MODUL 1 INTERFEROMETER DAN PRINSIP BABINET 1. Tujuan a. Merangkai Interferometer Michelson – Morley dan Mach – Zehnder b. Menggunakan Interferometer Michelson – Morley dan Mach – Zehnder untuk meneliti dan memahami gejala interferensi cahaya c. Menggunakan difraksi dan prinsip Babinet untuk mengukur ketebalan rambut 2. Alat dan Bahan a. Kamera, HVs A4 (dibawa oleh praktikan) b. Meja optik c. Laser He – Ne d. Statis e. 2 set beam divider f. 2 set cermin datar g. 1 set lensa sferis h. Layar i. Penggaris/Meteran 3. Dasar Teori •
Interferensi Interferensi cahaya adalah perpaduan dari dua buah atau lebih gelombang cahaya yang dapat bersifat kontruktif, destruktif, atau diantaranya. Agar hasil interferensinya mempunyai pola yang teratur, gelombang yang berinterferensi harus koheren, yaitu memiliki frekuensi dan amplitude yang sama serta selisih fasa yang tetap.
•
Pembagian Berkas Cahaya Terdapat dua metode yang banyak digunakan untuk memperoleh dua berkas cahaya dari satu sumber. Dua metode tersebut adalah pembagian muka gelombang dan pembagian amplitudo. Pembagian muka gelombang menggunakan celah untuk membagi gelombang utamanya menjadi dua berkas, seperti pada percobaan Young. Pada pembagian amplitude, dua berkas cahaya dengan porsi yang sama peroleh dari sumber aslinya menggunakan beam splitter (divider).
•
Interferometer Michelson – Morley Dalam interferometer Michelson, sinar laser dipecah oleh beam divider menjadi dua sinar koheren, yaitu satu berkas ditransmisikan horizontal menuju cermin (M2), dan s atu berkas lagi dipantulkan menuju cermin (M1). Kedua berkas cahaya dari cermin M1 dan M2 ini dipantulkan kembali dan bertemu lagi di beam divider, kemudian difokuskan oleh lensa sferis dan menghasilkan sebuah pola interferensi yang dapat diamati pada sebuah layar.
Gambar 1. Rangkaian Interferometer Michelson-Morley{1]
•
Interferometer Mach – Zehnder Rangkaian interferometer Mach-Zehnder (gambar 2) menggunakan 2 beam divider, untuk membagi gelombang cahaya, dan 2 cermin. Gelombang cahaya yang dibagi kemudian akan disatukan lagi pada beam divider 2 yang kemudian akan diteruskan ke lensa untuk difokuskan dan diperbesar. Aplikasi dari intyerferometer Mach Zehnder adalah untuk deteksi gempa seismic, aliran fluida, perpindahan kalor, dan distribusi panas dalam plasma [1]
Gambar 2. Rangkaian Interferometer Mach – Zehnder [1]
•
Prinsip Babinet Menurut prinsipBabinet, pola difraksi yang sama akan diperoleh apabila seberkas cahaya lewati celah sempit (dengan lebar d) diganti dengan komplemennya (memiliki ketebalan d).Prinsip ini dapat diaplikasikan dalam pengukuran objek yang sangat kecil. Pada percobaan ini, prinsip tersebut digunakan untuk mengkur ketebalan rambut. Pola gelap pada difraksi celah sempit dapat dituliskan dengan persamaan: =
(1)
dengan θ menyatakan sudut difraksi. Jika jarak layar ke celah difraksi adalah L, maka jarak antar terang pusat (untuk sudut difraksi kecil) adalah = Δ
(2)
4. Tugas Pendahuluan
1. 2. 3. 4.
Apa yang dimaksud dengan sumber cahaya koheren? Jelaskan tentang refleksi, refraksi, difraksi dan interferensi pada cahaya! Bagaimana cara memperoeh dua berkass cahaya dari satu sumber? Jelaskan! Apa yang dimaksud dengan Laser? Sebutkan dan jelaskan beberapa parameter yang dapat menunjukkan kualitas dari Laser! 5. Sebutkan bagian-bagian dari interferometer Michelson-Morley dan MachZehnder. Jelaskan masing-masing fungsinya! 6. Bagaimana interferometer menghasilkan pola interferensi? Apa yang menyebabkan pola interferensi? 7. Jelaskan prinsip Babinet! Mengapa pada pengukuran ketebalan rambut dapat menggunakan perhitungan difraksi celah sempit?
