya

Dari gambar 1.3 dapat dilihat bagaimana prinsip Huygens menjelaskan perpindahan posisi dari AB ke posisi CD. Setiap titik pada muka gelombang AB berperan sebagai sumber gelombang titik yang sangat kecil yang memancar ke arah CD. Muka gelombang CD merupakan pembungkus atau permukaan gelombang AB. Prinsip Huygens bisa dipakai untuk menerangkan terjadinya difraksi cahaya pada celah kecil. Pada saat melewati celah kecil, muka gelombang akan menimbulkan wavelet baru yang jumlahnya tak terhingga sehingga gelombang tidak mengalir lurus saja, tetapi menyebar.Difraksi celah tunggalPada difraksi celah tunggal, apabila celah lebih lebar daripada gelombang tunggal cahaya, maka akan terjadi efek seperti interferensi pada celah. Hal ini dapat dijelaskan dengan menganggap bahwa celah bertindak sebagai sumber dari banyak titik yang terpisah secara merata. Difraksi mengacu pada penyimpangan (deviasi) dari perambatan garis lurus yang terjadi ketika suatu gelombang bergerak melewati suatu penghalang parsial. Ini biasanya sesuai dengan pembengkokan atau penyebaran gelombang pada tepi-tepi lubang dan penghalang. Bentuk paling sederhana dari difraksi cahaya adalah difraksi Fraunhofer atau far-field. Difraksi ini diamati pada sebuah layar yang sangat jauh dar lubang atau penghalang yang mengganggu arus gelombang-gelombang datar yang datang.

Gambar 1.4Proses difraksi pada celah tunggal

Syarat terjadinya garis gelap ke m adalah :

d sin = m(1.1)dengan m = 1, 2, 3

untuk sudut yang kecil berlaku :

(1.2)

Syarat terjadinya garis terang ke m adalah :

d sin = ( m + ) .(1.3)dengan m= 0, 1, 2,.

untuk sudut yang kecil berlaku :

(1.4)

Gambar 1.5 Proses difraksi celah tunggal ditinjau secara matematisBerkas-berkas cahaya yang melewati celah tunggal, akan dibelokkan dengan sudut tertentu (). Cahaya yang memasuki suatu celah terdiri dari berkas-berkas cahaya. Setiap bagian celah berfungsi sebagai sumber gelombang sehingga cahaya dari bagian celah dapat mengalami superposisi pada suatu titik y pada layar dengan gelombang cahaya yang lainnya. [4] Interferensi gelombangSalah satu dari sifat cahaya adalah interferensi. Interferensi merupakan perpaduan dua gelombang atau lebih yang memiliki beda fase konstan dan amplitudo yang hampir sama. Interferensi dapat bersifat membangun dan merusak. Bersifat membangun jika beda fase kedua gelombang sama sehingga gelombang baru yang terbentuk adalah penjumlahan dari kedua gelombang tersebut. Bersifat merusak jika beda fasenya adalah 180 derajat, sehingga kedua gelombang saling menghilangkan. Prinsip Huygens menerangkan bahwa setiap wave front (muka gelombang) dapat dianggap memproduksi wavelet atau gelombang-gelombang baru dengan panjang gelombang yang sama dengan panjang gelombang sebelumnya. Wavelet bisa diumpamakan gelombang yang ditimbulkan oleh batu yang dijatuhkan ke dalam air. [2]

Gambar 1.6 Pembentukan pita terang dan pita gelap pada layar

Interferensi cahaya menghasilkan suatu pola interferensi (terang-gelap). Pada inteferensi, berlaku prinsip superposisi, yaitu Bila dua atau lebih gelombang tumpang tindih, maka pergeseran resultan di sembarang titik dan pada sembarang saat, dapat dicari dengan menambahkan pergeseran sesaat yang akan dihasilkan di titik itu oleh gelombang-gelombang itu seandainya setiap gelombang itu hadir sendirian.

