Interferometer

Interferensi adalah penggabungan secara superposisi dua gelombang atau lebih yang bertemu pada satu titik di ruang. 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 3600, maka gelombang akan sefase dan berinterferensi secara saling menguatkan (interferensi konstruktif).

 Sedangkan amplitudonya sama dengan penjumlahan amplitudo masing-masing gelombang. Jika perbedaan fasenya 1800 atau bilangan ganjil kali 1800, 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). Suatu alat yang dirancang untuk menghasilkan interferensi dan pola-polanya yang dihasilkan 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 frinji gelap terang berselang-seling. Pola terang terjadi apabila gelombanggelombang dari kedua berkas sinar sefase sewaktu tiba di layar.

Sebaliknya pola gelap terjadi apabila gelombang-gelombang dari kedua berkas sinar berlawanan fase sewaktu tiba di layar. Agar pola interferensi nyata, tempat garis-garis gelap terang itu harus tetap sepanjang waktu yang berarti beda fase antara gelombang-gelombang dari kedua celah harus tidak berubah-ubah dan hal ini hanya mungkin apabila kedua gelombang tersebut koheren, yaitu identik bentuknya (Soedojo, 2001).

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).

Prinsip dasar interferometer

Interferometer adalah suatu perangkat untuk pengukuran yang memanfaatkan gejala inteferensi. Pada umumnya prinsip dasar interferometer yang memanfaatkan sifat koherensi perhatikan gambar dibawah :

Menurut ciri pokoknya, interferometer dapat dibagi dalam dua kategori yaitu :

a.       Interferometer pembelahan muka gelombang

Dalam sistem ini kedua berkas gelombang yang berinteferensi diperoleh dari sumber gelombang semula tanpa mnegurangi intensitasnya atau dengan perkataan lain cahaya dapat dibagi dua menurut posisi geometrisnya, misalnya bagian atas berkasnya menjadi berkas uji dan bagian bawah menjadi berkas referensi.

b.      Interferometer pembelah amplitudo

Dalam hal ini kedua gelombang yang berinteferensi diperoleh dengan mebagi intensitas gelombang semula, atau dengan perkataan lain cahaya dibagi dua berkas yang sama bentuknya, tetapi dengan amplitudo yang berbeda.

Berkas uji adalah berkas cahaya yang dikenakan dengan objek yang akan diukur/diuji. Objek dapat berupa cermin bergerak ( yang pergeserannnya ingin diukur), gas (yang variasi indeks biasnya ingin diketahui) dan lain lain. Sedangkan berkas referensi adalah berkas cahaya pola fasanya dipertahankan tetap untuk anntinya dipertemukan lagi dengan berkas uji.

Perpaduan kedua gelombang menghasilkan pala interferensi (garis atau daerah terang gelap saja) yang diamatai oleh detektor (layar, fotodioda, film, dan sebagainya). Interfernsi antara keduanya memberikan informasi mengenai apa yang telah dialami berkas uji, sehingga pada gilirannya  memberikan informasi mengenai objek ini.

Jenis-jenis interferometer

- Interferometer young

Interferometer young adalah jenis interferometer pembelah muka dua dimana kegunaan interferometer ini adalah antara lain untuk memeriksa derajat koherensi sumber cahaya dan menguku rjarak yang kecil antara dua celah. Prinsip kerja dari interferometer young diperhatikan pada gambar dibawah ini.

Pada eksperimen young hasil inteferensinya diamati pada layar yang berjarak L yang jauh lebih besar dari jarak antara celah d. Untuk konfigurasi eksperimen ini berlaku aproksimasi medan jauh dimana :

Dalam pendekatan ini, selisih lintasan gelombang yang menjalar melalui dua celah terpisah adalah :

Kedudukan frinji pada bidang pengamatan diungkapkan oleh koordinat

- Interferometer Michelson

Interferometer michelson adalah termasuk interferometer pembelah amplitudo dimana interferometer ini sangat berguna dalam pengukuran indeks bias, pengukuran panjang (yang diukur adalah pergeseran total cerimin uji), pengukuran getaran (vibrasi) dan dapat juga digunakan untuk pengukuran simpangan permukaan (disini permukaan menjadi cermin uji). Pada gambar dibawah ini diperlihatkan konfigurasi interferometer Michelson, yaitu terdiri dari dumber cahaya, pemisah berkas, cermin referensi, cermin uji.

Intensitas maksimum (keadaan terang) diperoleh .  dengan bilangan bulat. Sedangkan intensitas minimum (keadaan gelap) diperoleh .  dengan demikian intensitas akan berubah dari maksimum ke minimum atau sebaliknya dengan pergeseran sejauh simpangan  dimana  panjang gelombang sinar laser yang digunakan.

Untuk memahami fenomena interferensi harus berdasar pada prinsip optika fisis, yaitu cahaya dipandang sebagai perambatan gelombang yang tiba pada suatu titik yang bergantung pada fase dan amplitude gelombang tersebut. Untuk memperoleh pola-pola interferensi cahaya haruslah bersifat koheren, yaitu gelombang-gelombang harus bersalah dari satu sumber cahaya yang sama. Koherensi dalam optika sering dicapai dengan membagi cahaya dari sumber celah tunggal menjadi dua berkas atau lebih, yang kemudian dapat digabungkan untuk menghasilkan pola interferensi.

