Dokumen tersebut membahas tentang sifat optik material, dimulai dari konsep dasar radiasi elektromagnetik, interaksi cahaya dengan benda padat seperti refraksi, refleksi dan absorpsi. Kemudian dibahas mengenai aplikasi fenomena optik pada non-logam seperti luminesensi, fotokonduktivitas, dan penggunaan fiber optik dalam sistem komunikasi.

1. SIFAT OPTIK MATERIAL
KONSEP DASAR
1. Pendahuluan
Yang dimaksud dengan sifat optic suatu material adalah respon material
tersebut terhadap paparan gelombang elektromaknetik, radiasi, khususnya
untuk range cahaya tampak. Pada pembahasan sifat optic material ini, pertama
tama akan dibahas tentang prinsip-prinsip dasar dan konsep yang berkaitan
dengan sifat elektromaknetik, radiasi dan interaksinya dengan benda padat.
Berikutnya adalah tentang sifat optic dari bahan/ logam yang meliputi
karakteristik adsorbs, refleksi dan transmisi. Pada bagian akhir aan dipelajari
tentang, luminescence, fotokonduktivitas, laser, serta pemanfaatan sifat optis
material ini pada serat optic di bidang komunikasi.
2. Radiasi Elektromaknetik
Radiasi elektromagnetik dianggap seperti gelombang, dimana gelombang
tersebut terdiri dari komponen listri dan magnet yag saling tegak lurus satu sama
lain. Macam macam bentuk radiasi elektromagneti antara lain adalah cahaya,
panas, gelombag radio, dan x ray. Dimana yang membedakan adalah panjang
gelombangnya. Spectrum dari radiasi elektromagnetik beserta panjang
gelombang nya dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Semua radiasi elektomganetik memiliki kecepatan yang sama saat melalui
sebuah vakum, yaitu sebesar 3x108m/s (186,000 miles/s). Yang kemudian
besaran tersebut kita sebut sebagai konstanta C, dimana konstanta C tersebut
dipengaruhi oleh permitivitas listrik dari vakum dan permeabilitas magnetik ruang
hampa. Dan dapat dinyatakan dengan persamaan.
Sedangakan hubungan C dengan frekwensi dan panjang gelombang dapat
dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.

2. Jika kita pandang radiasi elektromagnetik dari prespektif mekanika kuantum,
dimana radiasi bukan terdiri dari gelombang melainkan tersusun atas paket-peket
energy yang disebut foton (E), maka foton (E) tersebut dapat dinyatakan
dengan persamaan berikut.
Dimana konstanta h adalah konstanta plank dengan nilai 6.63x10−34 J-s
3. Interaksi Cahaya dan Benda Padat
Ketika cahaya diemisikan dari suatu medium ke medium lain, misalnya dri
udara menuju padatan. Ada beberapa hal yang terjadi, sebagian akan di
transmisikan melalui medium tersebut, bebrapa akan diserap dan terjadi proses
adsorbsi. Dan beberapa akan dipantulkan atau terjadi proses refleksi. Dimana
intensitas dari cahaya yang ditansmisikan ke mediun tersebut (Io) harus sama
dengan intensitas cahaya yang di transmisikan, di adsobsi, da di pantulkan
(퐼푇,퐼퐴, 퐼푅 ), yang data dinyatakan dengan persamaan berikut.
Bentuk lain dari persamaan diatas adalah sebagai berikut.
Dimana T,A dan R mewakili, transmisifitas (퐼푇 /퐼0), absorbsifitas (퐼퐴/퐼0 ) dan
refleksifitas (퐼푅 /퐼0).
Pada bahasan ini muncul istilah bahan transparan, yang berarti sebuah
material yang mentransmisikan cahaya dengan sedikit adsorbsi dan rerleksi.
Serta Translucent (tembus cahaya) material. Adalah material yang dapat
mentransmisikan cahaya tetapi sebagian diserap dan dipantulkan, dan bahan
opaque (buram). Adalah material yang tidak dapat mentransmisikan cahaya,
dimana jika terdapat cahaya yang diemisikan langsung diserap atau dipantulkan.
4. Interaksi Atom dan Elektronik
Fenomena optik yang terjadi pada benda padat melibatkan interaksi antara
radiasi elektromagnetik dan atom, ion, serta elektron. Dimana terdapat dua hal
yang paling penting dari interaksi tersebut antara lain polarisasi elektronik dan
energy yang dihasilkan oleh transisi elekron.
a. Polarisasi Elektronik

