Bias Rangkap

22.46 |

1.1.Bias Rangkap (BIREFRINGENCE)

Fenonema bias rangkap terjadi pada media anisotropic optic, yakni media yang mempunyai sifat optic (khususnya indek bias) yang besarnya tergantung pada arah. Berdasarkan pada besarnya indeks bias masing-masing arah. Kristal anistropi dibagi menjadi 2 macam yakni Kristal unixaial dan Kristal biaxial. Bila indeks bias pada dua arah besarnya sama dan arah yang lainnya sama misalnya n₂ = n₃ = n₁, maka Kristal demikian disebut dengan Kristal uniaxial, dengan sumbu x (n₁) sebagai
sumbu optik. Sedangkan untuk keadaan indeks bias yang tidak sama untuk ketiga arah n₂ = n₃ = n_1,Kristal demikian disebut dengan Kristal biaxial. Arah kristal yang berhubungan dengan sifat optic (elipsoida Fresnel). Untuk Kristal uniaxial, maka komponen medan kearah CO selalu mempunyai indeks bias n₂dengan kecepatan rambat gelombang V_o = V₂=c/ n₂dan arahnya tegak lurus U (arah berkas cahaya) serta sumbu optic X. Gelombangb dengan arah seperti ini disebut dengan gelombang ordinary (“O”). Komponen CE yang berbentuk elip dengan indeks bias yang bervariasi terhadap arah mempunyai nilai antara n₂ dan n₁, dengan kecepatan V_o bervariasi antara V₁dan V_2, arah gelombang selalu tegak lurus U, tetapi tidak tegak lurus sumbu optic. Gelombang yang terjadi merupakan gelombang extraordinary (“e”).

Suatu keping Kristal kalsit parallel dengan sumbu optic tertentu dikenai berkas cahaya tak terpolarisasi dengan sudut datang tertentu, maka berkas cahaya terbias terbagi menjadi dua bagian, sehingga disebut dengan Kristal bias rangkap. Satu bagian yang dikenal dengan sinar ordinary merambat dalam Kristal dengan memenuhi hukum Snell, dan bagian yang lain yang disebut dengan sinar ekstraordinari merambat menyebar melalui Kristal dan akan diteruskan keluar dari Kristal dengan arah sejajar sinar ordinary. Fenomena bias rangkap ini ditunjukkan secara skematis.

Dua kasus khusus berhubungan dengan arah berkas cahaya U terhadap sumbu optic menunjukkan bahwa bila arah berkas cahay yang mengenai Kristal sejajar sumbu optic, maka kedua gelombang (“e” dan “O”) akan merambat dengan kecepatan yang sama V₂. Sedangkan bila berkas datang dengan arah tegak lurus sumbu optic Kristal, maka kecepatan kedua gelombang tidak sama besar yakni untuk gelombang ordinay mempunyai kecepatan rambat V_o = V₂= V₁, Sedangkan kecepatan rambat gelombang extraordinary sebesar V_e = V₁= V_//.Dari perbandingan besarnya indeks bias masing-masing arah, dikenal dua macam Kristal, yakni kristal negatif dengan indeks bias n₂ (arah tegak lurus sumbu optic) lebih besar disbanding dengan indeks bias arah sumbu optic n₁ (n₂ > n₁) dan Kristal positif dengan kondisi kebalikan dari Kristal negatif (n₁ > n₂). Beberapa contoh Kristal dengan besarnya indeks bias yang mempunyai sifat uniaxial biaxial.

Tabel beberapa Contoh bahan Kristal uniaxial dan biaxial

Kristal	Material	n_{1 (}n_e)	n_{2 (}n_a)	n₂
Uniaxial	Tourmalin	1,638	1,669
	Calcite	1,4864	1,6584
	Quartz	1,5534	1,5443
	Sodium Nitrat	1,3369	1,5854
Biaxial	Aragonite	1,5301	1,6816	1,6859
	Gypsum	1,5206	1,5227	1,5297
	Mica	1,5692	1,6049	1,6117

Seberkas sinar datang pada permukaan batas Kristal negatif dengan sudut datang tidak sejajar normal permukaan. Dalam Kristal terjadi fenomena bias rangkap, baik dengan sumbu optic Kristal sejajar permukaan maupun yang mempunyai sumbu optic tegak lurus permukaan Kristal. Bila berkas cahaya terpolarisasi bidang mengenai permukaan dengan arah tegak lurus permukaan batas Kristal dengan arah sumbu optic sejajar atau tegak lurus arah normal Kristal, maka fenomena bias rangkap tidak dapat teramati karena kedua macam sinar merambat dengan arah perambatan yang sama. Sumbu optic yang sejajar arah normal, kedua sinar mejalar dalam Kristal dengan kecepatan yang sama, sehingga arah dan jenis polarisasi cahaya yang keluar Kristal tidak berubah. Pada keadaan yang lain dengan aarah sumbu optic Kristal sejajar permukaan batas, akan mengakibatkan perbedaan kecepatan rambat kedua sinar menyebabkan timbulnya beda phase antara gelombang selama menjalar dalam Kristal. Pada keadaan fenomena bias rangkap juga tidak dapat teramati kedua sinar merambat dengan arah perambatan yang sama hanya dengan kecepatan yang berbeda.

