Analisis Pola Interferensi Pada Interferometer Michelson

Analisis Pola Interferensi Pada Interferometer Michelson untuk Menentukan Panjang Gelombang Sumber Cahaya

Masroatul Falah Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Diponegoro

ABSTRACT

An interferometer Michelson method is used to determine wavelength of diode laser.
Before used to determine wavelength of diode laser, have been done calibration by shifting micrometer using He-Ne laser. By shifting movable mirror, the interference fringes will appear fringes on screen which is can determine wavelength of diode laser.
From the result calibration, one scala of micrometer
has (0,9963 ± 0,0030)µm skala . The wavelength of red diode laser I is (648 ± 2) nm, red diode laser II is (645 ± 2) nm, and green diode laser is (543 ± 6) nm. Fringes form laser which has a large wavelength getting fewer than
laser with a small wavelength.

Keyword : Interferometer Michelson, Interference, Wavelength.

PENDAHULUAN Fenomena interferensi selalu berkaitan
dengan teori gelombang cahaya. Pada hakekatnya cahaya mempunyai besaran amplitudo, panjang gelombang, fase serta kecepatan. Apabila cahaya melewati suatu medium maka kecepatannya akan mengalami perubahan. Jika perubahan tersebut diukur, maka dapat di peroleh informasi tentang keadaan objek/medium yang bersangkutan misal indeks bias, tebal medium dari bahan yang dilewatinya dan panjang gelombang sumbernya.

Pengukuran panjang gelombang cahaya dapat dilakukan dengan cara interferensi. Untuk mendapatkan pola interferensi ada berbagai metode, antara lain dengan interforemeter Michelson, interferometer Fabry Perot dan interferometer Twymen Green. Interferometer yang dikembangkan oleh A.A. Michelson pada tahun 1881 menggunakan prinsip membagi amplitudo gelombang cahaya menjadi dua bagian yang berintensitas sama. Pembelahan amplitudo gelombang

menjadi dua bagian dilakukan dengan menggunakan pemecah sinar (beam splitter). Pola interferensi yang terbentuk pada interferometer Michelson lebih tajam, lebih jelas dan jarak antar frinjinya lebih sempit dibanding interferometer yang lain, baik interferometer Fabry Perot maupun Twymen Green (Resnick, 1999).
Dalam penelitian ini yang diamati adalah perubahan pola dan jumlah frinji interferensi pada Interferometer Michelson, sehingga dari perubahan pola frinji tersebut dapat dihitung nilai panjang gelombang laser dioda merah dan laser dioda hijau.
Manfaat dari penelitian ini dapat menambah wawasan mengenai fenomena fisis dari interferensi dan prinsip kerja interferometer Michelson, sebagai kalibrasi alat optis dan sebagai dasar dalam pembuatan spektrometer. Untuk aplikasi lebih lanjut dapat diterapkan pada teknologi film tipis.
DASAR TEORI 1. Interferensi
Interferensi dan difraksi merupakan fenomena penting yang membedakan gelombang dari partikel. Interferensi ialah penggabungan secara superposisi dua gelombang atau lebih yang bertemu dalam satu titik di ruang. Sedangkan difraksi adalah pembelokan gelombang di sekitar sudut yang terjadi apabila sebagian muka

gelombang dipotong oleh halangan atau rintangan (Tipler, 1991).
Apabila dua gelombang yang berfrekuensi dan berpanjang gelombang sama tapi berbeda fase bergabung, maka gelombang yang dihasilkan merupakan gelombang yang amplitudonya tergantung pada perbedaan fasenya. Jika perbedaan fasenya 0 atau bilangan bulat kelipatan 360°, maka gelombang akan sefase dan berinterferensi secara saling menguatkan (interferensi konstruktif). Sedangkan amplitudonya sama dengan penjumlahan amplitudo masing-masing gelombang. Jika perbedaan fasenya 180° atau bilangan ganjil kali 180°, maka gelombang yang dihasilkan akan berbeda fase dan berinterferensi secara saling melemahkan (interferensi destruktif). Amplitudo yang dihasilkan merupakan perbedaan amplitudo masing-masing gelombang (Tipler, 1991).
Perbedaan fase antara dua gelombang sering disebabkan oleh adanya perbedaan panjang lintasan yang ditempuh oleh kedua gelombang. Perbedaan lintasan satu panjang gelombang menghasilkan perbedaan fase 360o, yang ekivalen dengan tidak ada perbedaan fase sama sekali. Perbedaan lintasan setengah panjang gelombang menghasilkan perbedaan fase 180o. Umumnya, perbedaan lintasan yang sama

dengan ∆d menyumbang suatu perbedaan

fase δ yang diberikan oleh (Tipler, 1991):

