Rekayasa Fotonika: Prinsip Penjalaran Cahaya

1. Pinsip Huygens pada Proses Penjalaran Cahaya      

 Prinsip ini analisis gelombang, yang diajukan oleh fisikawan Christiaan Huygens (1629-1695), pada dasarnya menyatakan bahwa:

   “Setiap titik dari gelombang depan dapat dianggap sebagai sumber sekunder wavelet yang tersebar di segala penjuru dengan kecepatan sama dengan kecepatan propagasi gelombang.”

   Prinsip Huygens menerangkan bahwa setiap wave front (muka gelombang) dapat dianggap memproduksi wavelet atau gelombang-gelombang baru dengan panjang gelombang yang sama dengan panjang gelombang sebelumnya. Wavelet bisa diumpamakan gelombang yang ditimbulkan oleh batu yang dijatuhkan ke dalam air.

   Prinsip Huygens bisa dipakai untuk menerangkan terjadinya difraksi cahaya pada celah kecil seperti yang terlihat pada gambar kanan. Pada saat melewati celah kecil, muka gelombang (wave front) akan menimbulkan wavelet-wavelet baru yang jumlahnya tak terhingga sehingga gelombang tidak mengalir lurus saja, tetapi menyebar dan merambat keluar dari celah.

                       

Jadi proses penjalaran cahaya menurut prinsip Huygens disebabkan oleh partikel cahaya yang cenderung menggandakan diri tiap satuan waktu dengan arah lurus sehingga mampu mencapai jarak tertentu.

B.     Prinsip Fermat pada Proses Penjalaran Cahaya

Pernyataan asli prinsip Fermat adalah:

 "Sebenarnya jalan antara dua titik yang diambil oleh seberkas cahaya adalah salah satu yang dilalui dalam waktu minimal." 

 Hukum snell dan hukum refleksi mengikuti langsung dari pernyataan ini: "Mungkin diformulasikan sedikit dalam hal panjang jalur optik sebagai cahaya, untuk pergi antara dua titik, melintasi rute yang memiliki panjang lintasan optik terkecil."

  

Bentuk modern-nya adalah "Sebuah sinar terang, untuk pergi antara dua titik, harus menempuh jalan panjang sebagai optik yang stasioner sehubungan dengan variasi jalan."

                 

Hukum refleksi memberikan gambar yang akrab tercermin dalam pesawat gambar cermin, di mana jauh di belakang cermin sama dengan jarak benda di depan cermin.

3. Hukum Snellius pada Pemantulan dan Pembiasan

Hukum Snellius adalah rumus matematika yang memerikan hubungan antara sudut datang dan sudut bias pada cahaya atau gelombang lainnya yang melalui batas antara dua medium isotropik berbeda, seperti udara dan gelas.

Hukum ini menyebutkan bahwa sinus sudut datang dan sudut bias adalah konstan, yang tergantung pada medium. Perumusan lain yang ekivalen adalah sudut datang dan sudut bias sama dengan kecepatan gelombang pada kedua media, yang sama dengan kebalikan  indeks bias.

Perumusan matematis hukum Snellius adalah

                                    

                                                                                               

                                                                                   

Lambang θ₁,θ₂ merujuk pada sudut datang dan sudut bias, v₁ dan v₂ pada kecepatan gelombang sinar datang dan sinar bias. Lambang n₁ merujuk pada indeks bias medium yang dilalui sinar datang, sedangkan n₂ adalah indeks bias medium yang dilalui sinar bias.

1.      Pada Proses Pembiasan

Jika n₂ > n₁ maka n₂/ n₁ > 1 dan kita dapatkan sin Φ1 > sin Φ2 atau Φ1 > Φ2.

n₁ = indeks bias air                              Φ1 = sudut datang

n₂  = indeks bias kaca                          Φ2 = sudut bias

                                                          

Jika n₂ < n₁ maka n₂/ n₁ < 1 dan kita dapatkan sin Φ1 < sin Φ2 atau Φ1 < Φ2.

n₁ = indeks bias air                              Φ1 = sudut datang

n₂  = indeks bias kaca                          Φ2 = sudut bias

Dapat disimpulkan bahwa :  

“jika sinar dating dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat, sinar akan dibelokkan mendekati garis normal. Jika sinar dating dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat, sinar akan dibelokkan menjauhi garis normal.”     (Dengan catatan sudut datang harus kurang dari sudut kritis)

                          

2. Pada Proses Pemantulan

 Perhatikan sumber cahaya O di dasar danau. Telah diketahui sinar datang dari medium lebih rapat (air) ke medium kurang rapat (udara) akan dibiaskan menjauhi garis normal. Sinar B jdengan sudut datang I memiliki sinar bias B’ dengan sudut bias r , dan selalu berlaku r > i . tentu saja sinar B juga mengalami pemantulan dalam air dan bagian sinar pantul adalah B” . sinar c dengan sudut datang i’ > i dibiaskan sejajar dengan permukaan air. Ini berarti sudut datang i’ (disebut sudut kritis) menghasilkan sudut bias sama dengan 90°.

Sudut kritis antara dua medium adalah sudut datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat, yang menghasilkan sudut bias 90°.

Jika sinar D dengan sudut datang lebih besar dari sudut kritis maka sinar akan dipantulkan.

Untuk memperoleh sudut kritis:      n₁ sin Φ1 =  n₂ sin Φ2

                                                                         n₁ sin i’ =  n₂ sin 90°.

                                                                            n₁ sin i’ =  n₂  x 1

                                                                        sin i’ =  n₂ /  n₁ 

D.    Prinsip Malus

"Ketika dua polarizer memiliki sumbu transmisi dengan membentuk sudut teta, maka intensitas cahaya yang ditransmisikan olehpolarizer kedua akan berkurang dengan factor cos kuadrat teta."