Besarnya perbedaan phase kedua gelombang yang timbul dalam mengakibatkan pada jenis polarisai cahaya yang keluar dari Kristal. Perbedaan phase sebesar 2

radian tidak akan mengubah arah dan jenis polarisasi cahaya yang masuk, artinya jenis dan arah getar medan listrik (arah bidang polarisasi) cahaya masuk maupun yang keluar setelah merambat dalam Kristal sama. Komponen optic yang dibuat dengan Kristal yang mempunyai sifat seperti ini disebut dengan keeping gelombang penuh (

). Sedangkan perbedaan phase sebesar

radial akan mengubah arah polarisasi bidangnya yang bergeser sebesar 90^o. Komponen optik yang mendasarkan pada sifat ini disebut dengan keeping setengah gelombang. Jika gelombang cahaya terpolarisai bidang dengan arah getar medan listrik horizontal melalui keeping setengah gelombang (

), maka cahaya yang keluar juga. merupakan cahaya terpolarisai bidang, tetapi dengan arah getar medan listrik bergeser 90^o atau menjadi arah vertical. Sedangkan perbedaan phase antara kedua gelombang sebesar

/2 radian akan mengahsilkan ketiga macam polarisasi cahaya, tergantung pada sudut arah getar medan listrik dan arah sumbu cepat Kristal. Cahaya polarisasi bidang yang keluar dari keeping dengan perbedaan phase

/2 radian dapat diperoleh bila arah getar medan magnet listrik cahaya sejajar atau tegak lurus sumbu cepat atau sumbu lambat kristal. Sedangkan cahaya terpolarisasi lingkarandidapat bila sudut arah getar medan listrik gelombang yang datang membentuk sudut =

/4 radian tehadap arah sumbu cepat atau lambat Kristal. Selain sudut yang dimaksud diatas akan menghasilkan cahay terpolarisasi elips komponen optik yang memanfaatkan sifat seperti ini dikenal luas sebagai keeping seperempat gelombang (

/4). Pada Kristal istropis uniaxial yang menghasilkan fenomena bias rangkap, sebesarnya perbedaan indeks bias sinar ordinary dan ekstraordinari

n = (n_o – n

) disebut dengan ukuran birefringence linier.

Kristal uniaxial positif mempunyai karakteristik bahwa indeks bias V_o > V

, dan setelah menjalar sepanjang dengan tebal d memberikan beda lintasan optik relative sebesar :

(n_o – n_e)

dan beda fase relatifnya :

d (n_o – n_e)

Dengan

= panjang gelombang cahaya dalam vakum

Dari persamaan dapat diperoleh tabel Kristal untuk difungsikan sebagai keeping gelombang. Tabel Kristal untuk keeping gelombang penuh dapat diperoleh dengan masukkan nilai beda fase relative sebesar

= 2

, sehingga retrdasi relatifnya menjadi satu gelombang, sehingga gelombang yang keluar Kristal mempunyai arah getar medan listrik (polarisasi cahaya) yang sama dengan gelombang yang masuk dalam hal bentuk polarisasinya. Pada keeping setengah gelombang dengan beda fase relatif

rad, cahaya yang dihasilkan berupa cahaya terpolirisasi bidang dengan dengan arah getar medan listrik berbeda 90^o terdapat cahaya datang. Sedangkan untuk keeping seperempat gelombang dengan beda fase relatif rad memberikan gelombang terpolarisasi lingkaran bila amplitude gelombang ordinary dan ektraordinary sama, dan berbentuknya elip bila tidak sama.

1.2. Aktivitas Optik

Optik Aktif merupakan sifat Kristal (berupa zat padat atau zat cairan) yang dapat memutar bidang polarisasi berkas cahaya yang melaluinya. Fenomena optik aktif, khususnya untuk cairan dapat diamati dengan perangkat yang disebut polarimeter. Contoh Kristal optik aktif berupa padatan adalah quartz (kuarsa).