3. Terdapat dua akibat dari polarisasi ini antara laian adalah, yang pertama,
beberapa energi radiasi akan diserap, dan yang kedua gelombang cahaya akan
terhambat kecepatan nya saat melewati mediun yang dapat dilihat pada
fenomena pembiasan.
b. Transisi Elektron
Transmisi dan emisi dari rediasi elektromagnetik melibatkan trasisi electron dari
suatu tingkat energy ke tingkat energy lain. Yang mengakibatkan perubahan
energy pada electron tersebut.perubahan energy pada electron (ΔE) tergantung
pada frekwensi radiasi yang dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.
SIFAT OPTIS PADA NON METAL
5. Refraksi/Pembiasan
Cahaya yang ditansmisikan pada bahan transparan akan mengalami
penurunan kecepatan sebagaimana telah dijelaskan dimana hal ini merupakan
salah satu akubat dari transisi electron. Dan sebagai hasilnya, berkas cahaya
tersebut akan dibengkokkan. Fenomena inilah yang disebut sebagai refraksi
atau pembiasan. Index bias atau index refraksi didefinisikan sebagai
perbandingan antara kecepatan cahaya di vakum (c) dan kecepatan cahaya
dalam mediun yang dilewati (v).
Untuk menghitung nilai kecepatan cahaya dalam medium (v) digunakan
persamaan sebagai berikut.
Dimana ε dan μ masing masing adalah permitifitas dan permeabilitas dari
substansi penyusun mediun tersebut. Sehingga bila digabungkan dengan
persamaan sebelum nya akan menjadi sebagai berikut.
Dimana ε푟 dan μ 푟 masing masing adalah konstanta dielektrik dan
permeabilitas magnetic relative, karena sebagian besar material non metal
adalah kurang bersifat magnet maka dapat diasumsikan bahwa μ 푟=1,
sehingga persamaan menjadi.
6. Refleksi/Pemantulan

4. Ketika cahaya dilewatkan pada mediun satu ke mediun yang lain yang
memiliki perbedaan index bias. Sebagian cahaya tersebut akan tersebar di
permukaan di antara kedua mediun tersebut. Sehingga refleksifitas dapat
dinyatak dengan persamaan sebagaiberikut.
Jika cahaya dating tegak lurus terhadap permukaan mediun yang dituju,
maka persamaan menjadi sebgai berikut.
Dimana n1 dan n2 adalah indeks pantul dari kedua mediun yang
bersangkutan. Ketika cahaya ditransimisikan dai vakum atau udara, menuju
benda padat. Maka persamaan reflektifitas (R) menjadi sebagai berikut.
7. Absorbsi/Penyerapan
Pada prinsipnya, cahaya di absorbs oleh sebuah material dengan dua
mekanisme. Yang pertama adalah dengan mekanisme polarisasi elektronik,
sedangkan menisme kedua adalah dengan melibatkan pita valensi dan pita
konduksi transisi electron. Yang tergantung terhadap struktur pita energy
electron pada sebuah material.
Penyerapan foton dapat terjadi dengan promosi atau eksitasi dari electron
dari fita valensi terdekat, yang melewati perbatansan pita valensi dan konduksi
(band gap), menuju ke daerah kosong di pita konduksi, sehingga pada pita
konduksi terdapat elektro bebas dan pada pita konveksi terdapat hole, ilustrasi
dari proses tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

