Polarisasi Gelombang dan Aktivitas Optik

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: Δn = n_e – n_o di mana  n_o dan n_e 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 n_a, 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 I₀= 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.