Gelombang didefinisikan sebagai getaran yang merambat melalui medium, berupa zat padat, cair, dan gas. Gelombang adalah getaran yang merambat. Bentuk ideal dari suatu gelombang akan mengikuti gerak sinusoide yang berbentuk osilasi halus berulang.
Selain radiasi elektromagnetik, gelombang juga terdapat pada medium di mana mereka dapat berjalan dan dapat memindahkan energi dari satu tempat kepada lain tanpa mengakibatkan partikel medium berpindah secara permanen; yaitu tidak ada perpindahan secara masal. Setiap titik khusus berosilasi di sekitar satu posisi tertentu.
Ada dua macam gelombang, yakni gelombang bunyi dan gelombang cahaya. Gelombang bunyi digunakan dalam teknologi Ultrasonografi atau USG, untuk mengetahui keadaan janin dalam kandungan.
Lalu, bagaimana dengan gelombang cahaya? Sebelum pembahasan yang lebih dalam, sebaiknya ketahui dahulu definisi cahaya.
Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik dengan spektrum yang terbatas (spektrum optik atau spektrum tampak), di mana pada spektrum tertentu tersebut gelombang elektromagnetik dapat terlihat yang kemudian kita sebut sebagai cahaya.
Tidak ada batasan yang eksak mengenai spektrum optik tersebut, akan tetapi mata normal manusia dapat menerima/merasakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang antara 400 sampai 700 nm (yang kita sebut sebagai cahaya tampak).
Selain cahaya adalah gelombang, cahaya juga dapat dikatakan terdiri dari partikel yang disebut foton. Arah getar cahaya tegak lurus terhadap arah rambatnya, jadi gelombang cahaya dikategorikan sebagai gelombang transversal.
Ciri Gelombang Cahaya
Gelombang cahaya memiliki empat ciri khusus, yakni:
- Gelombang Cahaya bisa merambat dalam ruang hampa dan tanpa medium apapun, karena merupakan gelombang elektromagnetik.
- Gelombang cahaya merupakan gelombang transversal, yang arah rambatnya tegak lurus dengan arah getarannya.
- Gelombang cahaya dapat dipantulkan jika mengenai sebuah bidang, baik rata ataupun tidak.
- Gelombang cahaya dapat diteruskan melalui medium gas, air, ataupun padat.
Sifat Gelombang Cahaya
Gelombang cahaya memiliki beberapa karakteristik, di antaranya:
Merambat Lurus
Sifat cahaya yang satu ini sepertinya merupakan sifat yang paling umum yang paling mudah temukan. Secara natural atau alamiah cahaya akan memiliki arah rambatan yang lurus, jika ingin membuktikannya, bisa mencoba menyalakan senter, laser atau flashlight di ponsel pintar. Perhatikan sinarnya dapat berubah jika ada gangguan dari faktor eksternal seperti medium rambatan atau dari pergerakan sumber cahaya.
Dapat Dibiaskan (Refraksi)
Refraksi merupakan perubahan arah cahaya datang yang merambat dari medium ke medium yang lain, pembiasan biasanya terjadi karna adanya perbedaan indeks bias, dan besarnya perubahan arah yang dihasilkan tergantung dengan index bias kedua mediumnya. Contoh yag paling sering ditemukan adalah sedotan dalam gelas berisi air yang terlihat sekan-akan patah, hal ini dikarenakan udara dan air memiliki indeks bias yang berbeda.
Dapat Diserap (Absorpsi)
Ketika sebuah bahan atau material transparan yang terkena cahaya, maka sebagian energi dari cahaya tersebut akan terdispasi (berkurang) oleh material atau bahan tersebut menjadi energi panas. Hal ini terjadi secara alami pada mata kita, untuk melihat warna disekitar kita.
Dapat Menembus Benda Bening
Cahaya dapat menembus benda bening, contoh paling umumnya adalah lampu rumah. Cahaya dapat menembus kaca pada bohlam lampu rumah sehingga bisa menerangi satu ruangan rumah .
Dapat diuraikan (Dispersi)
Dispersi merupakan pembiasan cahaya putih (cahaya polikromatik) menjadi komponennya yaitu cahaya monokromatik. Dispersi akan terjadi saat cahaya putih melewati medan pembias.
Kita dapat mengamati sifat cahaya ini dengan menggunakan prisma sebagai medan pembias. Pada prisma, cahaya yang masuk akan mengalami pembiasa dua kali, yakni saat masuk ke prisma dan saat keluar ke prisma.
