Optik fisik: sejarah, istilah umum, hukum, kegunaan

Optik fisik adalah bagian dari optik yang mempelajari sifat gelombang cahaya dan fenomena fisik yang hanya dipahami dari model gelombang. Ia juga mempelajari fenomena interferensi, polarisasi, difraksi dan fenomena lain yang tidak dapat dijelaskan dari optik geometris.

Model gelombang mendefinisikan cahaya sebagai gelombang elektromagnetik yang medan listrik dan magnetnya berosilasi tegak lurus satu sama lain.

Gelombang Elektromagnetik [Oleh Lennart Kudling Raphaël Deknop (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electromagnetic_wave_color.pdf)]

Medan listrik ( E ) dari gelombang cahaya berperilaku dengan cara yang mirip dengan medan magnetnya ( B ), tetapi medan listrik mendominasi medan magnet karena hubungan Maxwell (1831-1879), yang menetapkan sebagai berikut:

E = cB

Dimana c = Kecepatan rambat gelombang.

Optika fisik tidak menjelaskan spektrum serapan dan emisi atom. Di sisi lain, optik kuantum memang membahas studi tentang fenomena fisik ini.

Sejarah

Sejarah optik fisik dimulai dengan eksperimen yang dilakukan oleh Grimaldi (1613-1663), yang mengamati bahwa bayangan yang ditimbulkan oleh objek yang disinari tampak lebih lebar dan dikelilingi oleh garis-garis berwarna.

Dia menyebut fenomena yang diamati difraksi. Karya eksperimentalnya membawanya untuk mengusulkan sifat gelombang cahaya, yang bertentangan dengan konsepsi Isaac Newton yang berlaku selama abad ke-18.

Paradigma Newton menyatakan bahwa cahaya berperilaku seperti sinar sel kecil yang bergerak dengan kecepatan tinggi di jalur bujursangkar.

Robert Hooke (1635-1703) membela sifat gelombang cahaya, dalam studinya tentang warna dan pembiasan, menyatakan bahwa cahaya berperilaku seperti gelombang suara yang merambat cepat hampir seketika melalui media material.

Kemudian Huygens (1629-1695), berdasarkan ide-ide Hooke, mengkonsolidasikan teori gelombang cahaya dalam karyanya Traité de la lumière (1690) di mana ia mengandaikan bahwa gelombang cahaya yang dipancarkan oleh benda bercahaya merambat melalui media halus dan elastis disebut eter.

Teori gelombang Huygens menjelaskan fenomena pemantulan, pembiasan, dan difraksi jauh lebih baik daripada teori sel-sel Newton, dan menunjukkan bahwa kecepatan cahaya berkurang ketika bergerak dari medium yang kurang rapat ke yang lebih rapat.

Ide-ide Huygens tidak diterima oleh para ilmuwan saat itu karena dua alasan. Yang pertama adalah ketidakmampuan untuk menjelaskan definisi aether secara memuaskan, dan yang kedua adalah prestise Newton seputar teori mekanikanya yang memengaruhi sebagian besar ilmuwan untuk memutuskan mendukung paradigma sel cahaya.

Renaisans teori gelombang

Pada awal abad ke-19, Tomas Young (1773–1829) berhasil membuat komunitas ilmiah menerima teori gelombang Huygens berdasarkan hasil eksperimen interferensi cahayanya. Percobaan memungkinkan untuk menentukan panjang gelombang dari warna yang berbeda.

Pada tahun 1818 Fresnell (1788-1827) menyatakan kembali teori gelombang Huygens berdasarkan prinsip interferensi. Dia juga menjelaskan fenomena birefringence cahaya, yang memungkinkan dia untuk menegaskan bahwa cahaya adalah gelombang transversal.

Pada tahun 1808 Arago (1788-1853) dan Malus (1775-1812) menjelaskan fenomena polarisasi cahaya dari model gelombang.

