Bab 16: Difraksi Cahaya

Di ruangan kedua, pada dinding seberang terdapat layar dengan beberapa pola garis melingkar. Di tengah terdapat sejumlah cermin pemantul, serta papan tegak dengan lubang bundar. Mungkin cermin-cermin ini harus diputar agar sumber cahaya terarah ke sana, lalu sinar dipantulkan menuju arah lain. Setelah menemukan cermin lain, sinar itu diterima, dipantulkan kembali, dan seterusnya. Jika cahaya hanya mengenai dinding, maka hanya akan tampak sebuah bercak cahaya saja. Namun, dengan beberapa kali pemantulan lewat cermin, sinar dapat diarahkan menuju layar di seberang. Pada akhirnya, cahaya harus diarahkan ke layar tersebut agar pintu terbuka dan mereka dapat masuk.

Di sini terdapat sepuluh jenis sumber cahaya berbeda, dengan panjang gelombang antara 500 hingga 700 nanometer. Diameter lubang bundar juga ada sepuluh macam: 0,5 mm, 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm, 1 mm, 1,1 mm, 1,2 mm, 1,3 mm, dan 1,4 mm. Jarak antara lubang bundar dan layar dapat diatur-atur.

Ketika menoleh ke belakang, di dinding atas belakang juga terdapat layar dengan pola lingkaran, berbeda dari pola di ruangan sebelumnya. Di sini, baik depan maupun belakang sama-sama memiliki pola lingkaran.

Ketika sebuah sumber cahaya dipasang, cahaya yang ditembakkan melewati lubang bundar dan menghasilkan pola lingkaran di layar, namun tidak serupa dengan pola pada dinding. He Xin berkata, “Pola lingkaran ini sepertinya adalah pola difraksi.”

Geometri optik yang didasarkan pada hukum perambatan lurus cahaya tidak dapat menjelaskan fenomena difraksi. Penjelasan mengenai hal ini bergantung pada optika gelombang. Orang pertama yang berhasil menggunakan prinsip optika gelombang untuk menjelaskan fenomena difraksi adalah Fresnel. Setelah teori elektromagnetik cahaya dikembangkan, diketahui bahwa cahaya adalah sejenis gelombang elektromagnetik, sehingga masalah difraksi cahaya yang melewati celah harus diperlakukan sebagai masalah batas medan elektromagnetik. Dalam praktiknya, teori difraksi yang digunakan hanyalah metode pendekatan.

Jika ditempatkan sebuah layar tak tembus cahaya dengan lubang bundar di antara sumber cahaya titik monokromatik dan layar, lalu diamati dengan teliti di tepi bayangan, akan tampak adanya cahaya yang masuk ke daerah bayangan geometri, dan muncul pola garis terang-gelap yang berselang-seling.

Pada awalnya, difraksi dianggap terjadi karena gelombang cahaya bebas yang merambat di ruang bertemu dengan penghalang seperti celah atau lubang, sehingga permukaan gelombang atau muka gelombang tertahan dan terpecah, menyebabkan deformasi permukaan gelombang. Namun, sebenarnya, setiap deformasi permukaan gelombang atau distribusi amplitudo kompleks medan cahaya pada muka gelombang yang mengalami modifikasi ruang, akan menimbulkan fenomena difraksi dan mendistribusikan ulang amplitudo kompleks medan cahaya setelah melewati halangan.

Huygens, untuk menjelaskan mekanisme perambatan gelombang dari satu titik ke titik lain di ruang, mengajukan hipotesis bahwa setiap titik pada permukaan gelombang dapat dianggap sebagai pusat gangguan sekunder yang memancarkan gelombang bola kecil. Pada saat selanjutnya, selubung gelombang-gelombang bola kecil ini membentuk permukaan gelombang baru. Karena arah normal permukaan gelombang adalah arah rambat cahaya, maka prinsip Huygens dapat digunakan untuk menentukan arah perambatan cahaya dari satu saat ke saat berikutnya.

Ketika gelombang bola yang dipancarkan oleh sumber cahaya titik monokromatik mencapai tepi lubang bundar, hanya sebagian permukaan gelombang yang terbuka di area lubang, selebihnya terhalang oleh layar. Menurut prinsip Huygens, setiap titik permukaan gelombang yang terbuka di area lubang dapat dianggap sebagai pusat gangguan sekunder yang memancarkan gelombang bola kecil, dan selubung gelombang-gelombang bola kecil inilah yang menentukan permukaan gelombang baru di belakang lubang. Di luar kerucut cahaya, gelombang tidak lagi merambat ke arah semula.

Sistem difraksi Fraunhofer yang ideal berfungsi sebagai penganalisis frekuensi ruang. Ketika gelombang cahaya monokromatik diterpakan pada gambar yang ingin dianalisis, melalui difraksi Fraunhofer, informasi dengan frekuensi ruang tertentu akan dibawa keluar oleh gelombang difraksi bidang dengan arah tertentu. Gelombang-gelombang difraksi ini saling bertumpuk di medan dekat, namun di medan jauh mereka terpisah, sehingga tercapai tujuan pemisahan frekuensi. Lensa umumnya digunakan sebagai alat pemisah medan jauh: lensa mengumpulkan gelombang bidang dari berbagai arah ke titik-titik berbeda di bidang fokus belakang, membentuk bercak-bercak difraksi. Bercak-bercak ini bersesuaian dengan frekuensi ruang gambar, dan bidang fokus belakang disebut bidang spektrum gambar, atau bidang Fourier. Bercak difraksi Fraunhofer disebut bercak spektrum.

