Optik non linier

Optik nonlinier adalah ilmu pengetahuan modern terbaru yang berhubungan dengan fenomena fisika yang terjadi akibat medan yang ditimbulkan oleh laser. Teknologi ini dinamakan teknologi fotonik sebagai pengganti teknologi elektronik untuk memperoleh, menyimpan, menyiapkan, mengirim dan memproses informasi. Konsep komputer optik, proses sinyal optik dan penggambaran analisis sedang dikembangkan dengan menggunakan proses optik nonlinier sebagai konversi frekuensi, modulasi cahaya, optical switching, optical logic, penyimpan memori optik, dan fungsi optik terbatas.

Material-material optik nonlinier yang dipakai saat ini dalam fabrikasi devais-devais fotonik pasif dan aktif adalah kristal-kristal anorganik yang bersifat feroelektrik misalnya kristal kalium dideterium pospat(kdp) untuk pengganda frekuensi laser, kristal lithium niobat(linbo3) untuk modulator elektrooptik dan kristal barium titanat(batio3) untuk aplikasi konjugasi fasa. Meskipun teknologi penumbuhan kristal untuk material-material ini berkembang jauh dan optik nonlinieritasnya cukup untuk kebanyakan aplikasi fotonik, namun material-material ini mempunyai kelakuan yang tak menguntungkan; misalnya harus dalam bentuk kristal tunggal. Hal lain yang lebih sulit diatasi adalah bahwa kristal-kristal itu dalam optical switching masih terlalu lambat. Keterbatasan-keterbatasan ini memaksa orang untuk mencari material baru yang tepat dalam aplikasinya. Material-material organik merupakan kandidat bagi optik nonlinier karena beberapa alasan :

1.         Waktu respon sangat cepat.

2.         Suseptibilitas off-resonance sama atau lebih besar dari pada kristal organik.

3.         Mudah difabrikasi.

4.         Mudah diintegrasikan di dalam devais.

5.         Ambang kerusakannya terhadap laser cukup tinggi

6.         Harganya relatif lebih murah.

Namun demikian, hingga saat ini masih harus dilakukan riset untuk pengembangannya. Beberapa aspek yang menjadi obyek riset dalam optik nonlinier antara lain adalah :

1.         Pemahaman tentang proses optik nonlinier.

2.         Kaitan antara proses optik nonlinier dan struktur material.

3.         Rekayasa dan sintesis material untuk memperoleh sifat-sifat termal dan mekanik serta stabilitas terhadap cahaya yang baik.

Sejarah perkembangan optika nonlinear

Berikut ini adalah beberapa kemajuan penting dalam bidang optik nonlinier:

·         Penemuan laser oleh towness (1960)

·         Pengamatan pertama mengenai efek optik nonlinier pada gerak harmonik orde kedua oleh frenken (1961).

·         Pengamatan pertama mengenai efek optik nonlinier pada gerak harmonik orde kedua oleh terhune (1962).

·         Demonstrasi pertama untuk simulasi penghamburan raman, e. J. Woodbury dan w. K. Ng (1962).

·         Prediksi teoritis pertama mengenai generasi solition dalam fiber optik.

·         H. M. Gibbs (1976), demonstrasi pertama untuk menjelaskan bistability optik.

·         L. F. Mollenaure (1980), konfirmasi pertama mengenai generasi solition dalam fiber optik.

Sepanjang sejarah ilmu optik dan hingga munculnya relativitas,  semua media optik dianggap linier. Konsekuensi dari asumsi ini adalah :

·         Sifat optik dari bahan, seperti indeks bias dan koefisien absorpsi, independen terhadap intensitas cahaya.

·         Prinsip superposisi, prinsip dasar optik klasik, berlaku.

·         Frekuensi cahaya tidak pernah diubah oleh perjalanan melalui media.

·         Dua berkas cahaya di daerah yang sama dari media tidak berpengaruh pada satu sama lain  sehingga cahaya tidak dapat digunakan untuk mengontrol cahaya yang lain.

Operasi laser pertama pada tahun 1960 memungkinkan kami untuk mengkaji perilaku cahaya dalam bahan optik pada intensitas yang lebih tinggi dari sebelumnya. Percobaan dilakukan di era pasca-laser yang jelas menunjukkan bahwa media optik pada kenyataannya menunjukkan perilaku nonlinear, sebagaimana dicontohkan oleh pengamatan berikut:

·         Indeks bias, dan kecepatan cahaya dalam bahan optik nonlinear , tidak tergantung pada intensitas cahaya.

·         Prinsip superposisi dilanggar dalam bahan optik nonlinear.

·         Frekuensi cahaya diubah saat melewati bahan optik nonlinear; misalnya, cahaya dapat berubah dari merah ke biru.

·         Foton yang berinteraksi dalam batas-batas dari bahan optik nonlinear, sehingga cahaya  memang bisa digunakan untuk mengontrol cahaya lainnya.

