Pemantulan, pembiasan, difraksi, dan interferensi dapat terjadi pada
gelombang tali (satu dimensi), gelombang permukaan air (dua dimensi),
gelombang bunyi dan gelombang cahaya (tiga dimensi). Gelombang tali,
gelombang permukaan air, dan gelombang cahaya adalah gelombang
transversal, sedangkan gelombang bunyi adalah gelombang longitudinal.
Ada satu sifat gelombang yang hanya dapat terjadi pada gelombang
transversal, yaitu
polarisasi. Jadi, polarisasi gelombang
tidak dapat terjadi pada gelombang longitudinal, misalnya pada gelombang bunyi.
Fenomena polarisasi cahaya ditemukan oleh Erasmus Bhartolinus pada
tahun 1969. Dalam fenomena polarisasi cahaya, cahaya alami yang
getarannya ke segala arah tetapi tegak lurus terhadap arah merambatnya
(gelombang transversal) ketika melewati filter polarisasi, getaran
horizontal diserap sedang getaran vertikal diserap sebagian. Cahaya
alami yang getarannya ke segala arah di sebut
cahaya tak terpolarisasi, sedang cahaya yang melewati polaroid hanya memiliki getaran pada satu arah saja, yaitu arah vertikal, disebut
cahaya terpolarisasi linear.
Ide polarisasi gelombang dengan mudah dapat kita pahami dengan
memperhatikan secara seksama suatu gelombang transversal pada tali
ketika melewati sebuah celah. Dari penjelasan sebelumnya dapat kita
nyatakan bahwa suatu gelombang terpolarisasi linear bila getaran dari
gelombang tersebut selalu terjadi dalam satu arah saja. Arah ini disebut
arah polarisasi. Untuk mengamati polarisasi ini,
marilah kita ikat seutas tali pada titik O di dinding, kemudian masukkan
ujung tali lain, yaitu ujung A ke sebuah celah. Pasang celah dalam
posisi vertikal, kemudian getarkan ujung tali di A sehingga gelombang
transversal yang merambat dari A dapat menembus celah, dan sampai di
titik O. Ubahlah posisi celah menjadi horisontal, kemudian getarkan
kembali ujung tali A secara vertikal. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa
gelombang vertikal tidak dapat menembus celah (tampak tidak ada
gelombang diantara celah dan titik O). Jika kemudian tali di titik A
digetarkan berputar, artinya digetarkan ke segala arah dan celah
dipasang vertikal, apa yang terjadi? Ternyata, gelombang dapat menembus
celah dengan arah getaran gelombang yang sama dengan arah posisi celah,
yaitu arah vertikal.
Peristiwa tersebut menunjukkan terjadinya polarisasi pada gelombang
tali yang melewati sebuah celah sempit, dengan arah polarisasi gelombang
sesuai arah celahnya. Polarisasi dapat diartikan sebagai penyearah
gerak getaran gelombang. Jika gelombang bergetar ke segala arah, seperti
pada gambar 1.26 setelah melewati sebuah celah, arah getaran gelombang
menjadi satu arah getar saja, yang disebut dengan gelombang
terpolarisasi linear.
Jadi, hanya gelombang-gelombang yang memiliki arah getaran tegak
lurus dengan arah rambatannya saja yang disebut sebagai gelombang
transversal, yang dapat mengalami polarisasi. Oleh karena cahaya atau
gelombang elektromagnet termasuk gelombang transversal, cahaya dapat
mengalami polarisasi.
Peristiwa terjadinya polarisasi cahaya dapat disebabkan oleh beberapa hal diantaranya karena penyerapan selektif, pemantulan (
refleksi), pembiasan ganda (
birefrigence), dan hamburan.