Hasil eksperimen Fizeau (1819-1896) pada tahun 1849 dan Foucalt ( 1819-1868 ) pada tahun 1862 memungkinkan untuk membuktikan bahwa cahaya merambat lebih cepat di udara daripada di air, bertentangan dengan penjelasan yang diberikan oleh Newton.

Pada tahun 1872, Maxwell menerbitkan Treatise on Electricity and Magnetism, di mana ia menyatakan persamaan yang mensintesis elektromagnetisme. Dari persamaannya ia memperoleh persamaan gelombang yang memungkinkannya untuk menganalisis perilaku gelombang elektromagnetik.

Maxwell menemukan bahwa kecepatan rambat gelombang elektromagnetik terkait dengan media rambat dan bertepatan dengan kecepatan cahaya, menyimpulkan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

Terakhir, Hertz (1857–1894) pada tahun 1888 berhasil memproduksi dan mendeteksi gelombang elektromagnetik dan menegaskan bahwa cahaya adalah salah satu jenis gelombang elektromagnetik.

Apa yang dipelajari optik fisik?

Optika fisik mempelajari fenomena yang berkaitan dengan sifat gelombang cahaya, seperti interferensi, difraksi dan polarisasi.

Interferensi

Interferensi adalah fenomena di mana dua atau lebih gelombang cahaya tumpang tindih, hidup berdampingan di wilayah ruang yang sama, membentuk pita cahaya terang dan gelap.

Pita terang dihasilkan ketika beberapa gelombang ditambahkan bersama untuk menghasilkan gelombang dengan amplitudo yang lebih besar. Jenis interferensi ini disebut interferensi konstruktif.

Ketika gelombang tumpang tindih untuk menghasilkan gelombang amplitudo yang lebih rendah, interferensi disebut interferensi destruktif, dan pita cahaya gelap dihasilkan.

Interferensi [Oleh Inductiveload (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Constructive_interference.svg)]

Cara pita berwarna didistribusikan disebut pola interferensi. Gangguan dapat dilihat pada gelembung sabun atau lapisan minyak di jalan yang basah.

Difraksi

Fenomena difraksi adalah perubahan arah rambat yang dialami gelombang cahaya ketika mengenai rintangan atau bukaan, mengubah amplitudo dan fasenya.

Seperti fenomena interferensi, difraksi adalah hasil dari superposisi gelombang koheren. Dua atau lebih gelombang cahaya dikatakan koheren ketika mereka berosilasi dengan frekuensi yang sama mempertahankan hubungan fase yang konstan.

Ketika penghalang menjadi lebih kecil dan lebih kecil dibandingkan dengan panjang gelombang, fenomena difraksi mendominasi fenomena pemantulan dan pembiasan dalam menentukan distribusi sinar gelombang cahaya setelah menabrak penghalang.

Polarisasi

Polarisasi adalah fenomena fisik dimana gelombang bergetar dalam satu arah tegak lurus terhadap bidang yang mengandung medan listrik. Jika gelombang tidak memiliki arah rambat yang tetap, maka dikatakan gelombang tersebut tidak terpolarisasi. Ada tiga jenis polarisasi: polarisasi linier, polarisasi melingkar, dan polarisasi elips.

Jika gelombang bergetar sejajar dengan garis tetap yang menggambarkan garis lurus pada bidang polarisasi, dikatakan terpolarisasi linier.

Ketika vektor medan listrik gelombang menggambarkan sebuah lingkaran pada bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat yang sama, menjaga besarnya konstan, gelombang dikatakan terpolarisasi sirkular.

Jika vektor medan listrik gelombang menggambarkan elips pada bidang yang tegak lurus dengan arah rambat yang sama, gelombang dikatakan terpolarisasi elips.

Istilah Umum dalam Optik Fisik

Polarisasi

Ini adalah filter yang memungkinkan hanya sebagian dari cahaya yang berorientasi pada satu arah tertentu untuk melewatinya tanpa membiarkan gelombang yang berorientasi pada arah lain melewatinya.

Muka Gelombang

Ini adalah permukaan geometris di mana semua bagian gelombang memiliki fase yang sama.

