SIFAT OPTIK MATERIAL

KONSEP DASAR

1. PendahuluanYang dimaksud dengan sifat optic suatu material adalah respon material

tersebut terhadap paparan gelombang elektromaknetik, radiasi, khususnya untuk range cahaya tampak. Pada pembahasan sifat optic material ini, pertama tama akan dibahas tentang prinsip-prinsip dasar dan konsep yang berkaitan dengan sifat elektromaknetik, radiasi dan interaksinya dengan benda padat. Berikutnya adalah tentang sifat optic dari bahan/ logam yang meliputi karakteristik adsorbs, refleksi dan transmisi. Pada bagian akhir aan dipelajari tentang, luminescence, fotokonduktivitas, laser, serta pemanfaatan sifat optis material ini pada serat optic di bidang komunikasi.

2. Radiasi ElektromaknetikRadiasi elektromagnetik dianggap seperti gelombang, dimana gelombang

tersebut terdiri dari komponen listri dan magnet yag saling tegak lurus satu sama lain. Macam macam bentuk radiasi elektromagneti antara lain adalah cahaya, panas, gelombag radio, dan x ray. Dimana yang membedakan adalah panjang gelombangnya. Spectrum dari radiasi elektromagnetik beserta panjang gelombang nya dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Semua radiasi elektomganetik memiliki kecepatan yang sama saat melalui sebuah vakum, yaitu sebesar 3x108m/s (186,000 miles/s). Yang kemudian besaran tersebut kita sebut sebagai konstanta C, dimana konstanta C tersebut dipengaruhi oleh permitivitas listrik dari vakum dan permeabilitas magnetik ruang hampa. Dan dapat dinyatakan dengan persamaan.

Sedangakan hubungan C dengan frekwensi dan panjang gelombang dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.

Jika kita pandang radiasi elektromagnetik dari prespektif mekanika kuantum, dimana radiasi bukan terdiri dari gelombang melainkan tersusun atas paket-peket energy yang disebut foton (E), maka foton (E) tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.

Dimana konstanta h adalah konstanta plank dengan nilai 6.63x10−34 J-s

3. Interaksi Cahaya dan Benda PadatKetika cahaya diemisikan dari suatu medium ke medium lain, misalnya dri

udara menuju padatan. Ada beberapa hal yang terjadi, sebagian akan di transmisikan melalui medium tersebut, bebrapa akan diserap dan terjadi proses adsorbsi. Dan beberapa akan dipantulkan atau terjadi proses refleksi. Dimana intensitas dari cahaya yang ditansmisikan ke mediun tersebut (Io) harus sama dengan intensitas cahaya yang di transmisikan, di adsobsi, da di pantulkan (I T , I A, IR), yang data dinyatakan dengan persamaan berikut.

Bentuk lain dari persamaan diatas adalah sebagai berikut.

Dimana T,A dan R mewakili, transmisifitas ( I T / I 0), absorbsifitas (I A/ I 0) dan

refleksifitas (IR /I 0).Pada bahasan ini muncul istilah bahan transparan, yang berarti sebuah

material yang mentransmisikan cahaya dengan sedikit adsorbsi dan rerleksi. Serta Translucent (tembus cahaya) material. Adalah material yang dapat mentransmisikan cahaya tetapi sebagian diserap dan dipantulkan, dan bahan opaque (buram). Adalah material yang tidak dapat mentransmisikan cahaya, dimana jika terdapat cahaya yang diemisikan langsung diserap atau dipantulkan.

4. Interaksi Atom dan ElektronikFenomena optik yang terjadi pada benda padat melibatkan interaksi antara

radiasi elektromagnetik dan atom, ion, serta elektron. Dimana terdapat dua hal yang paling penting dari interaksi tersebut antara lain polarisasi elektronik dan energy yang dihasilkan oleh transisi elekron.

a. Polarisasi Elektronik

Terdapat dua akibat dari polarisasi ini antara laian adalah, yang pertama, beberapa energi radiasi akan diserap, dan yang kedua gelombang cahaya akan terhambat kecepatan nya saat melewati mediun yang dapat dilihat pada fenomena pembiasan.b. Transisi Elektron

Transmisi dan emisi dari rediasi elektromagnetik melibatkan trasisi electron dari suatu tingkat energy ke tingkat energy lain. Yang mengakibatkan perubahan energy pada electron tersebut.perubahan energy pada electron (ΔE) tergantung pada frekwensi radiasi yang dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.

SIFAT OPTIS PADA NON METAL

5. Refraksi/PembiasanCahaya yang ditansmisikan pada bahan transparan akan mengalami

penurunan kecepatan sebagaimana telah dijelaskan dimana hal ini merupakan salah satu akubat dari transisi electron. Dan sebagai hasilnya, berkas cahaya tersebut akan dibengkokkan. Fenomena inilah yang disebut sebagai refraksi atau pembiasan. Index bias atau index refraksi didefinisikan sebagai perbandingan antara kecepatan cahaya di vakum (c) dan kecepatan cahaya dalam mediun yang dilewati (v).

Untuk menghitung nilai kecepatan cahaya dalam medium (v) digunakan persamaan sebagai berikut.