Jika dalam Kristal bias rangkap tedapat indeks bias ordinary dan ekstraordinari (n_o – n_e) maka pada Kristal yang mempunyai sifat optik aktif terdapat indeks bias cahaya polarisasi lingkaran putar kanan (n_r) dan indeks bias cahaya polarisasi lingkaran putar kiri (n₁). Bila indeks bias bisa putar kiri lebih besar disbanding indeks bias putar kanan (n₁>n_r) maka dihasilkan pemutaran bidang polarisasi searah dengan jarum jam yang dikenal dengan d-rotatory (Dextrorotatory), sebaliknya untuk n₁>n_r menghasilkan pemutaran bidang polarisasi berlawanan jarum jam atau disebut dengan I-rotatory (Levorrotatory). Pemutaran bidang polarisasi tergantung pada ketebalan bahan dan panjang gelombang yang dilakukan. Besarnya pemutaran bidang polarisai oleh bahan setebal d adalah

(n₁- n_r)

Suatu Kristal kuarsa setebal 1 mm mampu memutar bidang polarisasi sebesar 21,7^o bila cahaya yang dilewatkan berupa cahaya sodium., tetapi dengan Kristal yang sodium chlorate yang mempunyai ketebalan dan panjang gelombang yang dilewatkan sama ternyata hanya mampu memutar bidang polarisasi sebesar 3,67^o.

1.3. Modulator Elektro-Optik

Elektro-optik adalah perubahan sifat optis bahan (yakni indeks bias) yang disebabkan oleh pemberian medan listrik dari luar. Bila medan listrik dikenakan pada medium optik tertentu yang mempunyai sifat elektro-optik maka distribusi electron dalam medium berupa berubah karena medan listrik sehingga polarisasi dan indeks bias medium berubah menjadi medium elektro-optik, yaitu medium yang yidak isotropic/todak homogeny secara optik. Perubahan indeks bias sebagai fungsi medan magnet listrik dinyatakan sebagai (Wilson dan Hawkes 1963)

rE²+ pE²

Dengan : r = koefisien elektro-optik linier

r E = efek Pockel

P = koefisien elektro-optik quadratic

p E² = efek kerr

Suatu skema modulator yang bekerja berdasarkan fenomena elektro-optik. Bila berkas gelombang datang menjalar dalam bahan elektro-optik sepanjang sumbu Z yang mempunyai persamaan E = E_o cos (

, maka pada saat posisi Z = 0 persamaan gelombang dapat diuraikan menjadi E_x = (E_o /

2) cos (

dan E_/= (E_o /

2) cos (

. Dengan anggapan bahwa koefesien elektro-optik kuadratik pada bahan yang sama dengan nol (p = 0), sehingga hanya efek Pockel saja yang muncul, maka perubahan indeks bias pada bahan

n - n_o= - 0,5 r n_o³E₂

Dengan n_o= indeks bias tanpa medan

E² = medan listrik arah perambatan

1.4. Modulator Magneto-optik

Pada modulator optik efek magneto optik perubahan indeks bias dalam bahan disebabkan karena pengaruh medan magnet medan dari luar. Salah satu contoh efek magneto-optik adalah efek Faraday. Faraday (1845) telah mendapatkan kenyataan bahwa ketika berkas cahaya terpolarisasi linier melalui suatu bahan yang diberikan medan magnet padanya maka arah bidan polarisasi berputar sebanding dengan komponen medan magnet yang sejajar arah perambatan. Pemutaran bidang polarisasi dinyatakan secara sistematis sebagai

= V B L (Hecht 1987), dengan V adalah konstan Verdet, B adalah fluks magnet sejajar arah perambatan, dan L adalah panjang bahan. Wilson dan Hawkes 1983 menyatakan pemutaran bidang polarisasi dengan suku-suku indeks bias

(n_r– n₁) L

Dengan n_r= indeks bias putar kanan_,n₁ = indeks bias putar kiri, seperti halnya pada bahan efek optik aktiv. Beberapa bahan yang mempunyai sifat magneto-optik.

Tabel Konstan Verdet beberapa bahan yang diukur pada

= 589,3 nm

Bahan	V (rd m^-1 T^-1)
Kuarsa (SiO₃)	4
Zinc Sulphide (ZnS)	82
Crown Glas	6,4
Flint Glasss	23
Sodium Chloride (NaCl)	9,6

1.5. Akusto-Optik

Akusto-optik atau kadang kala disebut dengan elasto-optik merupakan fenomena perubahan indeks bias medium yang disebabkan oleh regangan mekanik karena gelombang akuastik yang melaluinya. Periode variasi regangan dan indeks bias panjang gelombang

sama dengan panjang gelombang akuastik. perubahan indeks bias disebabkan oleh efek photoelastis yang terjadi pada bahan yang mengalami tegangan mekanik.

Berdasarkan pada arah penjalaran berkas cahaya, modulasi sinyal pada bahan akusto-optik bagi yang menjadi dua tipe, yakni tipe tramisi yang disebut dengan tipe Raman-Nath, dari tipe refleksi yang biasa dikenal dengan tipe Bragg. Pada tipe tramisi, cahaya yang terdifraksi mengikuti aturan

_o=

sin

dengan m = orde difraksi = 0,