1. Polarisasi karena Penyerapan Selektif
Teknik yang umum untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi adalah menggunakan
polaroid
yang akan meneruskan gelombang – gelombang yang arah getarnya sejajar
dengan sumbu transmisi dan menyerap semua gelombang pada arah getar
lainnya. Pada gambar 4 tampak dua buah polaroid, polaroid pertama
disebut polarisator dan polaroid kedua disebut analisator.
Polarisator berfungsi untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi dari cahaya tak terpolarisasi (cahaya alami).
Analisator berfungsi untuk mengurangi intensitas cahaya cahaya terpolarisasi.
Prinsip kerja sistem adalah sebagai berikut, seberkas cahaya alami
menuju polarisator. Di sini cahaya dipolarisasi secara vertikal, yaitu
hanya komponen vektor medan listrik E yang sejajar dengan sumbu
transmisi saja yang diteruskan sedangkan lainnya diserap. Cahaya
terpolarisasi yang masih mempunyai kuat medan listrik belum berubah
menuju analisator (sudut antara sumbu transmisi analisator dan
polarisator adalah θ). Di analisator, semua komponen E yang sejajar
sumbu analisator yang diteruskan. Jadi, kuat medan listrik yang
diteruskan oleh analisator adalah
E2 = E cos θ ……………………………(1)
Jika cahaya alami tak terpolarisasi yang jatuh pada polaroid pertama
(polarisator) memiliki intensitas Io, maka cahaya terpolarisasi yang
melewati polarisator,
I1 adalah
I1= 1/2 I0 ……………………………(2)
Cahaya dengan intensitas
I1 ini kemudian datang pada analisator dan cahaya yang keluar dari analisator akan memiliki intensitas
I2 . menurut hukum Maulus, hubungan antara
I2 dan
I1 dapat dinyatakan
I2 = I1 cos2 θ = ½ I0 cos2 θ …………………(3)
Persamaan 3 menunjukkan bahwa analisator berfungsi untuk mengurangi intensitas cahaya terpolarisasi.
Intensitas cahaya yang diteruskan oleh sistem Polaroid mencapai maksimum jika kedua sumbu polarisasi adalah sejajar (
θ = 0
o atau 180
o) dan mencapai minimum jika kedua sumbu polarisasi saling tegak lurus atau 90
o
Polarisasi oleh kristal dikroik Kristal dikroik
adalah kristal yang dapat menyerap secara selektif salah satu komponen
yang saling tegak lurus dari cahaya alam (tak terpolarisasi). Kristal
ini mempunyai sumbu yang jika medan listrik cahaya terpolarisasi linear
sejajar dengan sumbu ini datang pada kristal, maka cahaya akan ditruskan
dengan redaman yang sangat kecil.
2. Birefrigence (Refraksi Ganda)
Efek polarisasi ganda/kembar/rangkap yang terjadi ketika cahaya/sinar
dilewatkan melalui kristal Iceland spar (yang sekarang kita kenal
sebagai kristal kalsit) pertama kali ditemukan oleh Bartholinus pada
tahun1669. Lalu, kemudian pada tahun 1690, ChristianHuygens menemukan
fenomena polarisasi cahaya dengan melewatkan cahaya melalui dua buah
kristal kalsit yang disusun secara seri. Huygens mendapatkan bahwa jika
sebuah sinar masuk ke dalam kristal kalsit dalam berbagai sudut masuk,
maka sinar itu akan terpecah menjadi dua buah sinar yang keluar dari
kristal kalsit, yakni sinar biasa (sinar o) dan sinar luar biasa (sinar
e). Pembelokan rangkap/ganda/rangkap dari sebuah sinar yang
ditransmisikan melalui kalsit dinamakan refraksi ganda/kembar. Jadi,
jika cahaya melalui kaca, maka cahaya lewat dengan kelajuan sama ke
segala arah. Ini disebabkan kaca mempunyai satu indeks bias. Tetapi
dalam bahan kristal tertentu seperti kalsit dan kuarsa. Kelajuan cahaya
tidak sama untuk ke segala arah. Ini disebabkan kristal mempunyai lebih
dari satu nilai indeks bias. Jadi cahaya yang lewat mengalami pembiasan
ganda. Jika seberkas sinar datang searah garis normal, maka sinar ini
akan dibagi menjadi dua sinar. Sinar pertama diteruskan tanpa pembelokan
disebut sebagai sinar biasa. Sinar kedua dibelokkan, dan disebut
sebagai sinar istimewa. Peristiwa ini disebut sebagai polarisasi dengan
pembiasan ganda. Jadi polarisasi pembiasan ganda terjadi pada kristal
yang memiliki lebih dari satu nilai indeks bias. Jika seberkas sinar
datang searah dengan sumbu normal, maka akan dibagi menjadi dua, yaitu
sinar biasa dan sinar istimewa.