5. Langkah Percobaan •
Prosedur Keselamatan Laser He‐Ne adalah laser yang memiliki pancaran kontinu dan terlihat oleh mata. Laser ini hanya berdaya beberapa miliwatt, sehingga tidak diperlukan pelindung mata dan pakaian khusus. Daya laser tersebut terlalu lemah untuk membakar kulit namun dapat menyebabkan gangguan yang cukup serius terhadap retina. Oleh karena itu, jangan pernah membiarkan sinar laser kontak langsung dengan mata! Usahakan posisi mata tidak sejajar dengan lintasan sinar laser! Waspadai juga berbagai benda yang dapat memantulkan berkas sinar laser ke mata, misalkan cincin, gelang, jam tangan, dan lain-lain! Prosedur keselamatan ini berlaku untuk semua jenis laser. Jangan menyentuh permukaan alat optik (cermin dan beam divider) dengan kulit! Asam lemak manusia dapat menurunkan permukaan cermin secara permanen. Selain itu, menggosok atau mengelap dengan tissue kering dapat menggores permukaan cermin sehingga menimbulkan hamburan. Jika alat optik tidak digunakan, simpanlah dalam keadaan terjaga baik menggunakan penutup atau tempat penyimpanan yang tersedia.
•
Langkah Kerja Interferometer Michelson – Morley 1. Susunlah peralatan seperti rangkaian pada gambar 1. 2. Aktifkan laser dengan kunci yang tersedia kemudian tunggu hingga sinar laser terpancar. 3. Periksa apakah silinder laser horizontal dan sumbunya parallel terhadap lintasan sinar! 4. Atur kembali rangkaian alat sedemikian rupa sehingga sinar refleksi dari cermin M1 dan cermin M2 tepat bertemu di beam divider dan membentuk satu lintasan keluaran. 5. Letakkan lensa sferis tepat pada lintasan keluaran (output O). Amati pola interferensi yang terjadi pada layar, dokumentasikan. 6. Matikan laser jika percobaan telah selesai.
Interferometer Mach – Zehnder 1. Rangkai peralatan sesuai dengan gambar 2 2. Aktifkan laser dan tunggu sekitar 3 detik hingga sinar terpancar 3. Pastikan posisi ketinggian laser, beam divider, cermin, dan juga lensa sejajar, sehingga seluruh sinar tidak ada yang terbuang. 4. Atur kembali seluruh alat sehingga dihasilkan jalur sinar yang sesuai dengan gambar 2 5. Perhatikan pola yang terjadi pada layar kemudian dokumentasikan 6. Matikan kembali laser He‐Ne jika percobaan telah selesai. Difraksi dengan Prinsip Babinet 1. Siapkan sehelai rambut kemudian tempatkan secara vertikal pada bangku optik! 2. Aktifkan laser dengan kunci yang tersedia kemudian tunggu sekitar tiga detik hingga l aser terpancar. 3. Posisikan sinar laser hingga tepat mengenai rambut. 4. Letakkan layar di depan bangku optik untuk menangkap hasil difraksi. 5. Ambil gambar hasil difraksi menggunakan kamera. 6. Variasikan jarak antara layar dengan bangku optik. 7. Perjelas pola difraksi menggunakan pulpen atau pensil. 8. Ukur jarak antargelap untuk 4 gelap pertama kekiri dan kekanan. 6. Data dan Pengolahan Data a. Gambarkan pola interferensi yang terjadi untuk percobaan Michelson Morley dan Mach Zehnder yang dilakukan. Berikan penjelasan tentang pola interferensi yang terjadi (lingkaran, garis, atau mungkin tidak ada pola sama sekali). Bandingkan dengan referensi! b. Buatlah tabel pengolahan data dan grafik jarak layar (L) dan jarak antar gelapnya dari terang pusat (∆ )! Tentukan besar ketebalan rambut dan ketelitiannya! Bandingkan dengan referensi ketebalan rambut manusia.
7. Analisis
1. Mengapa terjadi pola terang gelap? 2. Apakah yang dimaksud dengan koherensi dan apa efeknya terhadap interferometer? 3. Bandingkan hasil pola interferensi untuk interferometer Michelson-Morley dan Mach-Zehnder. Jelaskan! mengapa berbeda? 4. Mengapa pola interferensi Michelson Morley yang diperoleh berupa garis lurus tidak berbentuk pola lingkaran? 5. Apakah beda fasa gelombang mempengaruhi hasil pola interferensi? Jika ya, faktor apa saja yang mengakibatkan adanya berbedaan fasa? 6. Mengapa pada layar untuk pantulan laser cermin terlihat tidak hanya satu titik? 7. Mengapa pola interferensi pada konfigurasi Michelson-Morley dan MachZehnder terlihat seolah-olah berjalan?
8. Mengapa terdapat garis-garis tipis pada pola difraksi rambut? (tergantung percobaan) 8. Referensi [1] Hariharan, P. (2007). Basics of Interferometry, Second Edition. Elsevier. 9. Mata kuliah yang terkait a. FI 1201 Fisika Dasar IIA b. FI 2204 Fisika Modern
c. FI 3101 Fisika Gelombang
