the Whoa of Diffraction

FENOMENA DIFRAKSI

1.        Warna-warni pada bulu burung merak

Bulu merak memiliki warna yang indah. Warna-warni pada bulu merak bukan disebabkan oleh pigmen warna pada bulu, tetapi karena difraksi. Cahaya putih dari matahari merupakan cahaya polikromatik. Cahaya putih yang datang pada bulu merak akan mengenai lapisan melanin yang berperan sebagai kisi reflesi. Hal ini menyebabkan cayaha datang melangalami difraksi sehingga cahaya purih akan terurai sesuai sudut difraksi yang dialami. Warna-warni yang terobservasi pada bulu merak menunjukkan antara warna akan mengalami sudut difraksi yang berbeda. 

Lapisan melanin bersifat seperti cermin sehingga dapat memantulkan cahaya. Lapisan melanin pada bulu merak seperti batang-batang yang yang tersusun parallel. Jarak antara batang-batang mendekati panjang gelombang cahaya tampak. Susunan melanin ini berperan sebagai kisi refleksi (Gambar a) sehingga saat cahaya polokromatik datang akan terdifraksi dan terurai sesuai dengan panjang gelombang menjadi cahaya tampak. Gambar C, menunjukkan gambar mikroskopik dari batang melanin yang tampak gelap di dalam keratin yang terlihat pucat. Jarak antar batang melanin rata-rata seragam 0,25x10^-6 m

(c)

Bulu merak terlihat biru-hijau meskipun tidak memiliki pigmen warna tersebut disebabkan adanya difraksi yang menghasilkan warna biru-hijau. Cahaya yang dipantulkan dengan maksimal terhadap panjang gelombang sesuai dengan persamaan Brag . Cahaya yang terdifraksi akan mengalami interferensi maksimum  saat m=1.

Diperoleh , pangjang gelombang tersebut merupakan pangjang gelombang untuk cahaya dengan warna biru-hijau. Hal ini lah yang menyebakan warna merak terlihat biru-hijau meskipun tidak terdapat pigmen biru-hijau.

Pada saat teramati pada sudut yang berbeda akan terlihat warna violet ( ). Maka sudut observasi dapat dihitung.

 

Sehingga pada dapa daerah yang sama, dapat terlihat warna violet jika diamati dengan sudut 60^o.

Kedua mata kita dapat mengamati warna yang berbeda saat melihat bagian yang sama. Hal ini disebabkan karena dua mata  kita menerima cahaya yang dipantulkan dari bulu pada sudut yang berbeda sehingga kedua mata menerima cahaya pada sudut yang berbeda dan mengandung warna yang berbeda dan diperkuat oleh interferensi konstruktif.

Berdasarkan data jarak antara batang melanin 0,25x10^-6 m, maka pada bulu merak terjadi difraksi dan interferensi maksimat pada (biru-hijau). Hal inilah yang menyebabkan bulu merak tidak tampak merah-kuning.

2.        Difraksi pada mata serangga

Difraksi cahaya juga terjadi evolusi mata serangga. Mata serangga terdiri dari benang-benang transparan yang disebut ommatidia. Ommatidia tersusun menjadi bentuk segienam. Lebar ommitidia pada serangga d = 2x10^-5 m.  Masing-masing ommatidium dapat menerima cahaya dengan sudut kurang θ dari dari sumbu tengahnya. Seluruh cahaya datang yang sesuai dengan sudut itu masuk ke omatidium sepanjang serat dan memberikan rangsangan berupa geteran ke dasarnya. Cahaya dari objek berbeda yang melewati ommaditium yang sama tidak dapat dibedakan. Supaya serangga dapat melihat dua objek, cahaya dari objek-objek tersebut harus melewati ommaditium yang berbeda. Untuk mencapai perbedaan yang maksimum, sudut θ seharusnya sekecil mungkin.

Missal terdapat cahaya hijau  memasuki ommatidia. Ini berarti bahwa cahaya harus membuat sudut lebih kecil dari θ dengan sumbu pusat dari omatidium yang akan mendifraksikan masuk kedalam omatidium tanpa mempedulikan sudut θ. Pengukuran secara nyata telah ditemukan bahwa penerimaan sudut antara 1° dan 2° pada lebah.

Gambar e. Ommitidia Serangga

Berdasarkan data d = 2x10^-5 m, kita dapat menghitung sudut difraksi yang dialami cahaya.

Lebar d pada omatidia lebah adalah bentuk yang optimal, jika lebar itu lebih kecil difraksi sudut  lebih besar. Mata serangga telah mencapainya melalui evolusi, perbedaan maksimum tetap konsisten dengan ukurannya.

Gambar f. Gambar sebelah kanan ialah warna yang ditangkap oleh mata manusia, gambar  sebelah kiri ialah warna yang ditangkap oleh mata serangga.

