Difraksi Cahaya

Suatu sifat gelombang yang menarik adalah bahwa gelombang dapat dibelokkan oleh rintangan. Secara makroskopis, difraksi dikenal sebagai gejala penyebaran arah yang dialami seberkas gelombang ketika menjalar melalui suatu celah sempit atau tepi tajam sebuah benda. Gejala ini juga dianggap sebagai salah satu ciri khas gelombang yang tidak memiliki partikel, karena sebuah partikel yang bergerak bebas melalui suatu celah tidak akan mengalami perubahan arah.

Ditinjau secara makroskopis, gelombang elektromagnet yang tiba pada permukaan sebuah layar (screen) akan menggetarkan elektron bagian luar dari atom-atom layar itu. Diumpamakan cahaya yang ditinjau bersifat monokromatis yang berarti bahwa medan listriknya berosilasi dengan frekuensi tertentu. Maka setelah tercapai keadaan stasioner dalam waktu singkat, elektron-elektron tersebut akan berosilasi dengan frekuensi tertentu dan dengan frekuensi yang sama. Antara gelombang datang dan semua gelombang radiasi elektron akan terjadi proses interferensi yang mantap.

Kisi difraksi merupakan suatu piranti untuk menganalisis sumber cahaya. Alat ini terdiri dari sejumlah besar slit-slit paralel yang berjarak sama. Suatu kisi dapat dibuat dengan cara memotong garis-garis paralel di atas permukaan plat gelas dengan mesin terukur berpresisi tinggi. celah di antara goresan-goresan adalah transparan terhadap cahaya dan arena itu bertindak sebagai celah – celah yang terpisah. Sebuah kisi dapat mempunyai ribuan garis per sentimeter. Dari data banyaknya garis per sentimeter kita dapat menentukan jarak antar celah atau yang disebut dengan tetapan kisi (d) , jika terdapat N garis per satuan panjang, maka tetapan kisi d adalah kebalikan dari N , yaitu:

d =1/N ……………………..(1)

Difraksi adalah penyebaran gelombang, contohnya cahaya, karena adanya halangan. Semakin kecil halangan, penyebaran gelombang semakin besar. Hal ini bisa diterangkan oleh prinsip Huygens, tiap bagian celah berlaku sebagai sebuah sumber gelombang, dengan demikian, cahaya dari satu bagian celah dapat berinterferensi dengan cahaya dari bagian yang lain dan intensitas resultannya pada layar bergantung pada arah θ yang dirumuskan sebagai berikut:

I = Io sin [β/ β]2 ………………(2)

dengan Io adalah intensitas cahaya awal dan β beda fase yang besarnya adalah β= (πd/λ) sin θ. Agar mendapatkan pola interferensi cahaya pada layar maka harus digunakan dua sumber cahaya yang koheren (cahaya dengan beda fase tetap). Percobaan Young menggunakan satu sumber cahaya tetapi dipisahkan menjadi dua bagian yang koheren, sedangkan percobaan Fresnel menggunakan dua sumber koheren, sehingga pada layar terjadi pola-pola terang (interferensi konstruktif = maksimum) dan gelap (interferensi destruktif = minimum).

 

Gambar 1 Peristiwa Difraksi

Pembelokan gelombang yang disebabkan oleh adanya penghalang berupa celah disebut difraksi gelombang. Sama halnya dengan gelombang, cahaya yang dilewatkan pada sebuah celah sempit juga akan mengalami lenturan. Difraksi cahaya terjadi juga pada celah sempit yang terpisah sejajar satu sama lain pada jarak yang sama. Celah sempit yang demikian disebut kisi difraksi. Semakin banyak celah pada sebuah kisi, semakin tajam pola difraksi yang dihasilkan pada layar. 

Jika berkas cahaya monokhromatis dijatuhkan pada sebuah kisi, sebagian akan diteruskan sedangkan sebagian lagi akan dibelokkan. Akibat pelenturan tersebut, apabila kita melihat suatu sumber cahaya monokhromatis dengan perantaraan sebuah kisi, akan tampak suatu pola difraksi berupa pita-pita terang. Intensitas pita-pita terang mencapai maksimun pada pita pusat dan pita-pita lainnya yang terletak di kiri dan kanan pita pusat. Intensitas pita berkurang untuk warna yang sama bila pitanya jauh dari pita pusat. Pita-pita terang terjadi bila selisih lintasan dari cahaya yang keluar dari dua celah kisi yang berurutan memenuhi persamaan :

m λ= d sin θ atau d  = m λ ………..(3)

dimana = orde pola difraksi (0,1,2,.........)

d = jarak antara dua garis kisi ( konstanta kisi)

λ = panjang gelombang cahaya yang digunakan

θ = sudut lenturan (difraksi)

Y= jarak terang pusat dengan orde ke-n

L= jaral layar ke kisi difraksi

Jika cahaya yang digunakan berupa cahaya polikhromatis, kita akan melihat suatu spectrum warna. Spektrum yan paling jelas terlihat adalah spektrum dari orde pertama (m=1).

Sejumlah besar celah paralel yang berjarak sama disebut kisi difraksi. Walaupun istilah “kisi interferensi” mungkin lebih sesuai. Kisi dapat dibuat dengan mesin presisi berupa garis-garis paralel yang sangat halus  dan teliti diatas pelat  kaca. Jarak yang tidak tergores diantara garis-garis tersebut berfungsi sebagai celah. Celah diantara gores-goresan adalah transparan terhadap cahaya dan karena itu bertindak sebagai celah-celah yang terpisah (Giancoli:2001). Sebuah kisi dapat memiliki ribuan garis goresan percentimeter. Dari data banyak garis per sentimeter (satuan panjang), kita dapat menetukan jarak antar celah  atau disebut tetapan kisi, d. Jika terdapat N garis persatuan panjang, maka tetapan kisi, d, adalah kebalikan dari N.  (Kanginan:2006)

Analisis kisi difraksi sangat mirip dengan eksperimen celah ganda Young. Kita anggap berkas-berkas cahaya pararel jatuh pada kisi. Kita juga menganggap bahwa celah-celah tersebut cukup sempit sehingga difraksi oleh masing-masingnya menyebarkan cahaya dengan sudut yang sangat besar pada layar yang jauh di belakang kisi, dan inteferensi dapat terjadi dengan cahaya dari semua celah yang lain. Berkas cahaya yang melalui setiap celah tanpa pembelokkan (θ =0 derajat) berinteferensi konstruktif untuk menghasilkan garis terang di tengah layar. Inteferensi konstruktif juga dapat terjadi pada sudut θ sedemikian rupa sehingga berkas dari celah yang bersisian menempun jarak ekstra sejauh selisih l=perkallian orde dengan panjang gelombangnya, di mana m marupakan bilangan bulat. Dengan demikian, jika d adalah jarak antara celah, maka selisih l adalah perkalian jarak lebar antar celah dengan sin θ, dan

Sin θ= mD/λ ……..…………………………..…..(4)

adalah kriteria untuk mendapatkan maksimum terang dimana m=0,1,2, dan seterusnya. Persamaan ini sama dengan situasi persamaan ganda, dan kembali m disebut orde dari pola tersebut.