FISIKA OPTIK: SEJARAH, ISTILAH UMUM, HUKUM, APLIKASI - FISIK - 2025

The optik fisik adalah bagian dari optik 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

Medan listrik (E) dari gelombang cahaya berperilaku serupa dengan medan magnetnya (B), tetapi medan listrik mendominasi medan magnet karena hubungan Maxwell (1831–1879), yang menetapkan hal berikut:

Dimana c = Kecepatan rambat gelombang.

Optik fisik tidak menjelaskan spektrum penyerapan dan emisi atom. Di sisi lain, optik kuantum membahas studi fenomena fisik ini.

Sejarah

Sejarah fisik optik dimulai dengan eksperimen yang dilakukan oleh Grimaldi (1613-1663), yang mengamati bahwa bayangan yang dilemparkan oleh benda yang diterangi tampak lebih luas dan dikelilingi oleh garis-garis berwarna.

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

Paradigma Newtonian menetapkan bahwa cahaya berperilaku seperti berkas sel-sel kecil yang bergerak dengan kecepatan tinggi dalam jalur bujursangkar.

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

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

Teori gelombang Huygens menjelaskan fenomena refleksi, refraksi, dan difraksi jauh lebih baik daripada teori korpuskuler Newton, dan menunjukkan bahwa kecepatan cahaya berkurang ketika melewati dari media yang kurang padat ke yang lebih padat.

Ide Huygens tidak diterima oleh para ilmuwan pada saat itu karena dua alasan. Yang pertama adalah ketidakmampuan untuk menjelaskan definisi eter dengan memuaskan, dan yang kedua adalah prestise Newton di sekitar teori mekanikanya yang memengaruhi sebagian besar ilmuwan untuk memutuskan untuk mendukung paradigma korpuskuler cahaya.

Kelahiran kembali teori gelombang

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

Pada tahun 1818, Fresnell (1788–1827) menyatakan kembali teori gelombang Huygens dalam hal prinsip interferensi. Ia juga menjelaskan fenomena birefringence cahaya, yang memungkinkannya 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 memverifikasi bahwa cahaya merambat lebih cepat di udara daripada di air, bertentangan dengan penjelasan yang diberikan oleh Newton.

Pada tahun 1872, Maxwell menerbitkan Risalahnya tentang Listrik dan Magnetisme, di mana ia menyatakan persamaan yang mensintesis elektromagnetisme. Dari persamaannya ia memperoleh persamaan gelombang yang memungkinkannya menganalisis perilaku gelombang elektromagnetik.

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

Akhirnya, Hertz (1857–1894) pada tahun 1888 berhasil memproduksi dan mendeteksi gelombang elektromagnetik dan memastikan bahwa cahaya adalah sejenis gelombang elektromagnetik.

Apa yang dipelajari optik fisik?

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

Gangguan

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 cerah dihasilkan ketika beberapa gelombang ditambahkan bersama untuk menghasilkan gelombang amplitudo yang lebih besar. Jenis gangguan ini disebut gangguan konstruktif.

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

Gangguan

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

Difraksi

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

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

Ketika hambatan semakin kecil dan kecil dibandingkan dengan panjang gelombang, fenomena difraksi mendominasi fenomena refleksi dan refraksi dalam menentukan distribusi sinar gelombang cahaya setelah menabrak hambatan. .

Polarisasi

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

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

Ketika vektor medan listrik dari gelombang menggambarkan sebuah lingkaran pada bidang tegak lurus dengan arah yang sama dari perambatan, dengan menjaga besarannya konstan, gelombang tersebut dikatakan terpolarisasi secara sirkuler.

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

Istilah yang Sering di Optik Fisik

Polarisasi

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

Gelombang depan

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

Amplitudo dan fase gelombang

Amplitudo adalah perpanjangan maksimum gelombang. Fase gelombang adalah keadaan getaran pada waktu sekejap. Dua gelombang berada dalam fase ketika mereka memiliki status getaran yang sama.