Amplitudo gelombang dan fase

Amplitudo adalah perpanjangan maksimum gelombang. Fase gelombang adalah keadaan getaran pada suatu saat. Dua gelombang berada dalam fase ketika mereka memiliki keadaan getaran yang sama.

Sudut datang

Ini adalah sudut datangnya cahaya dimana gelombang cahaya yang dipantulkan dari sumber terpolarisasi penuh.

Inframerah

Cahaya yang tidak terlihat oleh mata manusia dalam spektrum radiasi elektromagnetik dari 700 nm sampai 1000 m.

Kecepatan cahaya

Ini adalah konstan kecepatan rambat gelombang cahaya dalam ruang hampa yang nilainya 3 × 10 8 m / s. Nilai kecepatan cahaya bervariasi ketika merambat dalam media material.

Panjang gelombang

Ukuran jarak antara puncak dan puncak lain atau antara lembah dan lembah lain dari gelombang saat merambat.

Ultraungu

Radiasi elektromagnetik tak terlihat dengan spektrum panjang gelombang kurang dari 400 nm.

Hukum Optik Fisik

Berikut adalah beberapa hukum optik fisis yang menjelaskan fenomena polarisasi dan interferensi:

Hukum Fresnell dan Arago

1. Dua gelombang cahaya dengan polarisasi linier, koheren, dan ortogonal tidak saling berinterferensi membentuk pola interferensi.

2. Dua gelombang cahaya dengan polarisasi linier, koheren, dan paralel dapat berinterferensi di suatu wilayah ruang.

3. Dua gelombang cahaya alami dengan polarisasi linier, tidak koheren dan ortogonal tidak saling berinterferensi membentuk pola interferensi.

Hukum Malus

Hukum Malus menyatakan bahwa intensitas cahaya yang ditransmisikan oleh polarizer berbanding lurus dengan kuadrat kosinus sudut yang membentuk sumbu transmisi polarizer dan sumbu polarisasi cahaya datang. Dengan kata lain:

I = I 0 cos 2 θ

I = intensitas cahaya yang ditransmisikan oleh polarizer

θ = Sudut antara sumbu transmisi dan sumbu polarisasi sinar datang

I 0 = Intensitas cahaya insiden

Hukum Malus [Oleh Fresheneesz (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Malus_law.svg)]

Hukum Brewster

Berkas cahaya yang dipantulkan oleh permukaan terpolarisasi penuh, dalam arah normal terhadap bidang datang cahaya, ketika sudut yang dibentuk oleh sinar pantul dengan sinar bias sama dengan 90 °.

Hukum Brewster [Oleh Pajs (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Brewsters-angle.svg)]

Kegunaan

Beberapa kegunaan optik fisik dalam studi kristal cair, dalam desain sistem optik, dan metrologi optik.

Kristal cair

Kristal cair adalah bahan yang disimpan antara keadaan padat dan keadaan cair , yang molekulnya memiliki momen dipol yang menginduksi polarisasi cahaya yang jatuh pada mereka. Dari sifat ini, layar kalkulator, monitor, laptop, dan ponsel telah dikembangkan.

Liquid Crystal Display (LCD) Jam Digital [Oleh BBCLCD (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Casio_LCD_Watch_F-E10.jpg)]

Desain sistem optik

Sistem optik sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari, sains, teknologi, dan perawatan kesehatan. Sistem optik memungkinkan informasi untuk diproses, direkam, dan ditransmisikan dari sumber cahaya seperti matahari , LED, lampu tungsten, atau laser. Contoh sistem optik adalah difraktometer dan interferometer.

Metrologi optik

Ini bertanggung jawab untuk membuat pengukuran relarutan tinggi dari parameter fisik berdasarkan gelombang cahaya. Pengukuran ini dilakukan dengan interferometer dan instrumen bias. Di bidang medis, metrologi digunakan untuk terus memantau tanda-tanda vital pasien.

