Polarisasi: Pengertian, Jenis, Kegunaan

Kacamata hitam polarisasi sudah biasa bagi kebanyakan dari kita. Mereka memiliki kemampuan khusus untuk memotong cahaya yang dipantulkan dari air atau kaca (Gambar 1.8.1). Mereka memiliki kemampuan ini karena karakteristik gelombang cahaya yang disebut polarisasi. Apa itu polarisasi? Bagaimana cara diproduksi? Apa saja kegunaannya? Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini terkait dengan sifat gelombang cahaya.

Pengertian Polarisasi

Polarisasi adalah tindakan atau proses yang mempengaruhi radiasi dan terutama cahaya sehingga getaran gelombang mengambil bentuk yang pasti.

Polarisasi merupakan sifat gelombang yang dapat berosilasi dengan lebih dari satu orientasi. Gelombang cahaya yang bergetar di lebih dari satu bidang disebut sebagai cahaya yang tidak terpolarisasi.

Proses mengubah cahaya yang tidak terpolarisasi menjadi cahaya terpolarisasi dikenal sebagai polarisasi cahaya.

Jenis Polarisasi

Tergantung pada orientasi medan listrik, cahaya terpolarisasi dapat dibagi menjadi tiga jenis –

  • Polarisasi linier.
  • Polarisasi melingkar.
  • Polarisasi elips.

Polarisasi linier– Ketika cahaya biasa (tidak terpolarisasi) dipantulkan dari permukaan yang dipoles atau ditransmisi melalui bahan-bahan tertentu, vektor medan listrik berosilasi di sepanjang garis lurus dalam satu bidang, dan cahaya dikatakan terpolarisasi linier.

Polarisasi melingkar– Medan listrik cahaya terdiri dari dua komponen linier yang saling tegak lurus, sama dalam amplitudo, tetapi memiliki perbedaan fasa π / 2. Medan listrik yang dihasilkan berputar dalam lingkaran di sekitar arah propagasi dan, tergantung pada arah rotasi, disebut cahaya terpolarisasi sirkuler kiri atau kanan.

Polarisasi elips – Medan listrik cahaya menggambarkan elips. Ini hasil dari kombinasi dua komponen linier dengan amplitudo yang berbeda atau perbedaan fasa yang tidak π / 2. Ini adalah deskripsi paling umum dari cahaya terpolarisasi, dan cahaya terpolarisasi melingkar dan linier dapat dipandang sebagai kasus khusus dari cahaya terpolarisasi elips.

Gambar di bawah memiliki dua foto bagian sungai yang sama. Pada gambar a, awan dan langit dipantulkan di dalam air, sehingga sulit untuk melihat batu-batu di dasar sungai. Pada Gambar b, pantulan langit tidak ada dan dasar sungai dapat terlihat lebih jelas.

Gambar 1.8.1: Dua foto sungai ini menunjukkan efek filter polarisasi dalam mengurangi silau cahaya yang dipantulkan dari permukaan air. Bagian (b) dari gambar ini diambil dengan filter polarisasi dan bagian (a) tidak. Akibatnya, pantulan awan dan langit yang diamati di bagian (a) tidak teramati di bagian (b). Kacamata hitam polarisasi sangat berguna di salju dan air.

Hukum Malus

Cahaya adalah salah satu jenis gelombang elektromagnetik (EM). Gelombang EM adalah gelombang transversal yang terdiri dari berbagai medan listrik dan medan magnet yang berosilasi tegak lurus dengan arah rambat (Gambar 1.8.2). Namun, secara umum, tidak ada arah spesifik untuk osilasi medan listrik dan magnet; mereka bergetar dalam bidang berorientasi acak yang tegak lurus terhadap arah propagasi.

Polarisasi adalah atribut bahwa osilasi gelombang memang memiliki arah yang pasti relatif terhadap arah propagasi gelombang. (Ini bukan jenis polarisasi yang sama seperti yang dibahas untuk pemisahan muatan.) Gelombang yang memiliki arah seperti itu dikatakan terpolarisasi. Untuk gelombang EM, kita mendefinisikan arah polarisasi menjadi arah yang sejajar dengan medan listrik. Dengan demikian, kita dapat menganggap panah medan listrik menunjukkan arah polarisasi, seperti pada Gambar 1.8.2.

Gambar 1.8.2: Gelombang EM, seperti cahaya, adalah gelombang transversal. Listrik E → dan magnet B → bidang tegak lurus terhadap arah propagasi. Arah polarisasi gelombang adalah arah medan listrik.

