Cabang-Cabang Ilmu Optik

Meskipun kebanyakan orang mengaitkan kata “optik” dengan lensa, kacamata, teleskop, dan mikroskop, istilah ini dalam fisika lebih luas merujuk pada studi perilaku cahaya dan interaksinya dengan materi. Namun, hubungan kata optik ke kacamata dan sejenisnya tidaklah kebetulan, penemuan alat optik memang mampu mendorong para ilmuwan untuk mempelajari lebih jauh perilaku cahaya yang melewati peralatan optik tersebut.

Saat ini, kita dapat mengelompokkan ilmu optik ke dalam tiga subbidang:

Optika geometri, yakni ilmu tentang cahaya sebagai sinar (berkas berupa garis),
Optika fisis, yakni ilmu tentang cahaya sebagai gelombang, dan
Optika kuantum, ilmu tentang cahaya sebagai partikel.

Mari kita bahas satu per satu subbidang ini secara berurutan, baik secara historis maupun ilmiah.

Optika Geometri

Pengamatan sehari-hari menunjukkan bahwa sebagian besar cahaya bergerak dalam garis lurus. Ketika sinar matahari melalui celah awan atau melalui celah dedaunan gelap, kita melihat “garis” atau “aliran” cahaya terus menerus muncul dari celah tersebut. Jika kita membuat celah semakin kecil, aliran akan semakin sempit, tetapi sinar tersebut tetap menjadi aliran cahaya. Peneliti optik terdahulu menggunakan ilmu geometri untuk memodelkan gambaran cahaya ini. Cahaya dipostulatkan bergerak sepanjang garis lurus di ruang hampa, tetapi dapat berubah arah atau bahkan melengkung ketika berhadapan dengan materi.

Terdapat dua hukum yang menentukan apa yang terjadi ketika cahaya jatuh ke permukaan material, yakni hukum pemantulan dan pembiasan. Hukum pemantulan pertama kali dinyatakan oleh Euclid (sekitar 300 SM). Hukum ini menyatakan bahwa ketika cahaya bertemu dengan permukaan datar, sudut datangnya sama dengan sudut pantul. Sementara itu, hukum pembiasan secara eksperimen ditemukan oleh Willebrord Snell (pada 1621). Hukum ini menjelaskan cara berkas cahaya berubah arah ketika melewati batas dari satu material ke material lain. Salah satu konsekuensi dari “pembengkokan” cahaya ini dapat dilihat dari sebatang pensil yang setengah terendam dalam segelas air. Pensil tersebut akan tampak seperti bengkok.

Berdasarkan hukum pemantulan dan pembiasan, kita dapat menentukan perilaku dari perangkat optik seperti teleskop dan mikroskop. Kita dapat melacak jalur sinar yang berbeda, dikenal sebagai ‘ray tracing’, melalui sistem optik dan melihat bagaimana gambar dapat dibentuk (orientasi dan pembesaran gambar yang terbentuk). Faktanya, sifat ini menjadi aplikasi paling penting dari optika geometri sampai hari ini, bahwa perilaku sistem optik yang rumit dapat ditentukan dengan mempelajari jalur sinar yang melalui sistem tersebut.

Contoh penjalaran sinar pada lensa kaca bening ditunjukkan pada gambar. Kumpulan sinar yang masuk dari kiri dibiaskan dua kali oleh lensa, sekali saat masuk dan sekali saat keluar. Hasil totalnya adalah akumulasi dari semua sinar pada titik fokus di sebelah kanan.

Pada prinsipnya, terdapat banyak sinar paralel pada gambar. Kita menggambarkan beberapa sinar di antaranya hanya untuk memperjelas. Kecerahan cahaya pada titik tertentu di ruang sebanding dengan kerapatan sinar pada titik tersebut. Oleh karena itu, lensa menghasilkan titik terang pada titik fokus.

Optika Fisis

Jika kita kembali gambar pemfokusan pada lensa, tampak ada satu masalah, yakni pada titik fokus semua sinar berpotongan. Oleh karena itu, kerapatan sinar pada titik ini menjadi tak terhingga berdasarkan optika geometri. Jelas hal ini tidak mungkin benar. Jika kita meletakkan layar hitam di bidang titik fokus dan melihat dengan cermat pada struktur titik fokus yang diproyeksikan pada bidang, secara eksperimen kita akan melihat gambar di bawah.

Ada titik terang pusat yang sangat kecil, tetapi ada juga cincin yang lebih redup (diperbesar dalam gambar ini) yang mengelilingi titik pusat. Cincin-cincin ini tidak dapat dijelaskan menggunakan optika geometri, melainkan hasil dari sifat cahaya sebagai gelombang.

Meskipun orang telah lama menyatakan bahwa cahaya memiliki sifat gelombang, bukti langsung sangat kurang hingga awal 1800-an (perhatikan ukuran titik fokus pada gambar cincin tadi, cincin cukup sulit untuk dilihat dengan mata telanjang). Sejumlah ilmuwan memberikan kerangka teoretis dan eksperimental untuk menunjukkan bahwa cahaya memiliki sifat gelombang, yang terkenal di antaranya adalah Thomas Young, Josef Fraunhofer, dan Augustin Fresnel. Dari karya-karya merekalah bidang optika fisis ini lahir.

