Sifat Optik Material [PDF]

Zitiervorschau

SIFAT OPTIK MATERIAL 1. OPTIK Optik adalah cabang fisika yang menggambarkan kelakuan dan sifat cahaya dan interaksi cahaya dengan materi. Optik menerangkan dan diwarnai oleh gejala optik. Bidang optik biasanya menggambarkan sifat cahaya tampak,inframerah dan ultraviolet, tetapi karena cahaya adalah gelombang elektromagnetik, gejala yang sama juga terjadi disinarX, gelombang mikro, gelombang radio, dan bentuk lain dari radiasi elektromagnetik. Optik secara umum dapat dianggap sebagai bagian dari ke-elektromagnet-an. Beberapa gejala optis bergantung pada sifat kuantum cahaya yang terkait dengan beberapa bidang optik kuantum hingga mekanika. Dalam prakteknya, sebagian besar fenomena optik dapat dihitung dengan menggunakan sifat dari cahaya elektromagnet, seperti yang dijelaskan oleh persamaan Maxwell. 2. RADIASI ELEKTROMAGNETIK

Radiasi elektromagnetik adalah kombinasi medan listrik dan medan magnet yang berosilasi dan merambat lewat ruang dan membawa energi dari satu tempat ke tempat yang lain. Cahaya tampak adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik.

Gelombang Elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat walau tidak ada medium dengan kecepatan sama yang disebut dengan kecepatan cahaya. Kecepatan cahaya disini merupakan definisi dari hubungan antara permitivitas elektrik pada ruang hampa ( ) dan

permeabilitas magnetik diruang hampa (µ).

Gelombang Elektromagnetik

Hubungan antara frekuensi gelombang (

(v) dengan panjang gelombang

Membentuk sebuah fungsi kecepatan:

Gelombang elektromagnetik dapat berupa gelombang ataupun partikel (dualisme gelombang), maka ketika dalam bentuk partikel gelombang cahaya dikenal dengan nama foton. dan masing-masing mempunyai energi berhubungan dengan frekuensi gelombang ditunjukan oleh hubungan Planck E = Hf di mana E adalah energi foton, h ialah konstanta Planck 6.626 × 10 −34 J·s f adalah frekuensi gelombang.

3. INTERAKSI CAHAYA DENGAN ZAT PADAT Ketika suatu cahaya menjalar dari medium ke medium yang lain misalnya dari udara ke zat padat sebagian radiasi cahayanya akan ditransmisikan, sebagian diabsorpsi dan sebagian yang lain dipantulkan.

1) Transmisi cahaya Benda yang dapat mentransmisikan (meneruskan ) cahaya disebut benda transparan. Benda transparan adalah benda yang dapat ditembus cahaya. 2) Pemencaran cahaya Pemencaran cahaya terjadi jika cahaya diarahkan pada suatu bahan tebal yang terdiri dari partikel kecil-kecil dengan indeks bias yang berbeda. Benda yang dapat meneruska sebagian cahaya dan sebagian yang lain dipencar disebut translucent. Benda TRANSLUCENT menunjukkan warna yang lebih muda dari benda yang OPAQUE. Intensitas yang dipancarkan ke sebuah medium zat padat sama dengan jumlah intensitas transparan, intensitas absorpsi dan intensitas translucent.

Dapat diturunkan menjadi :

Dengan : T = IT/I0 R = IR/I0 A = IA/I0 3) Absorbsi cahaya Dalam prinsip absopsi suatu material terhadap radiasi suatu cahaya terjadi dengan mekanisme Kenaikan elektron pada tingkatan energi yang lebih tinggi atau Eksitasi. Benda yang OPAQUE adalah benda yang menyerap (absorbsi) cahaya. Hukuk Lambert

I x  I o e  x Io = intensitas awal Ix = intensitas cahaya setelah menembus α = koefisien absorbsi bahan

4. KENAIKAN ELEKTRON ATAU EKSITASI

bahan

setebal x

Poton yang masuk kedalamm material diserap energinya untuk melakukan eksitasi atau perpindahan elektron ke tingkatan energi yang lebih tinggi. Keadaan eksitasi elektron ini terjadi bila

atau Dari persamaan ini dapat dicari material apa saja yang dapat menyerap visiblelight.