δ = ∆d 2π = ∆d 360o

(2.1)

λ

λ

Interferensi gelombang dari dua

sumber tidak teramati kecuali sumbernya

koheren, atau perbedaan fase di antara

gelombang konstan terhadap waktu. Karena

berkas cahaya pada umumnya adalah hasil

dari jutaan atom yang memancar secara

bebas, dua sumber cahaya biasanya tidak

koheren (Laud, 1988). Koherensi dalam

optika sering dicapai dengan membagi

cahaya dari sumber tunggal menjadi dua

berkas atau lebih, yang kemudian dapat

digabungkan untuk menghasilkan pola

interferensi. Pembagian ini dapat dicapai

dengan memantulkan cahaya dari dua

permukaan yang terpisah (Tipler, 1991).

Suatu alat yang dirancang untuk

menghasilkan pola interferensi dari

perbedaan panjang lintasan disebut

interferometer optik. Interferometer

dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu

interferometer pembagi muka gelombang

dan interferometer pembagi amplitudo. Pada

pembagi muka gelombang, muka

gelombang pada berkas cahaya pertama di

bagi menjadi dua, sehingga menghasilkan

dua buah berkas sinar baru yang koheren,

dan ketika jatuh di layar akan membentuk

pola interferensi yang berwujud garis gelap

terang berselang-seling. Di tempat garis

terang, gelombang-gelombang dari kedua

celah sefase sewaktu tiba di tempat

tersebut. Sebaliknya di tempat garis (2.1)
gelap, gelombang-gelombang dari kedua

celah berlawanan fase sewaktu tiba di

tempat tersebut (Soedojo, 1992).

Untuk pembagi amplitudo,

diumpamakan sebuah gelombang cahaya

jatuh pada suatu lempeng kaca yang tipis.

Sebagian dari gelombang akan diteruskan

dan sebagian lainnya akan dipantulkan.

Kedua gelombang tersebut tentu saja

mempunyai amplitudo yang lebih kecil

dari gelombang sebelumnya. Ini dapat

dikatakan bahwa amplitudo telah terbagi.

Jika dua gelombang tersebut bisa

disatukan kembali pada sebuah layar

maka akan dihasilkan pola interferensi

(Hecht, 1992).

2.2. Interferometer Michelson

Interferometer

Michelson

merupakan seperangkat peralatan yang

memanfaatkan gejala interferensi. Prinsip

interferensi adalah kenyataan bahwa beda

lintasan optik (d) akan membentuk suatu

frinji (Resnick, 1993). Gambar dibawah

merupakan

diagram

skematik

interferometer Michelson. Oleh

permukaan beam splitter (pembagi

berkas) cahaya laser, sebagian

dipantulkan ke kanan dan sisanya

ditransmisikan ke atas. Bagian yang

dipantulkan ke kanan oleh suatu cermin

datar (cermin 1) akan dipantulkan kembali ke beam splitter yang kemudian menuju ke screen (layar). Adapun bagian yang ditransmisikan ke atas oleh cermin datar (cermin 2) juga akan dipantulkan kembali ke beam splitter, kemudian bersatu dengan cahaya dari cermin 1 menuju layar, sehingga kedua sinar akan berinterferensi yang ditunjukkan dengan adanya pola-pola cincin gelap-terang (frinji) (Soedojo, 1992).
1
lensa
Beam splitter

2 4

3
Gambar 2.1 Skema Interferometer Michelson dengan

1. laser, 2. cermin 1, 3. cermin 2, 4. layar

Pengukuran jarak yang tepat dapat

diperoleh dengan menggerakan cermin pada

Interferometer Michelson dan menghitung

frinji interferensi yang bergerak atau

berpindah, dengan acuan suatu titik pusat.