Dimana ε dan μ masing masing adalah permitifitas dan permeabilitas dari substansi penyusun mediun tersebut. Sehingga bila digabungkan dengan persamaan sebelum nya akan menjadi sebagai berikut.

Dimana ε rdan μr masing masing adalah konstanta

dielektrik dan permeabilitas magnetic relative, karena sebagian besar material non metal adalah kurang bersifat magnet maka dapat diasumsikan bahwa μr=1, sehingga persamaan menjadi.

6. Refleksi/Pemantulan

Ketika cahaya dilewatkan pada mediun satu ke mediun yang lain yang memiliki perbedaan index bias. Sebagian cahaya tersebut akan tersebar di permukaan di antara kedua mediun tersebut. Sehingga refleksifitas dapat dinyatak dengan persamaan sebagaiberikut.

Jika cahaya dating tegak lurus terhadap permukaan mediun yang dituju, maka persamaan menjadi sebgai berikut.

Dimana n1 dan n2 adalah indeks pantul dari kedua mediun yang bersangkutan. Ketika cahaya ditransimisikan dai vakum atau udara, menuju benda padat. Maka persamaan reflektifitas (R) menjadi sebagai berikut.

7. Absorbsi/PenyerapanPada prinsipnya, cahaya di absorbs oleh sebuah material dengan dua

mekanisme. Yang pertama adalah dengan mekanisme polarisasi elektronik, sedangkan menisme kedua adalah dengan melibatkan pita valensi dan pita konduksi transisi electron. Yang tergantung terhadap struktur pita energy electron pada sebuah material.

Penyerapan foton dapat terjadi dengan promosi atau eksitasi dari electron dari fita valensi terdekat, yang melewati perbatansan pita valensi dan konduksi (band gap), menuju ke daerah kosong di pita konduksi, sehingga pada pita konduksi terdapat elektro bebas dan pada pita konveksi terdapat hole, ilustrasi dari proses tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Eksitasi yang disertai dengan absorbs ini dapat terjadi jika energy foton lebih besar dari band gap.

Atau jika melibatkan panjang gelombang, maka persamaan diatas menjadi.

Panjang gelombang minimum yang dapat ditoleransi untuk persamaan tersebut adalah sebesar 0.4 μm. Sedangkan Egmax untuk absorbsi cahaya tampak dapat dihitung dengan persamaan.

Dari band gap maksimum yang diperoleh tersebut dapat diartikan jika sebuah bahan memiliki band gap lebih dari 3.1 eV. Maka tidak ada cahaya yang di absorbsi.Koefisien absorbsi dari sebuah material dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut.

Dimana I 'T adalah intensitas radiasi yang tidak ter absorbsi, I ' 0 adalah intensitas

radiasi yang tidak dipantulkan. Sedangkan β adalah koefisien absorbsi (in mm−1)

8. TransmisiFenomena pembiasan (refreksi), pemantulan (refleksi) dan penyerapan

(absorbsi) dapat di aplikasikan pada fenomena cahaya saat melewati bahan padat yang transparan. Dimana intensitas transmisi, dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.

Ilustrasi dari transimi dapat dilihat pada gambar berikut.

9. WarnaMaterial transparan terlihat berwarna sebagai konsekwensi dari panjang

gelombang spesifik yang diserap. Warna jdapat dilihat sebagai hasil kombinasi dari panjang gelombang yag di transmisikan. Jika absorbsi seragam untuk semua panjang gelombang tampak maka material tersebut terlihat kurang berwarna. Jadi fenomena terjadinya warna sangat berhubungan erat dengan absorbsi.

Biasanya dalam adsorbsi melibatkan eksitasi electron seperti yang telah dijelaskan pada pembahasan tentang adsorbsi. Salah satu situasi seperti melibatkan material semikonduktor yang memiliki band gap diantara range energy foton untuk cahaya tampak. Sehingga sebagian kecil cahaya tampak, yang memiliki energy lebih keci dari pada Eg dapat di adsorbsi oleh pita valensi dan pita konduksi electron transisi. Sehingga warna bergantung pada distribusi frekwensi cahaya yag di transmisikan dan di pancarkan.

Sebagai contoh cadmium sulfide (CdS) mempunyai band gap sebesar 2.4 eV, sehingga hanya akan menyerap foton yag memiliki energy lebih besar dari 2.4 eV, dimana foton dengan energy tersebut sangat identik dengan warna biru dan ungu pada spectrum tampak. Sebagaian dari energy ini diradiasikan kembali sebagai cahaya yang memiliki panjang gelombang lain. cadmium sulfide (CdS) memiliki warna kuning-orange yang merupakan kobianasi dari cahaya yang di transmisikan

APLIKASI FENOMENA OPTIS

10.LuminesenceBeberapa material dapat menyerap energy dan kemudian memancarkan

sebuah cahaya tampak, fenomena ini dikenal dengan Luminesence. Energy diserap ketika electron promosi menuju tingkat energy yang lebih tinggi, sedangkan cahaya tampak dipancarkan saat electron tersebut kembali ke tingkat energy yang lebih rendah. Jika pancaran terjadi dengan waktu yang sangat singkat kurang dari satu detik, maka dinamakan floyrescence, sedangkan

bila pancaran memiliki waktu yang lebih lama, maka dinamakan phosphorescence. Contoh dari fenomena Luminesence ini salah satunya adalah pada benda benda fosfor yang dapat menyala dalam gelap beberapa saat.