Optika fisis adalah ilmu tentang sifat-sifat gelombang cahaya yang dapat dikelompokkan menjadi tiga kategori: interferensi, difraksi, dan polarisasi. Interferensi adalah kemampuan gelombang untuk “bercampur” (interfere) dengan dirinya sendiri. Interferensi cahaya menciptakan daerah terlokalisasi yang padanya terdapat daerah sangat terang dan sangat gelap secara bergantian. Difraksi adalah kemampuan gelombang untuk “membengkok” (bend) di sekitar sudut dan menyebar (disperse) setelah melewati celah. Polarisasi mengacu pada sifat cahaya yang berkaitan dengan arah geraknya (transverse).

Sifat gelombang suara dapat dengan mudah ditentukan oleh siapa pun, bahkan tanpa peralatan ilmiah khusus. Misalkan jika Anda dan teman Anda berdiri di sisi berlawanan dari sebuah bangunan. Meskipun tidak secara langsung, teriakan teman Anda masih akan terdengar oleh Anda. Sebagian gelombang suara teman Anda melewati celah-celah bangunan sehingga Anda dapat mendengarnya. Fenomena ini dapat dianggap sebagai salah satu contoh difraksi.

Sifat gelombang cahaya tidak semudah kelihatannya. Panjang gelombang dapat dianggap sebagai jarak untuk efek gelombang biasanya terlihat. Untuk suara yang dapat didengar, panjang gelombang berkisar dari beberapa millimeter hingga 20 meter, sedangkan untuk cahaya tampak panjang gelombangnya sekitar 0,0000005 meter, jauh lebih kecil daripada yang bisa diamati dengan mata manusia.

Optika Kuantum

Kita kembali pada titik fokus yang diilustrasikan sebelumnya. Sekarang kita bayangkan sumber cahaya yang menghasilkan titik fokus sangat tepat berada pada sakelar. Apa yang terjadi ketika kita perlahan-lahan mematikan sakelar ke posisi off?

Optika fisis memprediksi bentuk titik fokus akan tetap tidak berubah dan hanya sedikit redup. Namun, ketika sakelar diputar ke bawah ambang kritis, sesuatu yang berbeda dan agak tidak terduga terjadi: kita mendeteksi cahaya dalam energi yang sedikit “dihamburkan” dan kita tidak melihat pola cincin sama sekali. Beberapa hamburan cahaya ini diilustrasikan pada bagian (a) gambar berikut. Jika kita terus-menerus menghitung jumlah hamburan di setiap lokasi, kita dapat secara perlahan membuat gambaran rata-rata ada di mana energi cahaya ditempatkan, seperti diilustrasikan pada bagian (b) dan (c).

Hebatnya, kita dapat menemukan bahwa distribusi spasial rata-rata hasil hamburan cahaya tepat pada pola cincin yang diprediksi oleh teori gelombang cahaya! Hamburan energi sekarang dikenal sebagai partikel cahaya, yang disebut foton.

Penelitian dari perilaku partikel cahaya ini mengalami kemajuan melalui sejemlah penemuan pada akhir 1800-an dan awal 1900-an. Puncaknya pada penjelasan Einstein tentang efek fotolistrik pada 1905 menggunakan konsep foton. Efek fotolistrik adalah fenomena di mana elektron dapat dikeluarkan dari permukaan logam dengan menyinari seberkas cahaya pada permukaan logam tersebut. Efeknya memiliki sejumlah fitur aneh yang ditunjukkan oleh Einstein yang dapat dengan mudah dijelaskan dengan mempertimbangkan cahaya sebagai aliran partikel.

Pada kenyataannya, sifat cahaya seperti gelombang dan partikel bergantung pada keadaan pengukuran. Inilah yang dikenal sebagai dualisme gelombang-partikel, dan merupakan salah satu landasan fisika modern. Hal ini dijelaskan melalui perkembangan hamburan cahaya yang disebutkan di atas: partikel individu (foton) akhirnya membangun pola seperti gelombang. Setiap partikel cahaya membawa informasi gelombang yang diperlukan untuk membangun pola difraksi. Bidang optika kuantum melibatkan ilmu tentang sifat partikel (kuantum) dari cahaya.

Penutup

Tiga cabang ilmu optik melibatkan studi cahaya pada skala pengukuran yang semakin kecil dan semakin halus. Ketiga cabang tersebut masih aktif diteliti hingga saat ini. Pada umumnya, optika geometri digunakan dalam desain sistem optik yang rumit, dan para peneliti sedang mempelajari cara ‘meningkatkan’ model geometris untuk memberikan hasil gambar yang baik melalui teori gelombang cahaya. Optika fisis terletak pada batas antara sains murni dan teknik karena konsekuensi hukum fisika dari sifat gelombang cahaya masih terbuka dan perangkat optik sedang dibangun dengan memanfaatkan sifat gelombang tersebut. Optika kuantum digunakan sebagai alat untuk memahami teori mekanika kuantum meskipun sejumlah aplikasi yang sangat spekulatif, seperti komputasi kuantum dan kriptografi kuantum, juga sedang dieksplorasi.

Bahan bacaan:

Penulis:
Edi Suprayoga, Peneliti di Pusat Penelitian Fisika LIPI.
Kontak: suprayoga.edi(at)gmail.com

Cabang-Cabang Ilmu Optik