Bagian dari gelombang elektromagnetik yang bergerak dengan kecepatan c ditunjukkan pada satu saat secara instan. Dua komponen vektor, E dan B, diperlihatkan dan tegak lurus satu sama lain dan ke arah rambat. Vektor yang mewakili besar dan arah E, ditampilkan sebagai panah yang ekornya terletak pada garis rambat gelombang, membentuk gelombang sinus dalam satu bidang. Demikian pula, vektor B membentuk gelombang sinus pada bidang yang tegak lurus terhadap gelombang E. Gelombang E dan B berada dalam fase. Arah polarisasi diberikan oleh arah vektor E.

Untuk memeriksanya lebih lanjut, perhatikan gelombang transversal dalam tali yang ditunjukkan pada Gambar 1.8.3. Osilasi dalam satu tali berada dalam bidang vertikal dan dikatakan terpolarisasi vertikal. Mereka yang di tali lain berada di bidang horizontal dan terpolarisasi horizontal. Jika celah vertikal ditempatkan pada tali pertama, gelombang akan lewat. Namun, celah vertikal menghalangi gelombang terpolarisasi horizontal. Untuk gelombang EM, arah medan listrik analog dengan gangguan pada tali.

Gambar 1.8.3: Osilasi transversal dalam satu tali (a) berada pada bidang vertikal, dan pada tali lainnya (b) berada pada bidang horizontal. Yang pertama dikatakan terpolarisasi vertikal, dan yang lainnya dikatakan terpolarisasi horizontal. Celah vertikal melewati gelombang terpolarisasi vertikal dan memblokir gelombang terpolarisasi horizontal.

Matahari dan banyak sumber cahaya lainnya menghasilkan gelombang yang memiliki medan listrik dalam arah acak (Gambar 1.8.1a). Cahaya seperti itu dikatakan tidak terpolarisasi, karena tersusun dari banyak gelombang dengan segala kemungkinan arah polarisasi.

Bahan polaroid — yang ditemukan oleh pendiri Korporasi Polaroid, Edwin Land — bertindak sebagai celah polarisasi cahaya, yang hanya memungkinkan polarisasi dalam satu arah untuk dilewati. Filter polarisasi terdiri dari molekul panjang yang disejajarkan dalam satu arah. Jika kita menganggap molekul sebagai banyak celah, analog dengan yang ada pada tali berosilasi, kita dapat memahami mengapa hanya cahaya dengan polarisasi tertentu yang bisa melewatinya. Sumbu filter polarisasi adalah arah di mana filter melewati medan listrik dari gelombang EM.

Gambar a menunjukkan panah biru ramping yang menunjuk keluar dari halaman dan ke kanan yang diberi label arah sinar. Delapan panah merah berasal dari suatu titik pada sinar dan diberi label sebagai vektor E. Panah-panah ini semuanya berada dalam bidang yang tegak lurus terhadap sinar dan didistribusikan secara seragam di sekitar sinar. Mereka diberi label sebagai mewakili polarisasi acak.

Pada Gambar b, sinar yang serupa tetapi lebih panjang ditunjukkan dengan panah merah yang sama yang berasal dari titik dekat ujung kiri sinar. Lebih jauh ke kanan pada sinar yang sama adalah persegi panjang tipis dengan enam celah vertikal yang berjarak sama. Kotak ini diberi label filter polarisasi. Panah berkepala dua vertikal pada permukaannya diberi label sumbu. Di sebelah kanan filter, berpusat pada sinar, adalah panah biru tunggal berkepala dua yang diorientasikan secara vertikal yang diberi label E dan arah polarisasi.

Gambar 1.8.4: Panah ramping mewakili sinar cahaya yang tidak terpolarisasi. Panah tebal mewakili arah polarisasi gelombang individu yang menyusun sinar. (a) Jika cahayanya tidak terpolarisasi, panah menunjuk ke segala arah. (B) Filter polarisasi memiliki sumbu polarisasi yang bertindak sebagai celah melewati medan listrik sejajar dengan arahnya. Arah polarisasi gelombang EM didefinisikan sebagai arah medan listriknya.

Gambar 1.8.5: Menunjukkan efek dari dua filter polarisasi pada cahaya yang awalnya tidak terpolarisasi. Filter pertama mempolarisasi cahaya di sepanjang sumbunya. Ketika sumbu filter pertama dan kedua disejajarkan (paralel), maka semua lampu terpolarisasi yang melewati filter pertama juga dilewati oleh filter kedua. Jika filter polarisasi kedua diputar, hanya komponen cahaya yang sejajar dengan sumbu filter kedua dilewatkan. Ketika sumbu tegak lurus, tidak ada cahaya yang dilewatkan oleh filter kedua.