11.FotokonduktivitasFotokonduktivitas adalah fenomena optik dan listrik di dalam suatu material

yang menjadi lebih konduktif ketika menyerap radiasi elektromagnet seperti cahaya tampak, sinar ultraviolet, sinar inframerah, atau radiasi gamma. Ketika cahaya diserap oleh sebuah material seperti semikonduktor, jumlah dari perubahan elektron bebas dan hole meningkatkan konduktivitas listrik dari semikonduktor. Eksitasi cahaya yang menumbuk semikonduktor harus mempunyai cukup energi untuk meningkatkan jumlah elektron yang menyebrangi daerah terlarang atau oleh eksitasi pengotoran dalam daerah band gap.

Fotokonduktivitas merupakan suatu fenomena umum yang biasa dimiliki pada bahan semikonduktor. Dimana bahan semikonduktor akan meningkat harga konduktivitasnya apabila dikenai cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Fenomena fotokonduktivitas juga dapat diamati pada bahan polimer (isolator) yang mana mempunyai sifat model energi yang sama dengan bahan semikonduktor.

12.LaserLaser merupakan sebuah akronim dari Amplification By Stimulated Emission

Of Radiation. Pembahasan tentang laser tidak dapat terlepas dari eksitasi electron, yaitu berpindahnya sebuah electron ke tingkat energy yang lebih tinggi. Elektron yang sudah pindah ke tingkat energi yang lebih tinggi ini berada dalam keadaan tidak stabil. Elektron ini selalu berusaha untuk kembali ke keadaan awalnya dengan cara melepaskan kelebihan energi tersebut. Energi yang dilepaskan berbentuk foton (energi cahaya) yang memiliki panjang gelombang tertentu (warna tertentu) sesuai dengan tingkat energinya. Ini yang disebut radiasi atom. Pada lampu senter ataupun lampu neon biasa, cahaya yang dihasilkan menuju ke segala arah dan memiliki bermacam panjang gelombang dan frekuensi (incoherent light). Hasilnya adalah cahaya yang sangat lemah.

Pada teknologi laser, cahaya yang dihasilkan mempunyai karakteristik tersendiri yaitu monokromatik (satu panjang ge lombang yang spesifik), koheren (pada frekuensi yang sama), dan menuju satu arah yang sama sehingga cahayanya menjadi sangat kuat, dan terfokus.

Ada bermacam media yang dapat di gunakan untuk menghasilkan sinar laser, misalnya solid state laser (menggunakan bahan padat sebagai medianya; contoh: batu ruby), dan gas laser (misalnya gas helium, neon, CO 2 ). Kekuatan laser sangat bervariasi, berg antung pada panjang gelo mbang yang dihasilkannya. Sebagai perbandingan, panjang gelombang yang dihasilkan ruby laser adalah 694 nm (6,94x10 -7 m), sedangkan panjang gelombang yang

dihasilkan gas CO 2 adalah 10.600 nm (1,06x10 -5 m). Batu ruby (CrAlO 3 ) menghasilkan sinar laser berwarna.

13.Fiber Optik pada system Komunikasifiber optic banyak dipakai sebagai medi transmisi data maupun informasi

dengan kecepatan yang tinggi dengan sedikit error, karena tidak ada interfrensi elektromagnetik pada fiber optik. Dimana diagram blok dari system fiber optic dapat dilihat pada gambar berikut.

Informasi dalam bentuk elektronik haris diubah dalam bentuk digital menggunakan komponen encoder. Selanjutnya sinya digital elektrik tersebut harus di ubah dalam bentuk optical (photonic) dengan menggunkan komponen electrical to optical converter. Komponen ini biasanya berupa sebuah laser semikonduktor yang meng emisikan cahaya monokromatik dan koheren. Output dari laser ini adalah sebuah pulsa-pulsa cahaya. Pulsa pulsa cahaya ini kemudian menuju kabel fiber optic untuk kemudian di transmisikan ke tujuan, yang diperlukan sebuah repeater untuk menguatkan. Kemudian pada bagian penerima, pulsa cahaya tersebut perlu diubah kembali menjadi digital electrical menggunakan komponen optical to electrical converter.

Komponen dari fiber optic antara lain adalah core, cladding dan coating. Dimana dapat dilihat pada gambar berikut.

Dimana material yang biasa digunakan adalah sebuah silica dengan kemurnian yang tinggi, diameter dari fiber optic adalah sekitar 5-10 .Sinar dalam fiber optik berjalan melalui inti dengan secara memantul dari cladding, dan hal ini disebut total internal reflection, karena cladding sama sekali tidak menyerap sinar dari inti. Akan tetapi dikarenakan ketidakmurnian kaca sinyal cahaya akan terdegradasi, ketahanan sinyal tergantung pada kemurnian kaca dan panjang gelombang sinyal.