                                                                                                                               

Bidang optik nonlinier menawarkan sejumlah fenomena menarik , yang sangat berguna . Perilaku optik nonlinier tidak diamati ketika cahaya perjalanan di ruang bebas. Optik  " nonlinier " berada dalam medium yang melalui perjalanan cahaya , bukan di cahaya itu sendiri . Interaksi cahaya dengan cahaya karena itu dimediasi oleh bahan nonlinier: adanya medan optik memodifikasi sifat-sifat medium tersebut, yang pada gilirannya menyebabkan bidang lain di optik, atau bahkan bidang lain yang tersendiri, untuk dimodifikasi. Sebagaimana, sifat-sifat bahan dielektrik melalui yang merambatkan gelombang elektromagnetik optik dijelaskan oleh hubungan antara
polarisasi - density vektor p ( r , t ) dan listrik - medan vektor e ( r , t ) . Memang hal ini berguna untuk melihat p ( r , t ) sebagai output dari sistem yang input adalah e ( r , t ).

Hubungan matematika antara fungsi vektor p ( r , t ) dan e ( r , t ) , yang diatur oleh karakteristik media, mendefinisikan sistem. Media dikatakan nonlinier jika hubungan ini tidak linier. Dalam bab ini, media dielektrik yang diklasifikasikan lebih lanjut berhubungan dengan dispersifitas mereka, yaitu  homogenitas, dan isotropi. Untuk fokus pada efek utama bunga - nonlinier - bagian pertama dari eksposisi kami dibatasi untuk media yang  adalah nondispersive, homogen, dan isotropik. Vektor p dan e secara konsekuen paralel di setiap posisi dan waktu dan karenanya dapat diperiksa pada komponen-bycomponent  dasar.

Teori optik nonlinier dan aplikasinya disajikan pada dua tingkat. Suatu pendekatan yang disederhanakan disediakan dalam detik. Hal ini diikuti oleh lebih rinci  analisis fenomena yang sama oleh persamaan gelombang optik nonlinier. Propagasi cahaya dalam media ditandai dengan orde kedua (kuadrat) nonlinear hubungan antara p dan e. Aplikasi termasuk penggandaan frekuensi gelombang monokromatik (generasi kedua-harmonik), pencampuran dua gelombang monokromatik untuk menghasilkan gelombang ketiga pada jumlah mereka atau frekuensi perbedaan (konversi frekuensi), penggunaan dua gelombang monokromatik untuk memperkuat gelombang ketiga (parametrik amplifikasi), dan penggabungan umpan balik dalam perangkat parametrik-amplifikasi untuk membuat sebuah osilator (osilasi parametrik). 

Difraksi

Difraksi adalah lentur gelombang (seperti gelombang cahaya atau gelombang suara) ketika mereka lulus sekitar hambatan atau melalui sebuah lubang. Siapapun yang telah menonton gelombang laut memasuki teluk atau pelabuhan mungkin telah menyaksikan difraksi. Sebagai gelombang menyerang titik pertama dari tanah, mereka mengubah arah. Alih-alih pindah ke teluk atau pelabuhan sejajar dengan (dalam arah yang sama seperti) tanah, mereka melakukan perjalanan di sebuah sudut untuk itu. Sempit pembukaan, yang lebih dramatis efeknya. Sebagai gelombang memasuki pembukaan pelabuhan sempit, seperti San Fransisco Golden Gate, mereka berubah dari satu set paralel front gelombang dengan pola berbentuk kipas.

Difraksi cahaya memiliki banyak aplikasi penting. Sebagai contoh, sebuah perangkat yang dikenal sebagai kisi difraksi digunakan untuk memecah cahaya putih menjadi komponen terpisah yang berwarna. Pola yang dihasilkan oleh kisi-kisi difraksi memberikan informasi tentang jenis cahaya yang jatuh pada mereka.

Pengertian Difraksi

Fundamental

Semua gelombang tunduk pada difraksi ketika mereka menghadapi kendala di jalan mereka. Pertimbangkan bayangan tiang bendera dilemparkan oleh matahari di tanah. Dari kejauhan zona gelap bayangan memberikan kesan bahwa perjalanan cahaya dalam garis lurus dari Matahari terhalang oleh tiang. Tapi pengamatan yang cermat dari tepi bayangan akan mengungkapkan bahwa perubahan dari gelap ke terang tidak tiba-tiba. Sebaliknya, ada daerah abu-abu di sepanjang tepi yang diciptakan oleh cahaya yang bengkok-atau difraksi-di sisi tiang.

Ketika sumber gelombang, seperti bola lampu, mengirimkan berkas melalui celah, atau aperture, pola difraksi akan muncul di layar ditempatkan di belakang aperture. Pola difraksi akan terlihat seperti aperture (mungkin celah, lingkaran, atau persegi) tetapi akan dikelilingi oleh beberapa gelombang difraksi yang memberikan penampilan yang kabur.