5. PENGARUH ENERGI GAP Panjang gelombang minimum dari visiblelight adalah 0.4 μm sehingga energi gap Eg maksimum suatu bahan yang dapat menyerap cahaya adalah :

Panjang gelombang maximum dari visiblelight adalah 0.7 μm sehingga energi gap Eg minimum suatu bahan yang dapat menyerap cahaya adalah :

Dari dua perhitungan diatas dapat disimpulkan bahwa material akan menyerap suatu warna dari Visible light ketika memiliki energi gap antara 1.8 eV sampai 3.1 eV karena sanggup menyerap warna dengan panjang gelombang tertentu. Absorpsi foton pada material tidak hanya dapat membuat eksitasi elektron tetapi juga dapat mengurangi intensitas foton yang ditransmisikan, yaitu dengan mengubah sebagian energinya menjadi energi yang lain seperti terbentuknya energi termal.

Sketsa Absorbsi Foton 6. INTENSITAS CAHAYA Radiasi terus menurun selama jarak perjalanan cahaya sejauh x pada suatu material sehingga intensitas akhir dapat dirumuskan dengan persamaan :

β = Koefisien absorbsi

7. WARNA Persepsi tentang warna dibangkitkan dari penyerapan selektif panjang gelombang tertentu pada peristiwa penyinaran pada suatu material. Sisa panjang gelombang dapat diteruskan (oleh obyek transparan) atau dipantulkan (oleh obyek yang buram) dan dilihat oleh mata sebagai warna dari pancaran atau pantulan cahaya. Oleh karena itu obyek biru tampak berwarna biru sebab telah menyerap sebagian dari panjang gelombang dari cahaya dari daerah oranye-merah. Sedangkan obyek yang merah tampak merah sebab telah menyerap sebagian dari panjang gelombang dari daerah ultraviolet-biru.

8. LUMINISENSI Luminesensi adalah fenomena berupa pancaran cahaya dari suatu bahan yang dipanaskan, yang sebelumnya menyerap radiasi peng-ion. Luminesensi disebut juga dengan cahaya dingin, karena ia dapat terjadi pada suhu ruang bahkan pada suhu yang lebih rendah. Untuk menghasilkan luminesensi, energi diserap oleh elektron suatu atom atau molekul. Hal tersebut menyebabkan elektron berada dalam keadaan tereksitasi dan tidak stabil. Ketika elektron kembali ke energi yang lebih rendah, ia akan melepas energi dalam bentuk foton (cahaya). Energi foton tersebut akan menentukan panjang gelombang atau cahaya di keluarkan.

LUMINESENSI BERDASARKAN WAKTU TUNDA ANTARA ABSOPTION DAN REEMISSION. 1. FLUORESENSI : reemission terjadi < 1 detik, pada suhu sedang 2. FOSFORESENSI : reemission terjadi > 1 detik, pada suhu rendah

•

Bahan yang dapat menampilkan fenomena luminesensi, diantaranya: sulfida, oksida, tungstates, dan beberapa bahan organik.

•

Bahan murni tidak dapat menampilkan fenomena luminesensi. Perlu ditambahkan impurities dalam konsentrasi tertentu agar bahan murni dapat menampilkan fenomena luminesensi.

9. FLUORISENSI Pada fluoresensi, setelah energi yang digunakan untuk mengeksitasi elektron dihilangkan maka zat fluoresensi tidak akan dapat menyala dalam gelap. Zat berfluoresensi hanya dapat terlihat menyala apabila dikenai dengan sinar UV di dalam gelap dan tidak dapat berpendar ketika sinar ultravioletnya dimatikan. Hal ini berkaitan dengan cepat dan lambatnya elektron kembali ke orbital energi tingkat dasar, semakin cepat elektron kembali ke orbital maka semakin cepat pula hilang berpendarnya.