Sehingga diperoleh jarak pergeseran yang

berhubungan dengan perubahan frinji,

sebesar:

∆d = ∆Nλ 2

(2.2)

dengan ∆d adalah perubahan lintasan

optis, λ adalah nilai panjang gelombang

sumber cahaya dan ∆N adalah perubahan jumlah frinji (Phywe,2006). 2.3. Spektrum Atomik
Telah ditemukan bahwa zat mampat (zat padat dan zat cair) pada setiap temperatur memancarkan radiasi dengan berbagai panjang gelombang, walaupun dengan intensitas yang berbeda-beda. Jika gas atomik atau uap yang bertekanan sedikit di bawah tekanan atmosfer, radiasi yang dipancarkan mempunyai spektrum yang berisi hanya panjang gelombang tertentu saja. Susunan ideal untuk mengamati spektrum atomik seperti itu digunakan spektrometer yang memakai kisi difraksi (Beiser, 1992).
Menurut Sears (1972), jika sumber cahaya adalah zat padat atau zat cair yang berpijar maka spektrumnya adalah kontinu, yaitu cahaya yang terdiri dari semua panjang gelombang. Tetapi jika sumber adalah gas yang didalamnya terjadi pelepasan muatan listrik atau sebuah nyala api maka spektrum yang muncul bukanlah sebuah pita warna kontinu tetapi hanya beberapa warna dalam bentuk garis-garis sejajar yang terisolasi. Spektrum semacam ini dikatakan sebagai spektrum garis.
Jangkauan spektrum cahaya tampak pada panjang gelombangnya adalah dari 380nm (dalam daerah warna

ungu) sampai dengan 760nm (dalam daerah

warna merah). Aproksimasi jangkauan

panjang gelombang untuk berbagai warna

dalam jangkauan cahaya tampak

ditunjukkan dalam tabel 2.1.

Tabel 2.1. Jangkauan panjang gelombang

berbagai warna dalam spektrum

cahaya tampak (Miller dan Schrocer,

1987)

Warna

Jangkauan panjang

gelombang (nm)

Ungu

380 – 450

Biru

450 – 490

Hijau

490 – 560

Kuning

560 – 590

Jingga

590 – 630

Merah

630 – 760

METODE PENELITIAN Langkah pertama yang harus dilakukan
dalam penelitian ini adalah mengkalibrasi interferometer Michelson dengan cara mengatur posisi laser, beam splitter, kedua cermin dan lensa agar sinar laser yang melewati semua peralatan tersebut tepat segaris. Kemudian mencari pola interferensi dengan cara menggeser-geser salah satu cermin sampai dihasilkan pola gelap terang (frinji) pada layar.
Kalibrasi mikrometer ini bertujuan untuk menentukan nilai 1 skala mikrometer (d) pada alat belum tentu sama dengan pergeseran cermin (movable mirror) sebesar 1 µm . Kalibrasi mikrometer dilakukan dengan menggeser movable mirror tiap 1µm, hingga mencapai 25 pergeseran skala

mikrometer. Akibat pergeseran skala

mikrometer maka pada layar akan

nampak perubahan jumlah frinji.

Sehingga dari transisi frinji yang

terhitung dapat ditentukan nilai tiap skala

mikrometer dengan menganggap nilai

panjang gelombang laser He-Ne adalah

632,8nm

Adanya perbedaan frekuensi

sumber menyebabkan nilai panjang

gelombang yang dihasilkan berbeda,

maka dengan prinsip interferometer

Michelson ini nilai panjang gelombang

laser dioda merah dan laser dioda hijau

dapat diukur. Untuk menentukan nilai

panjang gelombang (λ ) laser dioda merah

dan laser dioda hijau, dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan:

λ = 2∆d . Yaitu dengan cara, ∆N

menggeser movable mirror sehingga

panjang lintasan optis ikut bergeser

sejauh ∆d. Akibat pergeseran tersebut

maka pada layar akan tampak perubahan

jumlah frinji (frinji masuk ke pusat

interferensi) sebesar ∆N dan akhirnya

dapat diperoleh nilai λ. Pergeseran

dilakukan tiap 1 skala mikrometer.

