Prinsip Huygens difraksi cahaya (Huygens's Principle: Diffraction)

Gambar 1, menunjukkan bagaimana gelombang transversal tampak seperti yang terlihat dari atas dan dari samping. Gelombang cahaya dapat dibayangkan untuk penyebaran seperti ini, walaupun kita tidak benar-benar melihatnya menggeliat melalui ruang. Dari atas, kita melihat muka gelombang (dari puncak gelombang). Sisi tampilan akan menjadi grafik medan listrik atau magnet. Pemandangan dari atas adalah mungkin yang paling berguna dalam mengembangkan konsep tentang gelombang optik.

Gambar 1: Sebuah gelombang transversal, seperti gelombang elektromagnetik seperti cahaya, seperti yang terlihat dari atas dan dari samping. Arah propagasi tegak lurus terhadap muka gelombang (dari puncak gelombang) dan diwakili oleh panah seperti sinar.

Ilmuwan Belanda Christiaan Huygens (1629-1695) mengembangkan teknik yang berguna untuk menentukan secara rinci bagaimana dan di mana gelombang merambat. Mulai dari beberapa posisi dikenal dengan prinsip Huygens yang menyatakan bahwa:

setiap muka gelombang dapat dianggap memproduksi wavelet atau gelombang-gelombang baru dengan panjang gelombang yang sama dengan panjang gelombang sebelumnya. Wavelet bisa diumpamakan gelombang yang ditimbulkan oleh batu yang dijatuhkan ke dalam air.

Gambar 2 menunjukkan bagaimana prinsip Huygens diterapkan. Sebuah muka gelombang (wavefront) adalah sisi panjang yang bergerak, misalnya, puncak atau palung. Setiap titik pada muka gelombang memancarkan gelombang berbentuk setengah lingkaran yang bergerak dengan kecepatan v. Ini diambil pada suatu waktu t kemudian, sehingga gelombang ini telah berpindah sejauh s = vt. Muka gelombang baru adalah bersinggungan baris ke wavelet dan di mana kita mengharapkan gelombang ketika t waktu kemudian itu terjadi. Prinsip Huygens bekerja untuk semua jenis gelombang, termasuk gelombang air, gelombang suara, dan gelombang cahaya. Ada baiknya kita menggambarkan bagaimana gelombang cahaya merambat, tetapi juga dalam menjelaskan hukum refleksi dan refraksi. Selain itu, kita akan melihat bahwa prinsip Huygens mengatakan kepada kita bagaimana dan di mana sinar cahaya ketika diganggu.

Gambar 2: Prinsip Huygens diterapkan pada muka gelombang yang lurus. Setiap titik pada muka gelombang yang yang memancarkan wavelet setengah lingkaran yang bergerak sejauh s = vt. Muka gelombang baru adalah bersinggungan baris ke wavelet.

Gambar 3 menunjukkan bagaimana cermin mencerminkan gelombang masuk pada sudut sama dengan sudut datang, ini menjelaskan hukum refleksi. Muka gelombang yang akan menabrak cermin dipancarkan dari bagian kiri cermin dan kemudian kanan. Muka gelombang yang lebih dekat ke kiri memiliki waktu untuk melakukan perambatan lebih jauh dan menghasilkan muka gelombang baru dalam arah yang ditunjukkan.

Gambar 3: Prinsip Huygens diterapkan juga pada muka gelombang yang lurus ke permukaancermin.

Hukum refraksi dapat dijelaskan dengan menerapkan prinsip Huygens ke muka gelombang lewat dari satu medium ke lainnya (lihat Gambar 4). Setiap wavelet pada gambar itu dikeluarkan saat muka gelombang melintasi antarmuka antara medium. Karena kecepatan cahaya lebih kecil dalam medium kedua, gelombang tidak bergerak jauh dalam waktu tertentu, dan muka gelombang baru arahnya berubah seperti yang ditunjukkan. Hal ini menjelaskan mengapa sinar berubah arah menjadi lebih dekat dan tegak lurus ketika cahaya melambat. Hukum Snellius dapat diturunkan dari geometri dalam Gambar, tapi ini dibiarkan sebagai latihan bagi pembaca yang ambisius (coba sendiri).

Gambar 4: Prinsip Huygens diterapkan pada muka gelombang yang lurus bergerak dari satu medium ke lainnya di mana kecepatan berkurang. sinar dibelokkan ke arah tegak lurus, karena wavelet memiliki kecepatan yang lebih rendah dalam medium kedua.

 Apa yang terjadi ketika gelombang melewati sebuah lubang, seperti cahaya bersinar melalui pintu terbuka ke sebuah ruangan gelap? Untuk cahaya, kita berharap dapat melihat bayangan tajam pintu di lantai ruangan, dan  kita anggap tidak ada cahaya yang membungkuk di sudut-sudut ke bagian lain dari ruangan. Ketika suara melewati pintu, kita berharap untuk mendengar suara di mana-mana di dalam ruangan dan, dengan demikian, berharap bahwa suara menyebar keluar ketika melewati pembukaan tersebut (lihat Gambar 5). Apa perbedaan antara perilaku gelombang suara dan gelombang cahaya dalam kasus ini? Jawabannya adalah bahwa cahaya memiliki panjang gelombang yang sangat pendek dan bertindak seperti sinar. Suara memiliki panjang gelombang pada urutan ukuran pintu dan tikungan sekitar sudut (untuk frekuensi 1000 Hz, λ = c/f = (330 m/s) /(1000 Hz) = 0,33 m, sekitar tiga kali lebih kecil dari lebar pintu).

Gambar 5: (a) Cahaya melewati sebuah pintu membuat garis tajam di lantai. jejak gelombang cahaya yang sangat kecil dibandingkan dengan ukuran pintu, itu bertindak seperti sinar. (b) Gelombang suara menyebar ke seluruh bagian ruang, efek gelombang ini karena panjang gelombang bunyi mendekati  ukuran pintu.

Jika dilewatkan cahaya melalui bukaan lebih kecil, sering disebut celah, kita dapat menggunakan prinsip Huygens untuk melihat bahwa tikungan ringan seperti suara belum (lihat Gambar 6). Pembengkokan gelombang sekitar tepi dari celah atau hambatan disebut difraksi. Difraksi adalah karakteristik gelombang dan terjadi untuk semua jenis gelombang. Jika difraksi diamati untuk beberapa fenomena, itu adalah bukti bahwa fenomena ini gelombang. Jadi difraksi horisontal sinar laser setelah melewati celah adalah bukti bahwa cahaya adalah gelombang.

Gambar 6: Prinsip Huygens diterapkan pada muka gelombang yang lurus mencolok pada celah. Tepi tikungan muka gelombang yang setelah melewati celah, proses yang ini disebut difraksi.