Gambar ini menunjukkan tiga ilustrasi cahaya terpolarisasi acak yang melewati dua filter polarisasi, satu demi satu, dalam berbagai orientasi. Pada gambar a, kedua filter memiliki sumbu yang berorientasi paralel satu sama lain, pada b sumbu filter kedua berada pada sudut tengah, antara nol dan sembilan puluh derajat, ke yang pertama, dan di c sumbu filter kedua adalah tegak lurus ke yang pertama.

Gambar d adalah foto hasil aktual pengaturan pertama (paralel) dan terakhir (tegak lurus). Dalam semua pengaturan, sumber cahaya terpolarisasi secara acak, ditunjukkan oleh panah vektor E yang menunjuk ke setiap arah dalam bidang yang tegak lurus dengan arah rambat sinar.

Dalam semua pengaturan, cahaya yang melewati filter pertama, yang porosnya berorientasi secara vertikal, terpolarisasi vertikal, ditunjukkan oleh panah vektor E yang hanya mengarah vertikal ke atas dan ke bawah. Pada gambar a, semua cahaya terpolarisasi dilewatkan oleh filter polarisasi kedua, yang porosnya sejajar dengan yang pertama, dan masih terpolarisasi vertikal. Pada gambar b, hanya sebagian dari cahaya yang dilewatkan oleh filter polarisasi kedua, yang porosnya dimiringkan relatif terhadap yang pertama.

Cahaya yang melewati filter kedua terpolarisasi sesuai arah sumbu filter kedua, dan besarnya E berkurang. Pada Gambar c, di mana sumbu filter saling tegak lurus, tidak ada cahaya yang melewati filter kedua. Gambar c menunjukkan foto tiga filter optik melingkar yang ditempatkan di atas pola warna-warni yang cerah. Dua dari filter ini ditempatkan bersebelahan dan yang ketiga ditempatkan di atas dua lainnya sehingga pusat yang ketiga adalah pada titik di mana tepi kedua filter di bawah sentuhan. Beberapa cahaya melewati di mana filter atas tumpang tindih dengan filter bawah di sebelah kiri. Tidak ada cahaya yang melewati di mana filter atas tumpang tindih dengan filter bawah kanan.

Hanya komponen gelombang EM yang sejajar dengan sumbu filter yang dilewati. Mari kita sebut sudut antara arah polarisasi dan sumbu filter θ. Jika medan listrik memiliki amplitudo E, maka bagian gelombang yang ditransmisikan memiliki amplitudo Ecosθ
(Gambar 1.8.6). Karena intensitas gelombang sebanding dengan amplitudo kuadratnya, intensitas I dari gelombang yang ditransmisikan terkait dengan gelombang datang oleh

I = I0cos2θ (1.8.1)

dimana I0 adalah intensitas gelombang terpolarisasi sebelum melewati filter. Persamaan ini dikenal sebagai hukum Malus.

Gambar ini memberikan detail tambahan untuk skema dua angka sebelumnya. Dalam gambar ini, hanya satu dari vektor E dari sumber cahaya terpolarisasi acak ditunjukkan di sebelah kiri filter polarisasi berorientasi vertikal, bersama dengan komponen vektor yang sejajar dengan filter. Vektor E berada pada sudut theta ke vertikal. Komponen vertikal dari vektor E adalah E cosinus theta. Setelah melewati filter, cahaya hanya memiliki E vertikal, dengan besarnya E cosinus theta.

Gambar 1.8.6: Filter polarisasi hanya mentransmisikan komponen gelombang sejajar dengan porosnya, mengurangi intensitas cahaya yang tidak terpolarisasi sejajar dengan porosnya.

Polarisasi oleh Hamburan

Polarisasi juga terjadi ketika cahaya tersebar saat bepergian melalui media. Ketika cahaya menyerang atom-atom suatu material, ia akan sering mengatur elektron dari atom-atom itu menjadi getaran. Elektron yang bergetar kemudian menghasilkan gelombang elektromagnetik mereka sendiri yang dipancarkan ke segala arah. Gelombang yang baru dihasilkan ini menyerang atom-atom tetangga, memaksa elektronnya bergetar pada frekuensi asli yang sama.

Elektron yang bergetar ini menghasilkan gelombang elektromagnetik lain yang sekali lagi terpancar ke luar ke segala arah. Penyerapan dan reemisi gelombang cahaya ini menyebabkan cahaya tersebar di sekitar medium. (Proses hamburan ini berkontribusi pada kebiruan langit kita, suatu topik yang akan dibahas nanti.) Cahaya yang tersebar ini sebagian terpolarisasi.