10. FOSFORISENSI Fosforesensi berasal dari transisi antara tingkat-tingkat energi elektronik triplet ke singlet dalam suatu molekul. Fosforesens dapat menyimpan energi lebih lama, sehingga akan memancarkan cahaya lebih lama dari pada fluoresensi. FOSFOR •

Fosfor adalah zat yang dapat berpendar karena mengalami fosforesensi.

•

Fosfor berupa berbagai jenis senyawa logam transisi atau senyawa tanah langka sepfoserti zink sulfida (ZnS) yang ditambah tembaga atau perak, dan zink silikat (Zn2SiO4)yang dicampur dengan mangan.

•

Kegunaan fosfor adalah pada tabung sinar katoda (CRT) dan lampu pendar.

•

Sebenarnya zat fosfor itu berpendar sepanjang terkena gelombang cahaya (misalnya: cahaya matahari). Namun, cahaya yang dihasikan dari hasil eksitasi elektron dari zat fosfor kalah terang dari cahaya (matahari), sehingga zat tersebut tidak terlihat sedang berpendar/memancarkan cahaya. Hal inilah yang menyebabkan fosfor terlihat berpendar pada ruang gelap atau pada malam hari.

11. LASER

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), yaitu terjadinya proses penguatan cahaya oleh emisi radiasi yang terstimulasi. Prinsip laser adalah menggunakan ketika sifat interaksi material dengan cahaya yaitu :

Laser adalah suatu divais yang memancarkan gelombang elektromagnetik melewati suatu proses yang dinamakan emisi spontan. Istilah laser merupakan singkatan dari light amplification by stimulated emission of radiation. Berkas laser umumnya sangat koheren, yang mengandung arti bahwa cahaya yang dipancarkan tidak menyebar dan rentang frekuensinya sempit (monochromatic light). Laser merupakan bagian khusus dari sumber cahaya. Sebagian besar sumber cahaya, emisinya tidak koheren, spektrum frekuensinya lebar, dan phasenya bervariasi terhadap waktu dan posisi. Daerah kerja divais laser tidak terbatas pada spektrum cahaya tampak saja tetapi dapat bekerja pada daerah frekuensi yang luas, Oleh karena itu, divais tersebut dapat berupa laser infa red, laser ultra violet, laser X-ray, atau laser visible. Laser dikatakan baik jika frekuensi atau panjang gelombang yang dipancarkannya bersifat tunggal. Daya laser dapat dibuat bervariasi dari mulai nano watt untuk laser kontinyu sampai triliunan watt untuk laser pulsa. Laser merupakan komponen utama pada sistem komunikasi modern saat ini. Selain itu, laser juga dimanfaatkan sebagai probe untuk pembacaan data CD atau DVD, sebagai sumber cahaya pada alat pembaca barcode, alat bantu navigasi pada bidang militer, alat bantu operasi pada bidang kedokteran, dan masih banyak lagi aplikasi lainnya. Secara umum suatu divais laser terdiri dari media penguat berkas cahaya (gain medium), sumber energi pemompa (pumping source), dan resonator optik (optical resonator).

Media penguat adalah suatu bahan yang mempunyai sifat dapat meningkatkan intensitas cahaya dengan cara emisi terstimulasi. Sedangkan resonator optic, secara sederhana terdiri dari susunan cermin yang dipasang berhadapan sehingga berkas cahaya dapat bergerak bolak-balik. Salah satu cermin bersifat agak transparan, sehingga dapat berfungsi sebagai jalur keluar berkas laser (output coupler). Berkas cahaya yang melewati media penguat akan mengalami penguatan daya. Jika daerah sekelilingnya merupakan cermin, maka cahaya akan bergerak bolak-balik dan melewati media penguat berkali-kali. Dengan demikian cahaya akan mengalami penguatan daya beberapa kali lipat. Setelah mengalami penguatan daya, cahaya dapat keluar melewati cermin yang bersifat agak transparan sebagai berkas laser.