Variabel yang digunakan dalam

penelitian ini adalah ∆d (perubahan

lintasan optis), d (beda lintasan optis),

∆N (perubahan frinji), N (jumlah

perubahan frinji),

λ0 (panjang

gelombang laser He-Ne pada referensi = 632,8nm).
Diagram alat Interferometer Michelson yang digunakan dalam percobaan ditunjukan pada gambar di bawah ini:
1
2 5
7 3
6 4
8
Gambar 3.2 diagram alat percobaan Interferometer Michelson dengan keterangan gambar (1)Laser (2)lensa cembung (3)cermin tetap (4)cermin yang dapat digerakkan (5)beam splliter (6)layar (7)kamera digital (8)komputer
HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Kalibrasi Mikrometer
Kalibrasi mikrometer dilakukan dengan menggeser movable mirror tiap 1 µm, hingga mencapai 25 pergeseran skala mikrometer. Penentuan satu skala mikrometer pada Interferometer Michelson, diperoleh dengan menganggap nilai panjang gelombang laser He-Ne adalah tepat 632,8 nm (sesuai referensi), dengan persamaan (2.2) maka dapat dihitung nilai tiap satu skala mikrometer.
Prinsip dari percobaan interferometer Michelson yang telah dilakukan, yaitu

seberkas cahaya monokromatik yang dipisahkan di suatu titik tertentu sehingga masing-masing berkas dibuat melewati dua panjang lintasan yang berbeda, dan kemudian disatukan kembali melalui pantulan dari dua cermin yang letaknya saling tegak lurus dengan titik pembagi berkas tersebut. Setelah berkas cahaya monokromatik tersebut disatukan maka akan didapat pola interferensi akibat penggabungan dua gelombang cahaya tersebut. Pola interferensi itu terjadi karena adanya perbedaan panjang lintasan yang ditempuh dua berkas gelombang cahaya yang telah disatukan tersebut.
Jika panjang lintasan dirubah dengan diperpanjang maka yang akan terjadi adalah pola-pola frinji akan masuk ke pusat pola. Jarak lintasan yang lebih panjang akan mempengaruhi fase gelombang yang jatuh ke layar. Bila pergeseran beda panjang lintasan gelombang cahaya mencapai λ maka akan terjadi interferensi konstruktif yaitu terlihat pola terang, namun bila pergeserannya hanya sejauh λ/4 yang sama artinya dengan berkas menempuh lintasan λ/2 maka akan terlihat pola gelap.
Pada gambar 4.1. ditunjukkan bentuk pola interferensi dari percobaan

interferometer Michelson dengan sumber Laser He-Ne.

Gambar 4.1 Pola Interferensi Interferometer Michelson dengan sumber Laser He-Ne
Hasil kalibrasi interferometer Michelson dapat dilihat pada gambar 4.2. Dari pergeseran pola diperoleh hasil grafik hubungan antara pergeseran cermin terhadap perubahan skala mikrometer.

jumlah pergeseran skala mikrometer

30

25

20

15

10

5

0

0

5

10

15

20

25

30

skala pergeseran mikrometer (d)

Gambar 4.2. Grafik hubungan antara pergeseran dan jumlah nilai skala pada mikrometer.

Grafik kalibrasi mikrometer yang

diperoleh merupakan grafik linier

y = 0,1099 + 0,9963 x dengan nilai slope

adalah (0,9963 ± 0,0030)µm skala dengan x

adalah skala pergeseran mikrometer (d) dan

y adalah jumlah pergeseran skala

mikrometer. Ini berarti bahwa nilai satu

skala mikrometer sama dengan pergeseran

movable

mirror

sejauh

(0,9963 ± 0,0030)µm skala .