Refraksi ganda atau
birefringence atau
double refraction adalah dekomposisi sinar cahaya menjadi dua sinar cahaya yang disebut ordinary ray dan extraordinary ray.
Refraksi ganda terjadi pada saat gelombang cahaya melalui medium
material anisotropik seperti kristal kalsit atau Boron nitrat. Jika
material tersebut mempunyai sumbu optis atau sumbu anisotropik tunggal,
maka pembiasan yang terjadi disebut uniaxial birefringence dengan 2 buah
indeks bias material anisotropik, masing-masing untuk 2 buah arah
polarisasi dengan intensitas menurut persamaan: Δ
n = ne – no di mana
no dan
ne
adalah indeks bias untuk polarisasi tegak lurus ordinary ray dan
polarisasi paralel extraordinary ray terhadap sumbu anisotropik.
Refraksi ganda juga dapat terjadi dengan sumbu anisotropik ganda yang
disebut biaxial birefringence atau trirefringence, seperti yang terjadi
pada pembiasan sinar cahaya pada material anisotropik layaknya kristal
atau berlian. Untuk material semacam ini, tensor indeks bias n, secara
umum memiliki tiga eigenvalues yang berbeda, yaitu
na, nß and
n?.
3. Hamburan (Scattering)
Hamburan cahaya oleh partikel kecil bahan adalah salah satu fenomena
alam yang indah. Langit biru dan merahnya sunset adalah peristiwa
hamburan. Seperti sinar matahari melewati atmosfer, sebagian besar
diserap oleh molekul udara dan dengan seketika diberikan pada beberapa
arah yang baru. Fenomena hamburan sama dengan perilaku gelombang air
pada benda yang mengapung. Ketika sebuah batu kecil tenggelam dalam air
yang sama, sebuah gabus kecil yang mengapung akan bergerak naik turun
dengan frekuensi dari gelombang yang melewatinya. Gelombang cahaya
divisualisasikan bergerak dalam cara yang sama pada molekul udara.
Pertama sebuah gelombang cahaya mengatur sebuah molekul atau partikel ke
dalam sebuah getaran, gelombang dapat dipancarkan lagi pada arah yang
acak. Pada gambar terlihat bahwa cahaya dihamburkan dalam berbagai arah.
Telah lama diketahui bahwa gelombang cahaya pendek dihamburkan lebih
daripada gelombang cahaya yang lebih panjang. Secara spesifik, hamburan
ditemukan dalam percobaan menjadi proporsional dengan pangkat empat dari
frekuensi atau atau berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang
gelombang.
Scattering ∞v2 Scattering ∞ 1/
λ4
Ini biasanya menunjukkan hukum pangkat empat atau kebalikan hukum
pangkat empat. Sesuai dengan hubungan itu, cahaya ungu pada panjang
gelombang pendek dari spektrum dihamburkan 10 kali sebanyak cahaya merah
pada panjang gelombang panjang. Cahaya ungu dan biru dihamburkan paling
banyak, kemudian diikuti hijau, kuning, jingga, dan merah. Untuk setiap
gelombang merah (λ=700 nm) yang dihamburkan oleh sinar matahari, ada 10
gelombang ungu (λ=400 nm).