Pelangi merupakan salah satu contoh dispersi cahaya yang dapat kita amati secara alami. Air hujan membiaskan cahaya matahari sehingga cahaya terdispersi menjadi berbagai cahaya tampak yang kita sebut sebagai pelangi.
Interferensi Cahaya
Interferensi cahaya merupakan penjumlahan superposisi dua gelombang cahaya atau lebih yang dapat menimbulkan terbentuknya gelombang lain.
Interferensi cahaya dibagi dua, yakni interferensi celah ganda dan interferensi pada selaput tipis.
Interferensi memiliki 2 sifat yang bertolak belakang yaitu membangun atau disebut interferensi konstruktif dan merusak atau disebut interferensi destruktif. Akibat dari kedua sifat ini interferensi cahaya memiliki 2 pola yaitu pola terang dan pola gelap.
- Pola Terang dihasilkan karena superposisi yang konstruktif atau saling menguatkan.
- Pola Gelap dihasilkan karena superposisi yang destruktif atau saling melemahkan.
Agar interferensi terjadi diperlukan 2 syarat, yaitu:
- Sumber cahaya harus koheren, yaitu fasenya tetap (satu terhadap yang lain) dan frekuensi yang sama
- Sumber cahaya harus monokromatis, yaitu hanya mempunyai panjang gelombang tunggal
- Interferensi cahaya pada celah ganda
Interferensi cahaya pada celah ganda terjadi karena adanya beda fase cahaya dari cahaya yang melalui kedua celah tersebut. Ketika sebuah sumber cahaya yang sama persis frekeuensi dan panjang gelombangnya melewati dua buah celah, maka akan terjadi superposisi yang menyebabkan munculnya garis-garis gelap dan terang pada layar.
Karena superposisi gelombangnya memiliki sudut interferensi, persamaannya dapat ditulis sebagai:
Perhatikan gambar diatas, jika sudut nya sangat kecil (sin θ ≈tan θ sehingga nilai sin θ sebesar y/l, maka persamaannya menjadi:
Pola terang:
Pola gelap:
Keterangan:
d = jarak antar celah (m)
θ = sudut interferensi
m = orde (0,1,2,…)
λ = panjang gelombang (m)
y = jarak pita orde-m ke terang pusat (m)
l = jarak celah ke layar (m)
- Interferensi pada Selaput Tipis
Sesuai dengan namanya, interferensi ini terjadi di pada lapisan tipis contohnya seperti sabun dan minyak. Pada percobaan ini didapatkan bahwa jika sinar monokromatik mengenai lapisan tipis maka sebagian cahaya akan dipantulkan dan sebagiannya lagi akan dibiaskan dan kemudian dipantulkan lagi, kombinasi keduanya akan menyebabkan terjadinya interferensi.
Seberkas cahaya datang pada selaput tipis dan membentuk sudut i, kemudian sebagian cahaya tersebut dipantulkan di bagian atas membentuk pantulan AE, dan sebagian lagi dibiaskan membentuk ABC dan kemudian keduanya saling berinterferensi ke titik P. Dalam interferensi selaput lapis, juga terdapat 2 persamaan, yaitu:
Persamaan untuk interferensi maksimum di P (pola terang)
Persamaan untuk interferensi minimum di P (pola gelap)
Keterangan:
d = tebal lapisan
n = indeks bias lapis tipis
r = sudut bias sinar
λ = panjang gelombang sinar
m = orde interferensi
Difraksi Cahaya
Difraksi merupakan pelenturan cahaya saat cahaya melalui celah sehingga cahaya akan terpecah-pecah menjadi bagian-bagian yang lebih kecil dan memiliki sifat cahaya yang baru.
- Difraksi Celah Tunggal
Saat cahaya melalui celah yang sangat kecil maka dapat terjadi peristiwa terbentuknya pita gelap dan terang yang disebut sebagai difraksi celah tunggal. Setelah cahaya melalui celah tersebut, terbentuklah cahaya baru (dengan menganggap celah sebagai sumber cahaya baru) yang menyebar ke segala arah.
Pada difraksi celah tunggal, pita terang akan menutup satu orde-m. Maka persamaannya menjadi:
Untuk pita terang:
Untuk pita gelap:
- Difraksi pada kisi (Celah Banyak)
Jika sebuah cahaya monokromatis dilewatkan pada lempeng kisi atau celah banyak, maka akan terbentuk pola difraksi berupa pola gelap dan terang pada layar. Kisi adalah susunan celah yang sejajar dan memiliki ukuran yang sama, dan dapat dibuat dengan cara membuat goresan-goresan pada lempeng kaca atau logam menggunakan ujung intan.