LaserKata laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang artinya perbesaran intensitas cahaya oleh pancaran. Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan amat lurus. Cara kerjanya mencakup optika dan elektronika. Para ilmuwan biasa menggolongkannya dalam bidang elektronika kuantum. Laser yang memancarkan sinar tampak disebut laser - optik. Pada tahun 1917, Albert Einstein mempostulatkan pancaran imbas pada peristiwa radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yangsedang menyerap dan memancarkan radiasi. Terdapat 3 proses yang terlibat dalam kesetimbangan itu, yaitu : serapan, pancarn spontan (disebut fluorensi) dan pancaran terangsang ( atau lasing dalam bahasa Inggrisnya, artinya memancarkan laser). Proses yang terakhir biasanya diabaikan terhadap yang lain karena pada keadaan normal serapan dan pancaran spontan sangat dominan. Sebuah atom pada keadaan dasar dapat dieksitasi ke keadaan tingkat energi yang lebih tinggi dengan cara menumbukinya dengan elektron atau foton. Setelah beberapa saat berada di tingkat tereksitasi ia secara acak akan segera kembali ke tingkat energi yang lebih rendah, tidak harus ke keadaan dasar semula. Proses acak ini dikenalsebagai fluoresensi terjadi dalam selang waktu rerata yang disebut umur rerata, lamanya tergantung pada keadaan dan jenis atom tersebut.METODEPeralatan yang digunakan dalam percobaan ini antara lain laser He-Ne (sebagai sumber cahaya), celah kisi (sebagai media untuk mendapatkan pola yang terlihat pada layar dengan celah tunggal), detektor optis foto sel (BPY 47), layar (sebagai media pengamatan hasil difraksi), bangku optik, multi clamp, kabel-kabel penghubung, dan mikrovoltmeter (pengukur tegangan keluaran).

Gambar 2.1 Layar dan mikrovoltmeter

Langkah pertama dalam percobaan ini yaitu dipasangkan semua alat dan bahan yang digunakan. Laser dinyalakan sampai cahaya yang dipancarkan oleh laser tersebut dapat melewati celah kisi sehingga akan muncul pola difraksi yang mncul pada layar maka gelombang tidak mengalir lurus saja, tetapi menyebar. Laser pada percobaan ini menghasilkan cahaya koheren, yang berarti cahaya akan memasuki celah dengan fase yang sama. Apabila cahaya lalu jatuh pada layar yang ditempatkan dengan jarak tertentu dari celah maka akan terjadi suatu pola gelap terang pada layar. Pola cahaya tersebut dikenal dengan nama pola difraksi celah tunggal atau pola difraksi Fraunhoffer. Pada difrakasi celah tunggal, pola difraksi yang terbentuk ditentukan oleh panjang gelombang cahaya dan lebar dari celah penghalang. Apabila celah lebih lebar daripada gelombang tunggal cahaya, maka akan terjadi efek seperti interferensi pada celah. Hal ini dapat dijelaskan dengan menganggap bahwa celah bertindak sebagai sumber dari banyak titik yang terpisah merata. Apabila sumber cahaya bersifat koheren, maka gelombangya sefase. Cahaya yang tampak pada layar merupakan kontribusi dari tiap titik sumber dan jika perbedaan fase relatif dari gelombang ini bernilai 2pi. Pola gelap terang yang tampak pada layar merupakan hasil dari adanya proses interferensi gelombang cahaya.

Peristiwa interferensi adalah penggabungan atau superposisi gelombang. Gelombang ini saling tumpang tindih sehingga menimbulkan superposisi gelombang. Gelombang-gelombang yang memiliki beda fase yang sama akan menghasilkan amplitudo yang lebih besar sehingga interferensi ini disebut sebagai interferensi konstruktif atau menguatkan. Interferensi konstruktif ini menghasilkan pola terang. Sedangkan gelombang-gelombang yang memiliki beda fase yang berbeda akan saling merusak sehingga interferensi ini disebut sebagai interferensi destruktif. Interferensi destruktif ini menghasilkan pola gelap.

4

analisis data1. Tabel hasil perhitungan celah tunggal (dari sisi kiri)

2. Tabel hasil perhitungan celah tunggal (dari sisi kanan)

3. Tabel panjang gelombang sinar He-Ne