5. Eksitasi yang disertai dengan absorbs ini dapat terjadi jika energy foton lebih
besar dari band gap.
Atau jika melibatkan panjang gelombang, maka persamaan diatas menjadi.
Panjang gelombang minimum yang dapat ditoleransi untuk persamaan tersebut
adalah sebesar 0.4 μm. Sedangkan 퐸푔max untuk absorbsi cahaya tampak dapat
dihitung dengan persamaan.
Dari band gap maksimum yang diperoleh tersebut dapat diartikan jika sebuah
bahan memiliki band gap lebih dari 3.1 eV. Maka tidak ada cahaya yang di
absorbsi.
Koefisien absorbsi dari sebuah material dapat dihitung menggunakan persamaan
sebagai berikut.
Dimana 퐼′푇 adalah intensitas radiasi yang tidak ter absorbsi, 퐼′0 adalah intensitas
radiasi yang tidak dipantulkan. Sedangkan β adalah koefisien absorbsi (in 푚푚−1 )

6. 8. Transmisi
Fenomena pembiasan (refreksi), pemantulan (refleksi) dan penyerapan
(absorbsi) dapat di aplikasikan pada fenomena cahaya saat melewati bahan
padat yang transparan. Dimana intensitas transmisi, dapat dinyatakan dengan
persamaan sebagai berikut.
Ilustrasi dari transimi dapat dilihat pada gambar berikut.
9. Warna
Material transparan terlihat berwarna sebagai konsekwensi dari panjang
gelombang spesifik yang diserap. Warna jdapat dilihat sebagai hasil kombinasi
dari panjang gelombang yag di transmisikan. Jika absorbsi seragam untuk
semua panjang gelombang tampak maka material tersebut terlihat kurang
berwarna. Jadi fenomena terjadinya warna sangat berhubungan erat dengan
absorbsi.
Biasanya dalam adsorbsi melibatkan eksitasi electron seperti yang telah
dijelaskan pada pembahasan tentang adsorbsi. Salah satu situasi seperti
melibatkan material semikonduktor yang memiliki band gap diantara range
energy foton untuk cahaya tampak. Sehingga sebagian kecil cahaya tampak,
yang memiliki energy lebih keci dari pada Eg dapat di adsorbsi oleh pita valensi
dan pita konduksi electron transisi. Sehingga warna bergantung pada distribusi
frekwensi cahaya yag di transmisikan dan di pancarkan.
Sebagai contoh cadmium sulfide (CdS) mempunyai band gap sebesar 2.4
eV, sehingga hanya akan menyerap foton yag memiliki energy lebih besar dari
2.4 eV, dimana foton dengan energy tersebut sangat identik dengan warna biru
dan ungu pada spectrum tampak. Sebagaian dari energy ini diradiasikan
kembali sebagai cahaya yang memiliki panjang gelombang lain. cadmium sulfide
(CdS) memiliki warna kuning-orange yang merupakan kobianasi dari cahaya
yang di transmisikan

7. APLIKASI FENOMENA OPTIS
10. Luminesence
Beberapa material dapat menyerap energy dan kemudian memancarkan
sebuah cahaya tampak, fenomena ini dikenal dengan Luminesence. Energy
diserap ketika electron promosi menuju tingkat energy yang lebih tinggi,
sedangkan cahaya tampak dipancarkan saat electron tersebut kembali ke
tingkat energy yang lebih rendah. Jika pancaran terjadi dengan waktu yang
sangat singkat kurang dari satu detik, maka dinamakan floyrescence, sedangkan
bila pancaran memiliki waktu yang lebih lama, maka dinamakan
phosphorescence. Contoh dari fenomena Luminesence ini salah satunya adalah
pada benda benda fosfor yang dapat menyala dalam gelap beberapa saat.
11. Fotokonduktivitas
Fotokonduktivitas adalah fenomena optik dan listrik di dalam suatu material
yang menjadi lebih konduktif ketika menyerap radiasi elektromagnet seperti
cahaya tampak, sinar ultraviolet, sinar inframerah, atau radiasi gamma. Ketika
cahaya diserap oleh sebuah material seperti semikonduktor, jumlah dari
perubahan elektron bebas dan hole meningkatkan konduktivitas listrik dari
semikonduktor. Eksitasi cahaya yang menumbuk semikonduktor harus
mempunyai cukup energi untuk meningkatkan jumlah elektron yang
menyebrangi daerah terlarang atau oleh eksitasi pengotoran dalam daerah band
gap.
Fotokonduktivitas merupakan suatu fenomena umum yang biasa dimiliki
pada bahan semikonduktor. Dimana bahan semikonduktor akan meningkat
harga konduktivitasnya apabila dikenai cahaya dengan panjang gelombang
tertentu. Fenomena fotokonduktivitas juga dapat diamati pada bahan polimer
(isolator) yang mana mempunyai sifat model energi yang sama dengan bahan
semikonduktor.
12. Laser
Laser merupakan sebuah akronim dari Amplification By Stimulated Emission
Of Radiation. Pembahasan tentang laser tidak dapat terlepas dari eksitasi
electron, yaitu berpindahnya sebuah electron ke tingkat energy yang lebih tinggi.
Elektron yang sudah pindah ke tingkat energi yang lebih tinggi ini berada dalam
keadaan tidak stabil. Elektron ini selalu berusaha untuk kembali ke keadaan
awalnya dengan cara melepaskan kelebihan energi tersebut. Energi yang
dilepaskan berbentuk foton (energi cahaya) yang memiliki panjang gelombang
tertentu (warna tertentu) sesuai dengan tingkat energinya. Ini yang disebut
radiasi atom. Pada lampu senter ataupun lampu neon biasa, cahaya yang
dihasilkan menuju ke segala arah dan memiliki bermacam panjang gelombang
dan frekuensi (incoherent light). Hasilnya adalah cahaya yang sangat lemah.
Pada teknologi laser, cahaya yang dihasilkan mempunyai karakteristik
tersendiri yaitu monokromatik (satu panjang ge lombang yang spesifik), koheren