Hubungan antara banyaknya celah dengan jarak antar celah dirumuskan sebagai:
Keterangan:
N = konstanta kisi (garis/m)
Pada difraksi celah banyak, pola terang dan gelang sama dengan Interferensi.
Untuk pita terang:
Untuk pita gelap:
Polarisasi Cahaya
Polarisasi cahaya merupakan berkurangnya intensitas cahaya yang diakibatkan oleh berkurangnya komponen pada gelombang cahaya. Polarisasi hanya dapat terjadi pada gelombang transversal. Polarisasi cahaya dapat terjadi akibat pemantulan, pembiasan, absorpsi dan hamburan.
- Polarisasi akibat pembiasan:
Jika sinar pantul tegak lurus dengan sinar biasnya, maka sinar pantul akan terpolarisasi. Besarnya sudut polarisasi dapat dihitung dengan persamaan:
Ketrangan:
ip = sudut polarisasi
n2 = indeks bias tujuan
n1 = indeks bias asal
- Polarisasi akibat absorpsi:
Jika intensitas cahaya terpolarisasi, maka setelah melewati polarisator pertama, maka persamaan intensitas cahaya menjadi:
Di mana:
I1 = intensitas cahaya setelah melewati polarisator
I0 = intensitas sumber cahaya
Pemanfaatan Cahaya
Salah satu pemanfaatan cahaya yang banyak dilakukan adalah pada televisi. Saat ini televisi yang ada memiliki ukuran yang tipis dan menghasilkan gambar yang berkualitas tinggi (HD) dan 3D.
Terdapat TV LCD dan TV LED, TV LCD secara umum dibuat dari dua lapisan bahan halus yang terpolarisasi dan dilekatkan antara satu sama lain.
Salah satu lapisan dibalut dengan polimer khas yang memegang setiap individu hablur cair. Lalu tenaga elektronik disalurkan melalui setiap hablur yang membenarkan Kristal untuk menyekat cahaya bagi menghasilkan gambar.
Agar gambar yang dihasilkan oleh LCD dapat dilihat oleh penonton, maka diperlukan mentol lampu neon.
LCD memanfaatkan teknologi Liquid Crystal Display. Jenis ini memiliki dua lapisan kaca yang terpolarisasi dan saling menempel.
Terdapat cairan kristal yang terdapat di salah satu lapisan. Cairan ini berfungsi melewatkan atau memblokir cahaya agar menghasilkan gambar pada layar saat arus listrik melewatinya.
Namun kristal tidak menghasilan cahaya sendiri, cahaya berasal dari serangkaian lampu neon di belakang layar. Dengan bantuan lampu neon, gambar yang dibuat oleh kristal dapat terlihat.
Sementara itu, pada TV LED terdapat dua jenis teknologi yaitu Full LED dan Edge LED. Sumber cahaya yang digunakan sebelum ini ditukarkan dari lampu kepada LED, sehingga gambar lebih jelas. Sebab LED lebih fokus dan tidak berkedip.
Penerapan Gelombang Cahaya
Aplikasi prinsip gelombang cahaya banyak digunakan di kehidupan sehari-hari. Contohnya di bidang teknologi.
Sinar Gamma
Sinar gamma banyak dimanfaatkan dalam dunia pengobatan seperti untuk mendiagnosis dan terapi kanker, dan juga membantu perkembangan dalam bidang pengetahuan astronomi dan fisika. Sinar gamma memiliki frekuensi antara 93 Hz dengan panjang gelombang antara 94cm sampai 95 cm.
Radar
Radar merupakan alat untuk mendeteksi keberadaan atau letak, kecepatan, dan arah benda dari kejauhan. Radar pada umunya digunakan untuk sistem navigasi dan pemanduan. Radar juga menghasilkan radiasi frekuensi radio dan masih banyak lagi.
Sinar-X
Apa kalian pernah menemani kerabat kalian atau mengalami sendiri ke rumah sakit melakukan radiografi untuk melihat apakah ada tulang yang patah atau retak? Jika iya, kalian harus bersyukur dengan adanya keberadaan sinar-x karena hal ini sangat mempermudah tenaga medis memeriksa kondisi seseorang tanpa harus membedahnya terlebih dahulu. Sinar-x memiliki frekuensi 96 Hz sampai 93 Hz. Panjang gelombangnya sangat pendek yaitu 98 cm – 99 cm.