Nilai

pergeseran pada skala mikrometer yang diperoleh ternyata tidak tepat 1µm, hal ini dikarenakan kecenderungan mikrometer yang mengalami kelenturan setelah diputar hingga batas tertentu.
Hasil dari kalibrasi mikrometer tersebut kemudian digunakan sebagai nilai patokan untuk perhitungan selanjutnya yaitu penentuan nilai panjang gelombang laser dioda. 2. Penentuan Nilai Panjang Gelombang Laser Dioda
Pada penelitian kali ini, Laser yang digunakan adalah laser dioda merah I dengan panjang gelombang 650nm, laser dioda merah II dengan panjang gelombang 635nm~670nm dan laser dioda hijau. Metode yang digunakan adalah interferometer Michelson. Untuk
menentukan nilai panjang gelombang (λ )
laser dioda merah dan laser dioda hijau, dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.2) yaitu dengan menghitung perubahan frinji akibat adanya pergeseran lintasan optis pada berkas laser yang berinterferensi.
Dengan mengetahui perubahan frinji untuk tiap pergeseran skala mikrometer, maka dapat diperoleh grafik hubungan jumlah pergeseran frinji terhadap pergeseran skala seperti pada gambar berikut

jumlah perubahan frinji (N)

100 80 60 40 20 0 0

5

10

15

20

25

30

pergeseran skala mikrometer (d)

(a)

100 80 60 40 20 0 0

5

10

15

20

25

30

pergeseran skala mikrometer (d)

(b)

jumlah perubahan frinji (N)

jumlah perubahan frinji (N)

100 80 60 40 20 0 0

5

10

15

20

25

30

pergeseran skala mikrometer (d)

(c)
Gambar.4.3.(a) Grafik Pengukuran panjang gelombang Laser dioda merah I (650nm) (b) Grafik Pengukuran panjang gelombang Laser Dioda merah II (635nm ~ 670nm) (c) Grafik Pengukuran panjang gelombang laser dioda
hijau.
Gambar grafik 4.3. menunjukan
bahwa perubahan jumlah frinji linier
terhadap pergeseran lintasan optis yang
dilalui oleh berkas cahaya laser dioda. Dan
dari nilai kemiringan grafik, dapat
ditentukan nilai panjang gelombang laser

dioda merah I, laser dioda merah II dan laser dioda hijau. Nilai panjang gelombang yang diperoleh pada penelitian ini dapat dilihat pada tabel 4.1

Tabel 4.1 Nilai panjang gelombang yang diperoleh pada penelitian

No

Data

Panjang gelombang 1
laser dioda merah I

Panjang gelombang 2
laser dioda merah II

Panjang gelombang 3
laser dioda hijau

Hasil λ = (648 ± 2)
nm λ = (645 ± 2)
nm λ = (543 ± 6)
nm

Dari grafik pengukuran nilai panjang gelombang laser dioda secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa, bila salah satu lintasan optis dari kedua berkas lintasan mengalami pergeseran, walaupun dalam orde beberapa mikro, maka akan terjadi pergeseran gelombang cahaya monokromatik sumber tersebut. Hal ini berpengaruh pada pola frinji yang dihasilkan, sehingga pada layar akan nampak pergerakan frinji (transisi frinji) dengan arah masuk pusat pola interferensi jika lintasan optisnya dibuat lebih panjang.
Jika dibandingkan dengan penelitian sebelumnya, maka hasil penelitian kali ini tidak berbeda jauh dengan hasil yang diperoleh pada penelitian Oktavia (2006). Pada

penelitian Oktavia, nilai satu skala mikrometer yang diperoleh adalah
(0,9902± 0,0016)µm, panjang gelombang
laser dioda merah yang terukur adalah
λ = (660,5 ±1,6)nm dan laser dioda hijau adalah λ = (530,5 ± 2,7)nm. Hal ini
membuktikan bahwa dalam waktu yang lama, alat yang digunakan masih dapat bekerja dengan baik. Dari hasil kalibrasi juga dapat membuktikan bahwa alat interferometer Michelson ini masih layak dipakai pada penelitian saat ini. 3. Analisis Pola Interferensi
Penelitian interferometer Michelson dengan berbagai sumber cahaya menghasilkan pola interferensi yang tajam, jelas dan jarak antar pola frinjinya lebih sempit. Pola interferensi untuk berbagai sumber cahaya yang dihasilkan dari penelitian ini dapat dilihat pada gambar 4.4.