Difraksi yang terjadi terutama tergantung pada dua variabel: panjang gelombang dari gelombang dan ukuran pembukaan atau aperture melalui gelombang lulus. (Wavelength didefinisikan sebagai jarak antara dua bagian identik gelombang, seperti dua puncak berturut-turut gelombang. Satu-satunya perbedaan antara gelombang cahaya, gelombang radar, gelombang sinar X, dan banyak jenis gelombang adalah mereka panjang gelombang-dan frekuensi mereka, yang tergantung pada panjang gelombang mereka.) Panjang gelombang cahaya, misalnya, di kisaran 400-700 nanometer (sepermiliar meter). Sebagai perbandingan, panjang gelombang gelombang radar berkisar dari sekitar 0,1 sampai 1 meter.

Bagian-bagian untuk Tahu

Pola difraksi: Pola gelombang diamati setelah gelombang telah melewati aperture difraksi (atau membuka).

Frekuensi: Jumlah segmen dalam gelombang yang melewati suatu titik tertentu setiap detik.

Pola interferensi: Alternating band terang dan gelap yang dihasilkan dari pencampuran dua gelombang.

Panjang gelombang: Jarak antara dua bagian identik gelombang, seperti dua puncak berturut-turut gelombang.

X-ray difraksi: Sebuah metode yang digunakan untuk mempelajari struktur kristal.

Ketika panjang gelombang gelombang jauh lebih kecil daripada aperture yang dilalui dalam perjalanan, difraksi diamati kecil. Seberkas cahaya perjalanan melalui jendela, misalnya, memiliki panjang gelombang banyak triliunan kali lebih kecil dari bukaan jendela. Akan sulit untuk mengamati difraksi dalam situasi ini. Tapi seberkas cahaya yang melewati lubang pin kecil menghasilkan efek yang berbeda. Dalam hal ini, pola difraksi dapat terlihat cukup jelas.

Aplikasi

Kisi-kisi difraksi. Sebuah kisi difraksi adalah alat yang operasi didasarkan pada difraksi cahaya. Ini terdiri dari plat datar (biasanya terbuat dari kaca atau plastik) menjadi yang terukir ribuan celah tipis atau alur. Keakuratan kisi tergantung pada alur ‘makhluk sejajar satu sama lain, sama spasi, dan sama lebar.

Ketika cahaya pemogokan difraksi kisi-kisi, itu adalah difraksi oleh masing-masing dari ribuan alur individual. Gelombang yang terdifraksi yang dihasilkan kemudian campur atau mengganggu satu sama lain dengan cara yang berbeda, tergantung pada sumber sinar. Cahaya dari lampu uap natrium, dari merkuri (neon) lampu, dan dari lampu pijar semua menghasilkan pola cahaya yang berbeda dalam kisi-kisi difraksi.

Para ilmuwan telah mencatat jenis pola cahaya (spektrum) yang dihasilkan ketika masing-masing dari unsur-unsur kimia yang berbeda dipanaskan dan cahayanya bersinar pada kisi difraksi. Dalam mempelajari cahaya dari suatu objek yang tidak diketahui (seperti bintang), kemudian, difraksi kisi spektrum dapat dibandingkan dengan spektrum yang dikenal elemen. Dengan cara ini, unsur-unsur dalam objek yang tidak diketahui dapat diidentifikasi.

Difraksi sinar-X. Pada tahun 1910-an, William Henry (1862-1942) dan William Lawrence Bragg (1890-1971), tim ayah-dan-anak fisikawan Inggris, memiliki ide yang menarik untuk menggunakan difraksi. Mereka berangkat untuk menemukan difraksi sangat terbaik kisi orang bisa membayangkan dan memutuskan bahwa kristal-kristal seperti meja biasa garam sesuai dengan tagihan. Atom dan ion yang membentuk kristal diatur dalam cara yang sama seperti alur dari kisi-kisi difraksi. Atom kristal dan ion yang diletakkan di baris yang sangat teratur tepat pada jarak yang sama dari satu sama lain, seperti halnya dengan kisi-kisi difraksi. Namun ukuran “alur” dalam kristal (ruang antara atom dan ion) jauh lebih kecil daripada di difraksi buatan manusia kisi.

The Braggs mulai bekerja bereksperimen dengan kristal dan difraksi. Sayangnya, panjang gelombang gelombang cahaya itu terlalu besar untuk difraksi oleh atom dan ion dalam kristal. Tapi sinar-X yang memiliki panjang gelombang yang jauh lebih kecil dari cahaya gelombang-akan lentur sempurna dari deretan atom atau ion dalam kristal.

Ketika Braggs bersinar sinar X dari berbagai kristal, mereka membuat penemuan yang menarik. Untuk setiap jenis kristal dipelajari, pola yang unik lingkaran kabur diproduksi. Sinar X telah difraksi sesuai dengan cara-cara di mana atom atau ion yang diatur dalam kristal. The Braggs telah menemukan metode untuk menentukan bagaimana atom atau ion yang diatur dalam kristal tertentu. Metode tersebut, yang dikenal sebagai kristalografi sinar-X, sekarang menjadi salah satu alat yang paling kuat yang tersedia untuk ahli kimia untuk menganalisis struktur zat.