Sudut Brewster

Ini adalah sudut kemunculan cahaya di mana gelombang cahaya yang dipantulkan dari sumber sepenuhnya terpolarisasi.

Inframerah

Cahaya tidak terlihat oleh mata manusia dalam spektrum radiasi elektromagnetik dari 700 nm hingga 1000 μm.

Kecepatan cahaya

Ini adalah konstanta 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 lainnya atau antara lembah dan lembah gelombang lainnya saat gelombang merambat.

Ultraungu

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

Hukum Optik Fisik

Di bawah ini disebutkan beberapa hukum fisika optik yang menggambarkan fenomena polarisasi dan interferensi

Fresnell dan Arago Laws

1. Dua gelombang cahaya dengan polarisasi linier, koheren dan ortogonal tidak saling mengganggu membentuk pola interferensi.
2. Dua gelombang cahaya dengan polarisasi linier, koheren dan paralel dapat mengganggu suatu wilayah ruang.
3. Dua gelombang cahaya alami dengan polarisasi linier, non-koheren dan ortogonal tidak saling mengganggu membentuk pola interferensi.

Hukum Malus

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

I = intensitas cahaya yang ditransmisikan oleh polarizer

θ = Sudut antara sumbu transmisi dan sumbu polarisasi balok datang

I ₀ = Intensitas cahaya insiden

Hukum Malus

Hukum Brewster

Berkas cahaya yang dipantulkan oleh suatu permukaan sepenuhnya terpolarisasi, dalam arah normal ke bidang datangnya cahaya, ketika sudut antara berkas yang dipantulkan dan berkas yang dibiaskan sama dengan 90 °.

Hukum Brewster

Aplikasi

Beberapa aplikasi 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 cair, yang molekulnya memiliki momen dipol yang menginduksi polarisasi cahaya yang menimpanya. Dari properti ini, layar untuk kalkulator, monitor, laptop, dan ponsel telah dikembangkan.

Jam tangan digital dengan layar kristal cair (LCD)

Desain sistem optik

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

Metrologi optik

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

Penelitian Terbaru di Fisik Optik

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

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

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

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

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

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

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

Dhatchayeny dan Chung (3) mengusulkan sistem komunikasi optik ekstrakorporeal eksperimental (OEBC) yang dapat mengirimkan informasi tanda vital manusia melalui aplikasi pada telepon seluler dengan teknologi Android. Sistem terdiri dari satu set sensor dan hub dioda (larik LED).

Sensor ditempatkan di berbagai bagian tubuh untuk mendeteksi, memproses, dan mengkomunikasikan tanda-tanda vital seperti denyut nadi, suhu tubuh, dan laju pernapasan. Data dikumpulkan melalui array LED dan dikirim melalui kamera ponsel dengan aplikasi optik.

Array LED memancarkan cahaya dalam rentang panjang gelombang hamburan Rayleigh Gans Debye (RGB). Setiap kombinasi warna dan 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 percobaan sangat minim.

Referensi

1. Efek Kerker Optomekanis. Poshakinskiy, AV dan Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol.9, hal. 2160-3308.
2. Hamburan elektromagnetik oleh bidang magnet. Kerker, M, Wang, DS dan Giles, C L. 6, 1982, Jurnal Masyarakat Optik Amerika, Vol.73.
3. Komunikasi optik ekstra-tubuh 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 Praktek Optik Fisik. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guinness, I. Ensiklopedia Rekan Sejarah dan Filsafat Ilmu Matematika. New York, AS: Routledge, 1994, Jilid II.
6. Akhmanov, SA dan Nikitin, S Yu. Optik Fisik. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG dan Lipson, H. Fisik Optik. Cambridge, Inggris: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Fisik Optik. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA dan White, H. Dasar-dasar Optik. NY: Pendidikan Tinggi McGraw Hill, 2001.