Merah
|
Jingga
|
Kuning
|
Hijau
|
Biru
|
Ungu
|
1
|
2
|
2,5
|
3
|
6
|
10
|
4. Polarisasi oleh kristal diploid
Kristal diploid adalah Kristal yang dapat menyerap secara
selektif salah satu komponen yang tegak lurus dari cahaya alam
(takterpolarisasi). Kristal ini mempunyai sumbu yang jika medan listrik
cahaya terpolarisasi linier sejajar dengan sumbu ini dating pada
Kristal, maka cahaya akan diteruskan dengan redaman yang sangat kecil.
Sumbu ini disebut sumbu mudah atau sumbu polarisasi.
Biasanya dipasang dua buah Kristal diploid sebagai polarisator dan
yang lain sebagai analisator. Jika sumbu mudah kedua Kristal saling
tegak lurus, maka tidak ada cahaya yang sampai dapat menembus analisator
(medan listrik terserap sempurna). Jika sumbu mudah analisator
membentuk sudut terhadap sumbu mudah polarisator, maka cahaya akan dapat
sampai pada pengamat dengan intensitas sebesar:
I1= I0 cos2 θ
Dengan:
I1= Intensitas cahaya setelah melewati analisator I
0= Intensitas cahaya sebelum melewati analisator
θ = Sudut yang dibentuk antara sumbu mudah polarisator dan analisator
5. Aktivitas Optik
Bila seberkas cahaya terpolarisasi diteruskan melalui jenis kristal
tertentu dan cairan tertentu, maka arah getar cahaya terpolarisasi yang
keluar tidak akan sama dengan arah awalnya. Fenomena inilah yang disebut
pemutaran bidang getar/polarisasi. Sedangkan zat yang memperlihatkan
efek ini disebut zat optik aktif .
Ada dua macam fenomena pemutaran zat optik aktif, yaitu efek yang
memutar bidang polarisasi kekanan, dilihat secara horisontal berkas yang
bergerak maju, efek ini disebut pemutar kanan (dextrorotatory) dengan
simbol d, dan yang memutar bidang polarisasi kekiri disebut pemutar kiri
(levorotatory) dengan simbol l.
Aktivitas optik bisa terjadi karena ketidaksimetrisan molekul zat, atau
karena sifat kristal secara keseluruhan. Larutan gula merupakan pemutar
kanan (dextrorotatory), aktivitas optisnya merupakan pengaruh dari sifat
molekul gulanya, atau pada kristal kuarsa optis yang aktivitas optisnya
berhubungan dengan susunan kristalnya. Aktivitas optis kristal kuarsa
ini akan hilang jika kuarsa yag berrsangkutan dilebur atau dibiarkan
membeku.
Molekul gula memiliki bentuk spiral (heliks), dengan arah putar
tertentu. Setiap molekul gula dalam larutan memiliki arah putar yang
sama. Akibatnya suatu larutan yang terdiri dari molekul-molekul gula
yang terletak secara acak mempunyai arah putar yang sama dengan arah
putar pada sebuah molekul gula.
Gula memiliki dua kelompok yang didenotasikan dengan l dan d.
Kelompok ini dipengaruhi oleh Glyceraldihide CH2OHCHOHCHO, isomer dari
glyceraldehide inilah yang memutar bidang cahaya polarisasi. Bentuk
spiral pada molekul gula mengakibatkan larutan gula mempunyai indeks
bias yang berbeda. Hal ini berarti bahwa kedua komponen ini mempunyai
cepat rambat yang berbeda. Sehingga jika suatu cahaya dilewatkan,
setelah menempuh jarak tertentu didalam larutan gula, komponen
polarisasi lingkaran ini akan mempunyai fasa yang berbeda. Karena
perbedaan fase tersebut maka arah getar cahaya bidang berubah.