Polarisasi oleh hamburan diamati ketika cahaya melewati atmosfer kita. Cahaya yang tersebar sering menghasilkan cahaya di langit. Para fotografer tahu bahwa polarisasi parsial cahaya yang tersebar ini mengarah ke foto-foto yang ditandai oleh langit yang luntur. Masalahnya dapat dengan mudah diperbaiki dengan menggunakan filter Polaroid. Ketika filter diputar, sebagian cahaya terpolarisasi diblokir dan silau berkurang. Rahasia fotografi menangkap langit biru yang cerah sebagai latar latar depan yang indah terletak pada fisika polarisasi dan filter Polaroid.

Polarisasi oleh Pembiasan

Polarisasi juga dapat terjadi oleh pembiasan cahaya. Pembiasan terjadi ketika seberkas cahaya melewati dari satu material ke material lain. Pada permukaan kedua bahan, jalur sinar mengubah arahnya. Balok refraksi memperoleh beberapa tingkat polarisasi. Paling sering, polarisasi terjadi pada bidang yang tegak lurus terhadap permukaan. Polarisasi cahaya yang dibiaskan sering ditunjukkan dalam kelas Fisika menggunakan kristal unik yang berfungsi sebagai kristal pembias ganda.

Polarisasi oleh Refleksi

Cahaya yang tidak terpolarisasi juga dapat mengalami polarisasi dengan memantulkan permukaan yang bukan logam. Sejauh mana polarisasi terjadi tergantung pada sudut di mana cahaya mendekati permukaan dan pada bahan yang terbuat dari permukaan. Permukaan logam memantulkan cahaya dengan berbagai arah getaran; cahaya yang dipantulkan tersebut tidak terpolarisasi.

Namun, permukaan nonlogam seperti jalan aspal, ladang salju, dan air memantulkan cahaya sedemikian rupa sehingga ada konsentrasi besar getaran dalam bidang yang sejajar dengan permukaan pantulan. Seseorang yang melihat benda-benda melalui cahaya yang dipantulkan dari permukaan non-logam akan sering merasakan cahaya jika tingkat polarisasinya besar.

Kegunaan Polarisasi

Polarisasi memiliki banyak kegunaan lain selain penggunaannya dalam kacamata hitam yang mengurangi silau. Dalam industri, filter Polaroid digunakan untuk melakukan tes analisis stres pada plastik transparan. Ketika cahaya melewati plastik, setiap warna cahaya tampak terpolarisasi dengan orientasinya sendiri. Jika plastik semacam itu ditempatkan di antara dua pelat polarisasi, pola warna-warni terungkap.

Saat pelat atas diputar, pola warna berubah ketika warna-warna baru tersumbat dan warna-warna yang sebelumnya diblokir ditransmisikan. Demonstrasi Fisika umum melibatkan menempatkan busur derajat plastik di antara dua pelat Polaroid dan menempatkannya di atas proyektor overhead.

Diketahui bahwa tekanan struktural dalam plastik ditandai pada lokasi di mana terdapat konsentrasi besar pita berwarna. Lokasi stres ini biasanya merupakan lokasi di mana kegagalan struktural kemungkinan besar akan terjadi. Mungkin Anda ingin analisis stres yang lebih hati-hati dilakukan pada kotak plastik dari CD yang baru saja Anda beli.

Polarisasi juga digunakan dalam industri hiburan untuk memproduksi dan menampilkan film 3-D. Film tiga dimensi sebenarnya adalah dua film yang dipertontonkan secara bersamaan melalui dua proyektor. Kedua film difilmkan dari dua lokasi kamera yang sedikit berbeda. Setiap film kemudian diproyeksikan dari berbagai sisi penonton ke layar logam. Film diproyeksikan melalui filter polarisasi.

Filter polarisasi yang digunakan untuk proyektor di sebelah kiri mungkin memiliki sumbu polarisasi yang disejajarkan secara horizontal sedangkan filter polarisasi yang digunakan untuk proyektor di sebelah kanan akan memiliki sumbu polarisasi yang disejajarkan secara vertikal. Akibatnya, ada dua film yang sedikit berbeda diproyeksikan ke layar.

Setiap film dilemparkan oleh cahaya yang terpolarisasi dengan orientasi tegak lurus terhadap film lainnya. Penonton kemudian memakai kacamata yang memiliki dua filter Polaroid. Setiap filter memiliki sumbu polarisasi yang berbeda – satu horizontal dan lainnya vertikal. Hasil pengaturan proyektor dan filter ini adalah mata kiri melihat film yang diproyeksikan dari proyektor kanan sementara mata kanan melihat film yang diproyeksikan dari proyektor kiri. Ini memberi penonton persepsi tentang kedalaman.



Leave a Reply