Pada interferensi, apabila dua gelombang yang berfrekuensi dan berpanjang gelombang sama tapi berbeda fase bergabung, maka gelombang yang dihasilkan merupakan gelombang yang amplitudonya tergantung pada perbedaan fase.

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 Δd menyumbang suatu perbedaan fase δ yang diberikan oleh :

Suatu alat yang dirancang untuk menghasilkan interferensi dan pola-polanya yang dihasilkan dari perbedaan panjang lintasan disebut interferometer optic. Interferometer dibagi menjadi 2 jenis, yaitu interferometer pembagi muka gelombang dan terferometer pembagi amplitude. Pada pembagi muka gelombang, muka gelombang pada berkas cahaya pertama dibagi menjadi dua, sehingga menghasilkan dua buah berkas sinar baru yang koheren, dan ketika jatuh di layar akan membentuk pola interferensi yang berwujud cincin gelap terang berselang-seling.

Pola terang terjadi apabila gelombang-gelombng dari kedua berkas sinar sefase sewaktu tiba di layar. Sebaliknya, pola gelap terjadi apabila gelombang-gelombang dari kedua berkas sinar berlawanan fase sewaktu tiba di layar. Agar pola interferensi nyata, tempat garis-garis gelap terang itu harus tetap sepanjang waktu yang berarti beda fase antara gelombang-gelombang dari kedua celah harus tidak berubah-ubah dan hal ini hanya mungkin apabila kedua gelombang tersebut koheren, yaitu identik bentuknya.

Untuk interferometer pembagi amplitudo, diumpamakan sebuah gelombang cahaya jatuh pada suatu lempeng kaca yang tipis. Sebagian dari gelombang akan diteruskan dan sebagian lagi akan dipantulkan. Kedua gelombang tersebut tentu saja mempunyai amplitudo gelombang yang lebih kecil dari gelombang sebelumnya. Ini dapat dikatakan bahwa amplitudo telah terbagi. Jika kedua gelombang tersebut bisa disatukan kembali pada sebuah layar, maka akan dihasilkan pola interferensi.

Gambar di atas merupakan diagram skematik interferometer Michelson. Oleh permukaan beam splitter (pembagi berkas) cahaya laser, sebagian dipantulkan ke M1 dan sisanya ditransmisikan ke M2. Bagian yang dipantulkan ke M1 akan dipantulkan kembali ke beam splitter yang kemudian menuju ke layar. Adapun bagian yang ditransmisikan oleh M2 juga akan dipantulkan kembali ke beam splitter, kemudian bersatu dengan cahaya dari M1 menuju layar, sehingga kedua sinar akan berinterferensi yang ditunjukkan dengan adanya pola-pola cincin gelap terang.

Pengukuran jarak yang tepat dapat diperoleh dengan menggerakkan M2 pada interferometer Michelson dan menghitung cincin yang bergerak atau berpindah, dengan acuan suatu titik pusat. Sehingga diperoleh jarak pergeseran yang berhubungan dengan perubahan cincin :

Dengan :

Δd = perubahan lintasan optis

λ = panjang gelombang sumber cahaya

ΔN = perubahan jumlah cincin

Panjang koherensi merupakan jarak sejauh mana dapat berinterferensi. Panjang koherensi suatu gelombang tertentu, seperti laser atau sumber lain dapat dijelaskan dari persamaan berikut :

Dimana :

Lc = panjang koherensi

τc = koherensi waktu

c = cepat rambat cahaya

Δv = lebar spectrum

Pada interferometer Michelson, panjang koherensi sama dengan dua kali panjang lintasan optic antara kedua lengan pada interferometer Michelson, diukur pada saat penampakan frinji sama dengan nol. ketika movable mirror digerakkan, maka kedua berkas laser yang melewati L1 dan L2 memiliki jarak lintasan yang berbeda. Sehingga beda optic masing-masing berkas adalah 2L1 dan 2L2. Jadi beda lintasan optisnya dalah :

-Interferometer Twyman-Green

Interferometer ini mirip dengan interferometer michelson. Pada interferometer ini digunakan cahaya yang terkolomasi (lebara dan sejajar) dalam hal ini pola inferensi yang dihasilkan yang dihasilakan tidak lagi berbentuk cincin kosentris, melainkan brupa “spot” yang dapat dipusatkan dengan sebuah lensa. Interferometer ini pada umumnya digunakan untuk menguji permukaan optik, yaitu memeriksa apakah terdapat cacat atau penyimpangan dari bentuk yang diharapakan. Pada gambar dibawah ini diperlihatkan perangakat Interferometer Twyman-Green .

-Interferometer Mach-Zechnder

Pada perangkat Interferometer Mach-Zechnder diperlihatkan pada gambar dibawah ini, dimana lintasan cahaya membentuk empat persegi panjang dan sumber tak terkolimasi pada interferometer ini berkas uji berkas referensi menjalani lintasan yang simetris baik bentuk maupun arahnya, dengan demikian interferometer ini tidak begitu peka terhadap gangguan dari luar (gerakan udara, getaran, dan sebagainya), karena gengguan akan terjadi dengan sama besar pada berkas uji dan berkas referensi. Pada umumnya interferometere ini digunakan untuk mengukur variasi fasa yang dialami berkas uji, pngujian elemen optik dan variasi kerapatan aliran gas dalam terowongan angin sampai ke pnegukuran kountur densitas plasma dalam reaktor  termonuklir.