8. (pada frekuensi yang sama), dan menuju satu arah yang sama sehingga
cahayanya menjadi sangat kuat, dan terfokus.
Ada bermacam media yang dapat di gunakan untuk menghasilkan sinar laser,
misalnya solid state laser (menggunakan bahan padat sebagai medianya;
contoh: batu ruby), dan gas laser (misalnya gas helium, neon, CO 2 ). Kekuatan
laser sangat bervariasi, berg antung pada panjang gelo mbang yang
dihasilkannya. Sebagai perbandingan, panjang gelombang yang dihasilkan ruby
laser adalah 694 nm (6,94x10 -7 m), sedangkan panjang gelombang yang
dihasilkan gas CO 2 adalah 10.600 nm (1,06x10 -5 m). Batu ruby (CrAlO 3 )
menghasilkan sinar laser berwarna.
13. Fiber Optik pada system Komunikasi
fiber optic banyak dipakai sebagai medi transmisi data maupun informasi
dengan kecepatan yang tinggi dengan sedikit error, karena tidak ada interfrensi
elektromagnetik pada fiber optik. Dimana diagram blok dari system fiber optic
dapat dilihat pada gambar berikut.
Informasi dalam bentuk elektronik haris diubah dalam bentuk digital
menggunakan komponen encoder. Selanjutnya sinya digital elektrik tersebut
harus di ubah dalam bentuk optical (photonic) dengan menggunkan komponen
electrical to optical converter. Komponen ini biasanya berupa sebuah laser
semikonduktor yang meng emisikan cahaya monokromatik dan koheren. Output
dari laser ini adalah sebuah pulsa-pulsa cahaya. Pulsa pulsa cahaya ini
kemudian menuju kabel fiber optic untuk kemudian di transmisikan ke tujuan,
yang diperlukan sebuah repeater untuk menguatkan. Kemudian pada bagian
penerima, pulsa cahaya tersebut perlu diubah kembali menjadi digital electrical
menggunakan komponen optical to electrical converter.
Komponen dari fiber optic antara lain adalah core, cladding dan coating.
Dimana dapat dilihat pada gambar berikut.

9. Dimana material yang biasa digunakan adalah sebuah silica dengan
kemurnian yang tinggi, diameter dari fiber optic adalah sekitar 5-10 .
Sinar dalam fiber optik berjalan melalui inti dengan secara memantul dari
cladding, dan hal ini disebut total internal reflection, karena cladding sama
sekali tidak menyerap sinar dari inti. Akan tetapi dikarenakan ketidakmurnian
kaca sinyal cahaya akan terdegradasi, ketahanan sinyal tergantung pada
kemurnian kaca dan panjang gelombang sinyal.