3.        Warna sayap kupu-kupu

Kupu-kupu Morpho jantan merupakan spesies kupu-kupu yang terdapat di hutan hujan tropir Amerika Selatan. Kupu-kupu tersebut memiliki warna biru yang cerah dan dikenal sebagai kupu-kupu yang indah. Kupu-kupu Morpho dapat dilihat dari pesawat yang terbang rendah atau sekitar 0,25 mil karena warnanya yang cerah.

Warna biru cerah pada warna kupu-kupu tidak disebabkan warna pigmen pada sayap, tetapi disebabkan karena adanya efek multi interferensi dari cahaya yang dipantulkan oleh lapisan tipis lamellae. Lapisan tersebut berbentuk bukit seperti kisi yang terdapat pasa sayap kupu-kupu. Lapisan lamellae juga menyebabkan cahaya terdifraksi. Kombinasi dari kedua efek tersebut menyebabkan sebuah spectrum refleksi dengan intensitas tinggi yang sangat tergantung pada sudut .

Multi interferensi merupakan sumber warna biru yang ditampilkan oleh sayap dan disebabkan interferensi antara lamellae dan lapisan udara diantara lamellae, sedangkan difraksi berasal dari serangkaian gununang lamellae yang tersusun secara periodic. Difraksi membantu memperbesar sudut yang tergantung pada panjang gelombang cahaya. Hamburan juga terjadi karena ketidakteraturan ketinggian struktur permukaan sayap, mengakibatkan keterganggunya dari koherensi antara tonjolan lamellae dan menghasilkan warna yang seragam.

Terdapat dua lapisan sisik pada sayap kupu-kupu. Lapisan bawah sesnsitif terhadap cahaya, dan sisik transparan yang berperan sebagai pendisfus optic untuk cahaya datang dan memperluas sudut. Struktur bukitan (ridge) terdapat pada sisik bawah, yang tersusun antara 2 dan 12 lapisan lamellae sepanjang rankaian bukitan (ridge) dan sedikir miring ke atas. Lamellae diposisikan asimetris sekitar pusat punggungan (ridge), dipisahkan oleh sebuah jaring trabekula untuk membentuk crosssection seperti pohon. Periodisitas pegunungan terletak di antara 300nm dan 2000nm, dengan lebar punggung total antara 500nm dan 700nm, tetapi meskipun ini, sedikit variasi terlihat alam warna yang berbeda dari spesies  kupu-kupu Morpho, itu adalah intensitas
warna yang bervariasi, dari biru berintensitas tinggi ke biru muda.

Lamellae memiliki ketebalan sekitar 60 nm dan terpisah sejauh 200 nm. Lamellae dan jarak diantaranya bertindak sebagai multilayer yang menyebabkan interferensi konstruktif dan destruktif dari pantulan antara masing-masing lamella dan udara yang terdapat diantara lamella. Indeks bias kutikula  sekitar 1,56±0,06 sedangkan udara adalah 1, dan inilah perbedaan indeks bias yang memungkinkan warna biru terang untuk diproduksi dan intensitas tinggi dapat dicapai karena jumlah lapisan yang terlibat dan perbedaan indeks bias yang tinggi.

     

Gambar g. Perbesaran permukaan kupu-kupu Morpho menggunakan SME

Gambar h. Interferensi konstruktif pada lapisan multilayer

Struktur dimensi kupu-kupu Morpho

Interferensi konstruktif pada cahaya yang mengenai lapisan multilayer berlaku persamaan:

Dimana, m=n+1/2 (n bilangan bulat)

Pembiasan yang dialami cahaya yang mengenai lamellae berlaku Hukum Snellius,

Untuk mendapatkan persamaan saat terjadi interferensi maksimum, kita gabungkan persamaan 1 dan 2.

   

Pada kasus ini kupu-kupu terlihat tampak biru, maka , d adalah periodic dari lamellae d=207 nm, n₁=1,56 indek bias lapisan lamellae, n_o=1 indek bias udara, interferensi maksimum saat m=1+1/2=3/2. Berdasarkan data ini kita dapat menghitung besar sinar datang yang mengalami interferensi maksimum cahaya biru.

Difraksi juga dihasilkan pada permukaan sayap kupu-kupu karena struktur jarak antara ridge yang periodik. Diberikan persamaan:

 

Kita anggap sudut difraksi yang teramati , maka kita dapat menghitung panjang gelombang yang teramati.

  

Ini adalah cahaya dengan panjang gelombang yang berkisar pada warna biru.

Missal , maka cahaya yang akan teramati adalah

Diperoleh panjang gelombang 315nm, maka yang teramati adalah cahaya dengan warna biru keputihan. Hal ini disebabkan karena pada sudut yang kecil difraksi dan interferensi akan terganggu oleh pantulan cahaya putih, sehingga terlihat bersinar. Jika teramati pada sudut yang besar, gangguan cahaya putih tidak ada, jadi warna kupu-kupu terlihat biru.