Xiang Yu berkata, “Di sini ada tiga robot juga, mereka sedang mengganti sumber cahaya, lubang bundar, dan cermin pemantul. Kita harus menyalakan layar pola lingkaran di seberang sebelum mereka selesai merakit.”

He Xin berkata, “Tugasnya mirip seperti di ruangan sebelumnya. Aku yang mengganti sumber cahaya, Xiang Yu mengganti lubang bundar, dan Shunpin mengganti cermin pemantul.”

Setiap kali He Xin mengganti sumber cahaya, robot A1 di seberang juga mengganti sumber cahaya. Ketika Xiang Yu mengganti lubang bundar, robot A2 di seberang juga menggantinya. Shunpin mengganti cermin, robot A3 di seberang pun melakukan hal sama. Duan Zhu mengatur jarak lubang bundar, dan penyangga lubang bundar di seberang juga bergerak otomatis.

Sumber cahaya di sisi mereka melewati lubang bundar, mengenai cermin, dipantulkan kembali, melewati lubang bundar lain, lalu sampai ke layar di belakang. Sementara itu, sumber cahaya di seberang juga melewati lubang bundar, mengenai cermin, dipantulkan, dan akhirnya menuju layar di depan. Bahkan tanpa gangguan robot pun, kombinasi sumber cahaya, lubang bundar, dan jarak di sisi mereka sudah hampir seribu jenis. Ini seperti kunci kombinasi tiga digit, dengan seribu kemungkinan, namun mereka belum tahu kombinasi mana yang akan membuat pola cahaya tepat sesuai dengan pola lingkaran di layar.

Shunpin berkata, “Sama seperti di ruangan sebelumnya, ketika pola tidak cocok, misalnya kebesaran atau kekecilan, kita bisa tahu bagaimana menyesuaikan pola tersebut.”

Berdasarkan panjang gelombang, jarak, dan diameter lubang, bisa dihitung lebar pola garis. Namun, ketika lebar pola terlalu besar atau kecil, belum diketahui parameter mana yang harus disesuaikan.

Tapi parameter yang disesuaikan robot di seberang justru bisa menghalangi mereka menyesuaikan ke arah yang benar.

Xiang Yu berkata, “Jadi kalau robot di seberang memperkecil lubang, kita harus memperbesar lubang.”

He Xin berkata, “Kita lakukan saja sebaliknya dari yang robot di seberang lakukan, dan sesuaikan ketiga parameter ini secara bertahap.”

Ketika mendekati nilai yang benar, lubang terlalu besar, lalu dikecilkan satu tingkat.

Selama proses penyesuaian, cahaya dari sumber robot juga ditembakkan ke dinding atas belakang. Jika pola cocok, maka kelompok mereka dianggap gagal.

Kelompok mereka juga harus memanfaatkan pelat penghalang dan cermin untuk menghalangi atau memantulkan cahaya dari robot ke arah lain.

Shunpin berkata, “Jarak pola di atas belakang dan di seberang lebarnya hampir sama.”

He Xin berkata, “Jadi robot di seberang menggunakan parameter standar.”

Xiang Yu berkata, “Kalau begitu kita gunakan nilai itu untuk mengatur kombinasi sumber cahaya, lubang, dan jarak.”

Akhirnya mereka memilih panjang gelombang 589 nanometer, lubang 1,1 milimeter, dan jarak 1,5 meter, sehingga didapat pola lingkaran dengan lebar yang cocok. Namun, pola itu dihalangi oleh cermin robot di seberang dan dipantulkan balik. Shunpin mengganti cermin, lalu memantulkan kembali.

Bersamaan, di posisi kosong kedua, He Xin mengganti sumber cahaya, Xiang Yu mengganti lubang, Duan Zhu mengatur jarak lubang, dan terus menembakkan pola difraksi ke layar di seberang. Robot A1, A2, dan A3 juga mengganti sumber cahaya, lubang, dan menembakkan pola ke layar belakang mereka sendiri, sehingga mengganggu pola kelompok mereka.

Shunpin berkata, “Kalau begini, bukankah pintunya tidak akan terbuka kalau terjadi gangguan?”

Xiang Yu berkata, “Kita juga bisa menembakkan cahaya ke layar di belakang kita, mengganggu mereka.”

Kelompok mereka di posisi kosong ketiga juga mengganti sumber cahaya, lubang, dan menembakkan pola ke layar belakang mereka sendiri, mengganggu pola milik kelompok A. Kelompok A menembakkan pola difraksi ke layar seberang.

He Xin berkata, “Bagaimana ini? Kita tidak bisa memindahkan alat optik ke sana. Kalau cahaya mereka mengganggu kita di sana, apa yang bisa dilakukan?”

Duan Zhu berkata, “Lihat, di lantai juga ada beberapa lubang bundar.”

Di kotak kontrol di samping dinding terdapat sebuah tombol, entah apa fungsinya. He Xin menekan tombol itu, lalu muncul beberapa tiang di atas lubang. Cahaya kelompok A di posisi kedua pun terhalang. Pola cahaya kelompok mereka akhirnya jatuh tepat pada dinding seberang, pola lingkaran cocok, saklar fotoelektrik pun aktif, dan pintu terbuka.