Proses memasukkan energi sebagai syarat untuk terjadinya penguatan daya dinamakan dengan pumping (memompa). Energi yang dipompakan dapat berupa arus listrik atau berkas cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda. Untuk pompa energi dalam bentuk cahaya, dapat digunakan lampu flash atau laser semikonduktor. Selain komponen-komponen utama di atas, suatu perangkat laser biasanya dilengkapi dengan beberapa komponen pendukung untuk menghasilkan berkas laser yang tajam. Bahan media penguat dapat berupa gas, cairan, padatan, atau plasma. Media penguat menyerap energi yang dipompakan dan mengakibatkan sejumlah elektron tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi. Partikel dapat berinteraksi dengan cahaya melalui cara mengabsorpsi atau mengemisikan foton. Emisi cahaya dapat terjadi secara spontan atau dengan cara stimulasi. Ketika jumlah elektron pada suatu

tingkat eksitasi melebihi jumlah elektron pada tingkat energi di bawahnya, maka populasi inversi telah terjadi. Hal tersebut dapat mengakibatkan terjadinya emisi terstimulasi yang jumlahnya lebih besar daripada yang diabsorpsi. Dengan demikian cahaya mengalami penguatan. Jika media penguat ini ditempatkan di dalam resonator optik, maka penguatan cahaya dapat terjadi berkali-kali dan selanjutnya menghasilkan berkas

laser. Kavitas optik merupakan salah satu bentuk dari resonator. Kavitas

mengandung berkas koheren yang dilingkupi oleh permukaan bersifat reflektif yang memungkinkan berkas cahaya tersebut bergerak bolak-balik melewati media penguat. Cahaya yang bergerak bolak-balik di dalam kavitas dapat mengalami kehilangan daya (loss) yang disebabkan oleh absorpsi atau difraksi. Jika penguatan di dalam media tersebut lebih besar dibandingkan dengan kehilangan daya dalam resonator, maka daya laser akan naik secara eksponensial. Pada setiap kejadian emisi terstimulasi, sejumlah partikel akan berpindah dari tingkat energi tereksitasi ke keadaan dasar, hal ini akan mengurangi kapasitas media penguat. Untuk mengembalikannya ke kondisi terstimulasi, harus dipompa kembali dengan energi tertentu. Besarnya energi yang dipompakan harus mempertimbangkan batas ambang dari media penguat dan kehilangan daya di dalam kavitas. Jika daya yang dipompakan terlalu kecil, maka emisi yang dihasilkan tidak akan cukup untuk mengimbangi kehilangan daya akibat absorpsi di dalam kavitas. Sebaliknya jika energi yang dipompakan terlalu besar, maka akan mempercepat degradasi media penguat sehingga memperpendek usia penggunaannya. Oleh karena itu, diperlukan optimasi batas minium energi yang dipompakan (lasing threshold), sehingga berkas laser yang dihasilkan cukup signifikan

dengan

umur

pemakaian

yang

panjang.

Laser dapat beroprasi pada modus kontinu (continuous wave) dengan amplitudo keluaran konstan atau dalam bentuk pulsa. Laser pulsa dapat dihasilkan dengan teknik Q-switching, mode terkunci (modelocking) atau gain switching. Laser dalam bentuk pulsa dapat menghasilkan daya yang sangat besar. Dalam mode operasi kontinu, berkas laser yang dihasilkan relatif konstan terhadap waktu. Proses tersebut dihasilkan dari populasi inversi yang berlangsung terus-menerus menggunakan sumber pemompa energi yang stabil. Sedangkan dalam mode operasi pulsa, berkas laser yang dihasilkan berubah terhadap waktu secara bolak-balik dengan mode on dan

off. Laser pulsa biasanya dibuat dengan tujuan untuk menghasilkan power laser yang sangat

besar

dengan

waktu

radiasi

yang

singkat.