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 4.4. Pola interefensi (a) dengan sumber laser He-Ne (b) sumber laser dioda merah I (c) sumber laser dioda merah II dan (d) sumber laser
dioda hijau.

Pada gambar 4.4 dapat dilihat bahwa pola interferensi yang dihasilkan oleh laser He-Ne (a) mempunyai pola interferensi berupa lingkaran yang membentuk cincin interferensi dan memiliki pusat pola ditengah cincin yang lebih tajam dibandingkan dengan laser dioda merah dan laser dioda hijau. Ketika sumber berupa laser dioda merah (b) dan (c) pola interferensi gelap dan terangnya terpisah dengan jelas dan bisa di amati dengan baik sehingga jarak antar frinji gelap maupun terangya dapat di ukur. Sedangkan untuk pola interferensi yang di bentuk oleh laser dioda hijau, pola yang di peroleh lebih rapat dan tajam dari pola interferensi pada sumber laser dioda merah. Hal ini disebabkan karena panjang gelombang laser dioda hijau lebih pendek. Hal ini sesuai dengan yang dinyatakan oleh Soedojo (1992) semakin pendek panjang gelombang suatu sumber cahaya, maka semakin pendek pula jarak pemisahan antara pola-pola terang yang terjadi.
Berikut adalah gambar dari lebar interferensi gelap terang yang terjadi pada masing-masing laser dalam kondisi yang sama, yaitu jarak laser ke lensa 7cm, jarak beam splitter ke layar 53 cm dan skala mikrometer menunjukkan nilai 3µm

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 4.5. lebar interferensi (a) dengan

sumber laser He-Ne, (b) sumber laser dioda

merah I (c) sumber laser dioda merah II dan (d)

sumber laser dioda hijau.

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa pola interferensi yang terbentuk untuk laser yang panjang gelombangnya besar memiliki jumlah frinji yang lebih sedikit dibanding pada laser dengan panjang gelombang yang lebih kecil. Dapat dilihat pada laser He-Ne (a) bahwa jumlah frinji yang terbentuk lebih sedikit dibandingkan dengan laser merah I dan II. Lebar frinji terang yang terbentuk lebih lebar dan lebih tajam dibanding dengan laser dioda merah dan laser dioda hijau. Untuk laser dioda merah I (b) jarak antar pola terang pertama dengan pola terang kedua adalah lebih lebar dan jumlah frinji yang terbentuk pada layar juga lebih sedikit dibanding dengan laser dioda merah II. Pada gambar (c) tampak bahwa jarak antar frinjinya lebih sempit dan jumlah frinji yang terbentuk lebih banyak dibanding dengan laser dioda merah I.

Sedangkan untuk laser dioda hijau (d), pola interferensinya tampak berhimpit dan frinji yang terbentuk pada layar lebih banyak dibandingkan dengan laser yang lainnya.
Banyak atau sedikitnya jumlah frinji yang terbentuk tergantung pada beda lintasan optik antara kedua cahaya yang saling berinterferensi. Semakin besar beda lintasan optik antara kedua cahaya akan menyebabkan pola-pola interferensi (frinji) semakin banyak. Demikian pula sebaliknya semakin kecil beda lintasan optik akan mengakibatkan jumlah frinji semakin sedikit. Hal ini sesuai dengan yang dinyatakan Soedojo (1992) bahwa banyak atau sedikitnya jumlah frinji yang terbentuk tergantung pada beda lintasan optik antara kedua cahaya yang saling berinterferensi.
KESIMPULAN Dari kalibrasi mikrometer dengan
menggunakan laser He-Ne diperoleh nilai satu skala mikrometer adalah
(0,9963 ± 0,0030)µm skala .Dari hasil
penelitian diperoleh hasil perhitungan panjang gelombang dari sumber laser dioda merah I λ = (648 ± 2) nm, laser dioda merah II λ = (645 ± 2) nm dan laser dioda hijau λ = (543 ± 6) nm. Pola interferensi yang terbentuk untuk laser