Penelitian Terbaru di Optik Fisik

Efek Kerker Optomekanis (AV Poshakinskiy1 dan AN Poddubny, 15 Januari 2019)

Poshakinskiy dan Poddubny (1) menunjukkan bahwa partikel nanometrik dengan gerakan getaran dapat mewujudkan efek optik-mekanis yang serupa dengan yang diusulkan oleh Kerker et al (2) pada tahun 1983.

Efek Kerker adalah fenomena optik yang terdiri dari memperoleh arah kuat cahaya yang dihamburkan oleh partikel bola magnetik. Keterarahan ini mengharuskan partikel memiliki respons magnetik dengan intensitas yang sama dengan gaya listrik.

Efek Kerker adalah proposal teoretis yang membutuhkan partikel material dengan ciri-ciri magnetik dan listrik yang saat ini tidak ada di alam.Poshakinskiy dan Poddubny mencapai efek yang sama pada partikel nanometrik, tanpa respons magnetik yang signifikan, yang bergetar di ruang angkasa.

Para penulis menunjukkan bahwa getaran partikel dapat menciptakan polarisasi magnet dan listrik yang mengganggu dengan tepat, karena komponen polaritas magnet dan listrik dengan urutan besarnya yang sama diinduksi dalam partikel ketika hamburan cahaya tidak elastis dipertimbangkan.

Penulis mengusulkan penerapan efek optik-mekanis dalam perangkat optik nanometrik dengan membuatnya bergetar dengan penerapan gelombang akustik.

Komunikasi Optik Extracorporeal (DR Dhatchayeny dan YH Chung, Mei 2019)

Dhatchayeny dan Chung (3) mengusulkan sistem komunikasi optik ekstrakorporeal (OEBC) eksperimental yang dapat mengirimkan informasi tanda vital orang melalui kegunaan pada ponsel dengan teknologi Android. Sistem ini terdiri dari satu set sensor dan dioda konsentrator (LED array).

Sensor ditempatkan di berbagai bagian tubuh untuk mendeteksi, memproses, dan mengomunikasikan tanda-tanda vital seperti denyut nadi, suhu tubuh, dan laju pernapasan. Data dikumpulkan melalui larik LED dan ditransmisikan melalui kamera ponsel dengan kegunaan optik.

Array LED memancarkan cahaya dalam rentang panjang gelombang hamburan Rayleigh Gans Debye (RGB). Setiap warna dan kombinasi warna dari cahaya yang dipancarkan berhubungan dengan tanda-tanda vital.

Sistem yang diusulkan oleh penulis dapat memfasilitasi pemantauan tanda-tanda vital dengan cara yang andal, karena kesalahan dalam hasil eksperimen sangat minim.

Referensi

  1. Efek Kerker Optomekanis. Poshakinskiy, AV dan Poddubny, A N. 1, 2019, Tinjauan Fisik X, Vol. 9, hlm. 2160-3308.
  2. Hamburan elektromagnetik oleh bola magnet. Kerker, M, Wang, DS dan Giles, C L. 6, 1982, Jurnal Masyarakat Optik Amerika, Vol 73.
  3. Komunikasi ekstra-tubuh optik menggunakan kamera smartphone untuk transmisi tanda vital manusia. Dhatchayeny, D dan Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Vol.58.
  4. Al-Azzawi, A. Prinsip dan Praktik Optik Fisik. Boca Raton, FL : CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
  5. Grattan-Guiness, I. Ensiklopedia Pendamping Sejarah dan Filsafat Ilmu Matematika. New York, AS : Routledge, 1994, Vol.II.
  6. Akhmanov, SA dan Nikitin, S Yu. Optik Fisik. New York : Pers Universitas Oxford, 2002.
  7. Lipson, A, Lipson, SG dan Lipson, H. Optik Fisik. Cambridge, Inggris : Cambridge University Press, 2011.
  8. Mickelson, A R. Optik Fisik. New York : Springer Science + Business Media, 1992.
  9. Jenkins, FA dan White, HE. Dasar-dasar Optik. NY : Pendidikan Tinggi McGraw Hill, 2001.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan