Physics · Buku 4 · Bachelor Year 2

Fisika Universitas — Tahun 2

Fisika Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2

21Interferensi Banyak Gelombang dan Kisi

Miringkanlah sebuah cakram padat di bawah sebuah lampu dan ia melemparkan pelangi: pilinan lubang mungilnya, yang terpisah satu setengah mikrometer, adalah sebuah kisi — beribu jalur pemantul mungil, yang masing-masingnya mengirimkan kembali salinan gelombangnya, semuanya berinterferensi. Dua gelombang memberi rumbai cos⁡2\cos^2 yang lembut pada bab terdahulu; seribu gelombang memberi rumbai yang seribu kali lebih sempit, cukup tajam untuk memisahkan dua panjang gelombang yang berselisih satu bagian dalam seratus ribu. Itulah instrumen yang dengannya susunan Matahari dan kelajuan galaksi terbaca, dan yang duduk dalam setiap spektrometer. Bab ini menjumlahkan NN gelombang, menurunkan persamaan kisinya, dispersi dan daya urainya, lalu menjumpai piranti banyak gelombang yang lain, yaitu rongga Fabry–Pérot yang akan menjadi resonator laser.

Sebuah cakram padat dalam cahaya matahari: pilinan lubang mungilnya, yang terpisah 1.6\, µ m, adalah sebuah kisi pantul, dan tiap ordenya menyebarkan cahaya putihnya menjadi sebuah spektrum.
Sebuah cakram padat dalam cahaya matahari: pilinan lubang mungilnya, yang terpisah 1.6 µm1.6\,\text{µ}\mathrm{m}, adalah sebuah kisi pantul, dan tiap ordenya menyebarkan cahaya putihnya menjadi sebuah spektrum.

21.1 Interferensi NN gelombang

Teorema 21.1 (NN gelombang sama dalam kemajuan fase aritmetika)

NN gelombang koheren beramplitudo sama aa, yang masing-masingnya tertinggal dari yang sebelumnya sebesar fase φ\varphi, bertumpang tindih menjadi sebuah gelombang beramplitudo A(φ)A(\varphi) dan berintensitas

A=a sin⁡(Nφ/2)sin⁡(φ/2),I(φ)=I0 sin⁡2(Nφ/2)sin⁡2(φ/2):A = a\,\frac{\sin(N\varphi/2)}{\sin(\varphi/2)} , \qquad I(\varphi) = I_0\,\frac{\sin^2(N\varphi/2)}{\sin^2(\varphi/2)} :

maksimum utama berintensitas N2I0N^2I_0 di tempat φ=2πp\varphi = 2\pi p (semua gelombangnya sefase), berlebar setengah sudut 2π/N2\pi/N dalam φ\varphi (nol pertamanya berada di φ=2πp±2π/N\varphi = 2\pi p \pm 2\pi/N), yang dipisahkan N−2N - 2 maksimum sekunder yang tak lebih tinggi daripada sekitar 4.5%4.5\% maksimum utamanya bagi NN yang besar. Makin banyak gelombangnya, makin tajam dan terang puncaknya: lebarnya menyusut sebagai 1/N1/N, tingginya tumbuh sebagai N2N^2, energinya (hasil kali keduanya) sebagai NN.

Bukti. Amplitudo kompleksnya aeikφa\eu^{\iu k\varphi}, k=0,…,N−1k = 0, \dots, N - 1: sebuah deret ukur, a(1−eiNφ)/(1−eiφ)=aei(N−1)φ/2sin⁡(Nφ/2)/sin⁡(φ/2)a(1 - \eu^{\iu N\varphi})/(1 - \eu^{\iu\varphi}) = a\eu^{\iu(N - 1)\varphi/2}\sin(N\varphi/2) /\sin(\varphi/2). Nolnya di tempat sin⁡(Nφ/2)=0\sin(N\varphi/2) = 0 tetapi sin⁡(φ/2)≠0\sin(\varphi/2) \ne 0: φ=2πm/N\varphi = 2\pi m/N, dengan mm bukan kelipatan NN. Dalam gambaran fasornya NN anak panahnya menutup menjadi sebuah poligon beraturan di nolnya dan berjajar pada maksimum utamanya. ∎

Kiri: jumlah fasor lima gelombang yang sama — sebuah kipas beraturan yang talibusurnya adalah resultannya; ia menutup menjadi segilima, lalu lenyap, pada = 2π/5. Kanan: intensitas bagi 2, 5 dan 12 gelombang, yang dinormalkan terhadap puncaknya: maksimum utamanya menajam sebagai 1/N.
Kiri: jumlah fasor lima gelombang yang sama — sebuah kipas beraturan yang talibusurnya adalah resultannya; ia menutup menjadi segilima, lalu lenyap, pada φ=2π/5\varphi = 2\pi/5. Kanan: intensitas bagi 22, 55 dan 1212 gelombang, yang dinormalkan terhadap puncaknya: maksimum utamanya menajam sebagai 1/N1/N.

21.2 Kisi difraksi

Proposisi 21.2 (Persamaan kisi)

Sebuah kisi adalah sehimpunan NN celah sejajar yang serupa dan berjarak sama (atau alur) berperiode aa. Sebuah gelombang bidang yang datang pada sudut θ0\theta_0 dari normalnya dipancarkan ulang tiap celahnya; dalam arah θ\theta gelombang dari celah tetangganya mempunyai beda lintasan δ=a(sin⁡θ−sin⁡θ0)\delta = a(\sin\theta - \sin\theta_0), dan semuanya menguat dalam arah

a (sin⁡θp−sin⁡θ0)=pλ,p=0,±1,±2,…a\,(\sin\theta_p - \sin\theta_0) = p\lambda , \qquad p = 0, \pm1, \pm2, \dots

— yaitu orde kisinya. Orde nolnya adalah berkas yang tak menyimpang bagi setiap panjang gelombang; tiap orde lainnya menyebarkan panjang gelombangnya, dengan dispersi sudut

 ⁣dθ ⁣dλ=pacos⁡θ,\frac{\dd\theta}{\dd\lambda} = \frac{p}{a\cos\theta} ,

yang lebih besar bagi kisi yang lebih halus dan orde yang lebih tinggi; orde maksimumnya adalah ∣p∣≤a(1+∣sin⁡θ0∣)/λ|p| \le a(1 + |\sin\theta_0|)/\lambda. Sebuah kisi pantul (alur yang digurat pada sebuah cermin) menuruti persamaan yang sama dengan sudut pantulnya.

Bukti. Fase antara celah yang berturut-turut adalah φ=2πδ/λ\varphi = 2\pi\delta/\lambda; maksimum utama Teorema 21.1 berada di δ=pλ\delta = p\lambda. Turunkanlah asin⁡θ=pλ+asin⁡θ0a\sin\theta = p\lambda + a\sin\theta_0 pada pp, θ0\theta_0 tetap. ∎

Kiri: kisinya — celah tetangganya memancar ulang dengan beda lintasan a pada datang tegak lurus. Kanan: pada sebuah layar, orde nol yang putih dan spektrum orde ±1, ±2, dengan lembayung terdekat ke pusatnya, lebih lebar (dan akhirnya bertumpang tindih) ketika p membesar.
Kiri: kisinya — celah tetangganya memancar ulang dengan beda lintasan asin⁡θa\sin\theta pada datang tegak lurus. Kanan: pada sebuah layar, orde nol yang putih dan spektrum orde ±1\pm1, ±2\pm2, dengan lembayung terdekat ke pusatnya, lebih lebar (dan akhirnya bertumpang tindih) ketika pp membesar.

Contoh 21.3 (Sebuah kisi ruang kelas dan sebuah CD)

Sebuah kisi 600600 garis tiap milimeter (a=1.67 µma = 1.67\,\text{µ}\mathrm{m}) pada datang tegak lurus mengirimkan cahaya 500 nm500\,\mathrm{nm} ke sin⁡θ=0.3\sin\theta = 0.3, θ=17.5∘\theta = 17.5{}^{\circ} dalam orde pertama, 36.9∘36.9{}^{\circ} dalam orde kedua, dan tak mempunyai orde ketiga (3×0.3>13 \times 0.3 > 1); spektrum orde pertamanya berjalan dari 13.9∘13.9{}^{\circ} (400 nm400\,\mathrm{nm}) sampai 24.8∘24.8{}^{\circ} (700 nm700\,\mathrm{nm}). Sebuah cakram padat, a=1.6 µma = 1.6\,\text{µ}\mathrm{m}, adalah kisi semacam itu dalam pantulan — dari situlah pelanginya, dan kenyataan bahwa sebuah DVD (a=0.74 µma = 0.74\,\text{µ}\mathrm{m}) menyebarkannya lebih lebar. Merah orde kedua (700 nm700\,\mathrm{nm} pada sin⁡θ=0.84\sin\theta = 0.84) bertumpang tindih dengan lembayung orde ketiga: ordenya bertumpang tindih di luar yang pertama, sebuah gangguan yang disembuhkan dengan tapis atau sebuah prisma.

21.3 Daya urai

Proposisi 21.4 (Daya urai sebuah kisi)

Dua panjang gelombang yang berdekatan λ\lambda dan λ+Δλ\lambda + \Delta\lambda tepat terurai dalam orde pp ketika maksimum utama yang satu jatuh pada nol pertama yang lain (kriteria Rayleigh), yang terjadi bagi

λΔλ=pN:\frac\lambda{\Delta\lambda} = pN :

daya urai-nya adalah ordenya dikalikan jumlah garis yang tersinari. Ia dapat pula dituliskan W(sin⁡θ−sin⁡θ0)/λW(\sin\theta - \sin\theta_0)/\lambda dengan W=NaW = Na yaitu lebar kisinya: yaitu beda lintasan terbesar menyeberangi kisinya, dalam panjang gelombang — itulah sebabnya spektrograf besar memakai kisi selebar berpuluh sentimeter lalu bekerja pada sudut yang menyerempet.

Bukti. Maksimum orde pp bagi λ+Δλ\lambda + \Delta\lambda berada di φ=2πp\varphi = 2\pi p bagi panjang gelombang itu, yakni di δ=p(λ+Δλ)\delta = p(\lambda + \Delta\lambda); nol pertama maksimum bagi λ\lambda berada di δ=pλ+λ/N\delta = p\lambda + \lambda/N. Menyamakannya: pΔλ=λ/Np\Delta\lambda = \lambda/N. Lalu pN=Na(sin⁡θ−sin⁡θ0)/λpN = Na(\sin\theta - \sin\theta_0)/\lambda. ∎

Contoh 21.5 (Memisahkan garis natrium)

Dubletnya, Δλ=0.6 nm\Delta\lambda = 0.6\,\mathrm{nm} pada 589 nm589\,\mathrm{nm}, menuntut R=1000R = 1000: yaitu seribu garis dalam orde pertama, 2 mm2\,\mathrm{mm} sebuah kisi 600 garis/mm600\,\mathrm{garis}/\mathrm{mm}. Lebar garisnya sendiri, 0.02 nm0.02\,\mathrm{nm}, menuntut R=30 000R = 30\,000: sebuah kisi 5 cm5\,\mathrm{cm} dalam orde pertama, atau 2.5 cm2.5\,\mathrm{cm} dalam orde kedua — dan sebuah kisi 10 cm10\,\mathrm{cm} ber-1200 garis/mm1200\,\mathrm{garis}/\mathrm{mm} dalam orde kedua mencapai 240 000240\,000, yang mengurai 0.0025 nm0.0025\,\mathrm{nm}: yaitu lebar sebuah garis yang dilebarkan gerak termal atomnya, dan geseran Doppler sebuah bintang yang bergerak dengan 1 km/s1\,\mathrm{km}/\mathrm{s}.

Kriteria Rayleigh: puncak satu panjang gelombang pada nol pertama yang lain; jumlahnya (garis putus) menunjukkan lekukan sekitar 20\% antara dua garis yang terurai.
Kriteria Rayleigh: puncak satu panjang gelombang pada nol pertama yang lain; jumlahnya (garis putus) menunjukkan lekukan sekitar 20%20\% antara dua garis yang terurai.

21.4 Rongga Fabry–Pérot

Proposisi 21.6 (Interferensi banyak gelombang lewat pembelahan amplitudo)

Dua cermin sejajar yang memantul sebagian (reflektansi intensitas RR) yang terpisah jarak LL meneruskan sebuah gelombang pada datang tegak lurus hanya sejauh gelombang yang telah memantul 0,1,2,…0, 1, 2, \dots kali di antaranya bertambah sefase: dengan φ=4πL/λ\varphi = 4\pi L/\lambda yaitu fase pulang perginya, intensitas terusannya adalah (fungsi Airy)

ItI0=11+Fsin⁡2(φ/2),F=4R(1−R)2:\frac{I_t}{I_0} = \frac1{1 + F\sin^2(\varphi/2)} , \qquad F = \frac{4R}{(1 - R)^2} :

puncak tajam berpenerusan penuh di 2L=pλ2L = p\lambda (yaitu resonansi rongganya, yang berjarak dalam frekuensi sebesar jangkauan spektral bebas c/2Lc/2L), berlebar nisbi 1/F1/\mathcal F dengan kehalusan F=πR/(1−R)\mathcal F = \pi \sqrt R/(1 - R) — 3030 bagi R=0.9R = 0.9, 300300 bagi R=0.99R = 0.99. Ia menandingi kisinya dalam daya urai (pFp\mathcal F dengan p=2L/λ∼105p = 2L/\lambda \sim 10^5, maka R∼107R \sim 10^7) dan, ditutup pada dirinya sendiri, menjadi resonator laser (Bab 23).

Bukti. Tiap perjalanan pulang perginya mengalikan amplitudonya dengan ReiφR\eu^{\iu\varphi} (sampai pada sebuah fase tetap); amplitudo terusannya adalah t2a∑(Reiφ)k=t2a/(1−Reiφ)t^2a\sum(R\eu^{\iu\varphi})^k = t^2a/(1 - R\eu^{\iu\varphi}) dengan t2=1−Rt^2 = 1 - R; kuadrat modulusnya adalah (1−R)2/(1−2Rcos⁡φ+R2)=(1−R)2/[(1−R)2+4Rsin⁡2(φ/2)](1 - R)^2/ (1 - 2R\cos\varphi + R^2) = (1 - R)^2/[(1 - R)^2 + 4R\sin^2(\varphi/2)]. Puncaknya di φ=2πp\varphi = 2\pi p; setengah maksimumnya di tempat Fsin⁡2(φ/2)=1F\sin^2(\varphi/2) = 1, yakni Δφ≈4/F=2(1−R)/R\Delta\varphi \approx 4/\sqrt F = 2(1 - R)/\sqrt R, melawan 2π2\pi di antara puncaknya. ∎

Penerusan Airy sebuah rongga Fabry–Pérot: penerusan penuh pada resonansinya 2L = p, dengan puncaknya menyempit ketika reflektansi cerminnya membesar.
Penerusan Airy sebuah rongga Fabry–Pérot: penerusan penuh pada resonansinya 2L=pλ2L = p\lambda, dengan puncaknya menyempit ketika reflektansi cerminnya membesar.

Metode 21.7 (Perhitungan kisi)

(1) Periodenya a=1/(garis tiap mm)a = 1/(\text{garis tiap mm}); persamaan kisinya dengan tanda sudutnya. (2) Daftarkanlah orde yang ada (∣sin⁡θ∣≤1|\sin\theta| \le 1) lalu periksalah tumpang tindihnya (pλmax⁡p\lambda_{\max} terhadap (p+1)λmin⁡(p + 1)\lambda_{\min}). (3) Dispersinya p/acos⁡θp/a\cos\theta, yang diubah menjadi kedudukan pada detektornya dengan jarak fokusnya:  ⁣dx=f  ⁣dθ\dd x = f\,\dd\theta. (4) Daya urainya pNpN dengan NN yaitu garis yang sungguh tersinari; bandingkanlah λ/R\lambda/R dengan struktur yang hendak diurai. (5) Bagi instrumen yang sungguhan tambahkanlah lebar celah masuknya (ia mengaburkan garisnya) dan piksel detektornya.

21.5 Latihan

Latihan 21.1 ★

Sebuah kisi 500500 garis tiap milimeter pada datang tegak lurus, λ=550 nm\lambda = 550\,\mathrm{nm}: tentukanlah sudut ordenya; orde tertingginya; lebar sudut spektrum tampak orde pertamanya (400400–700 nm700\,\mathrm{nm}); kisi yang sama pada datang 30∘30{}^{\circ}: ordenya di tiap sisinya.

Solusi

Solusi Latihan 21.1.

a=2 µma = 2\,\text{µ}\mathrm{m}, sin⁡θp=0.275p\sin\theta_p = 0.275p: 16.0∘16.0{}^{\circ}, 33.4∘33.4{}^{\circ}, 55.6∘55.6{}^{\circ}; tak ada orde keempat. Cahaya tampak orde pertama dari 11.5∘11.5{}^{\circ} sampai 20.5∘20.5{}^{\circ}: 9∘9{}^{\circ}. Pada 30∘30{}^{\circ}: sin⁡θ=0.5+0.275p\sin\theta = 0.5 + 0.275p: p=+1p = +1 (51∘51{}^{\circ}) di satu sisi, p=−1p = -1 sampai −5-5 (13∘13^\circ, −3∘-3^\circ, −19∘-19^\circ, −37∘-37^\circ, −61∘-61^\circ) di sisi lainnya.

Latihan 21.2 ★

Dublet natrium dengan kisi 600600-garis/mm dan sebuah lensa ber-f=50 cmf = 50\,\mathrm{cm}: tentukanlah pemisahan sudut dan lurus kedua garisnya pada detektornya dalam orde pertama dan kedua; ukuran piksel yang diperlukan untuk melihat keduanya terpisah.

Solusi

Solusi Latihan 21.2.

a=1.67 µma = 1.67\,\text{µ}\mathrm{m}. Orde 1: θ=20.7∘\theta = 20.7{}^{\circ}, Δθ=Δλ/acos⁡θ=3.9×10−4 rad\Delta\theta = \Delta\lambda/a\cos\theta = 3.9 \times 10^{-4}\,\mathrm{rad}, 0.19 mm0.19\,\mathrm{mm}; orde 2: θ=45∘\theta = 45{}^{\circ}, 1.0×10−3 rad1.0 \times 10^{-3}\,\mathrm{rad}, 0.51 mm0.51\,\mathrm{mm}. Piksel 50 µm50\,\text{µ}\mathrm{m} atau kurang.

Latihan 21.3 ★

Daya urai sebuah kisi 2 cm2\,\mathrm{cm} ber-600600 garis/mm dalam orde 11, 22, 33; Δλ\Delta\lambda terkecil yang terurai pada 550 nm550\,\mathrm{nm}; terpisahkankah dublet natriumnya? Dan garis Hα\alpha hidrogen dari kembaran deuteriumnya (terpisah 0.18 nm0.18\,\mathrm{nm})?

Solusi

Solusi Latihan 21.3.

N=12 000N = 12\,000: R=12 000R = 12\,000, 24 00024\,000, 36 00036\,000; Δλ=0.046\Delta\lambda = 0.046, 0.0230.023, 0.015 nm0.015\,\mathrm{nm}; dubletnya (0.6 nm0.6\,\mathrm{nm}) dan pasangan H/D-nya (0.18 nm0.18\,\mathrm{nm}, yang menuntut R=3600R = 3600) terpisahkan dengan mudah.

Latihan 21.4 ★

Sebuah cakram padat (a=1.6 µma = 1.6\,\text{µ}\mathrm{m}) dan sebuah DVD (a=0.74 µma = 0.74\,\text{µ}\mathrm{m}) yang disinari pada datang tegak lurus: tentukanlah sudut lembayung dan merah orde pertamanya; orde mana yang ada bagi masing-masingnya; mengapa CD-nya menunjukkan dua pelangi dan DVD-nya satu?

Solusi

Solusi Latihan 21.4.

CD: lembayung 14.5∘14.5{}^{\circ}, merah 25.9∘25.9{}^{\circ}; merahnya ada sampai orde 2, lembayungnya sampai orde 4: dua pelangi (yang sebagian bertumpang tindih). DVD: lembayung 32.7∘32.7{}^{\circ}, merah 71∘71{}^{\circ}; merahnya hanya mempunyai orde pertama: satu pelangi, lebih lebar.

Latihan 21.5 ★★

Pola NN celah. (a) Tunjukkanlah bahwa antara dua maksimum utama terdapat N−1N - 1 nol dan N−2N - 2 maksimum sekunder. (b) Bagi NN yang besar, tentukanlah intensitas maksimum sekunder pertama relatif terhadap maksimum utamanya (pada Nφ/2≈3π/2N\varphi/2 \approx 3\pi/2): sekitar 1/221/22. (c) Sketsalah polanya bagi N=3N = 3 dan N=6N = 6 lalu berikanlah tinggi maksimum sekundernya bagi N=3N = 3. (d) Berapa bagian energi totalnya yang berada dalam maksimum utamanya bagi NN yang besar (bandingkanlah integral puncaknya, berlebar ∝1/N\propto 1/N, bertinggi ∝N2\propto N^2, dengan sisanya).

Solusi

Solusi Latihan 21.5.

(a) Nolnya di φ=2πm/N\varphi = 2\pi m/N, m=1,…,N−1m = 1, \dots, N - 1: N−1N - 1 nol, N−2N - 2 maksimum di antaranya. (b) Pada Nφ/2=3π/2N\varphi/2 = 3\pi/2, I≈I0/sin⁡2(3π/2N)≈I0(2N/3π)2I \approx I_0/\sin^2(3\pi/2N) \approx I_0(2N/3\pi)^2: 4/9π2=0.0454/9\pi^2 = 0.045 dari N2I0N^2I_0. (c) N=3N = 3: satu maksimum sekunder tunggal di φ=π\varphi = \pi bertinggi I0I_0, sepersembilan maksimum utamanya 9I09I_0; N=6N = 6: empat maksimum sekunder beberapa persen. (d) Cuping pusat sin⁡2x/x2\sin^2x/x^2 memuat 90%90\% energinya.

Latihan 21.6 ★★

Orde yang bertumpang tindih. (a) Tunjukkanlah bahwa orde pp dari λmax⁡\lambda_{\max} bertumpang tindih dengan orde p+1p + 1 dari λmin⁡\lambda_{\min} ketika pλmax⁡>(p+1)λmin⁡p\lambda_{\max} > (p + 1)\lambda_{\min}; bagi 400400–700 nm700\,\mathrm{nm}, sejak orde yang mana? (b) Jangkauan spektral bebas dalam orde pp: ΔλFSR=λ/p\Delta\lambda_{\text{FSR}} = \lambda/p. (c) Sebuah spektrograf bekerja dalam orde 2020 dekat 500 nm500\,\mathrm{nm} (sebuah kisi echelle): tentukanlah jangkauan spektral bebasnya; bagaimana tumpang tindihnya disingkirkan (penyebar silang)? (d) Jangkauan spektral bebas Fabry–Pérotnya adalah c/2Lc/2L: tuliskanlah ia dalam panjang gelombang lalu bandingkanlah dengan milik kisinya.

Solusi

Solusi Latihan 21.6.

(a) p>λmin⁡/(λmax⁡−λmin⁡)=1.33p > \lambda_{\min}/(\lambda_{\max} - \lambda_{\min}) = 1.33: sejak p=2p = 2. (b) λ/p\lambda/p. (c) 25 nm25\,\mathrm{nm}; sebuah prisma yang disilangkan dengan kisinya menumpuk ordenya satu di atas yang lain. (d) Δλ=λ2/2L\Delta\lambda = \lambda^2/2L, sepersekian nanometer — beratus kali lebih kecil daripada milik sebuah kisi.

Latihan 21.7 ★★

Kisi berkilas. Sebuah kisi pantul mempunyai alurnya yang dimiringkan sebesar sudut kilas β\beta sehingga tiap fasetnya memantul secara cermin ke dalam arah yang di sana orde pp diinginkan. (a) Bagi tatanan Littrow (θ=θ0=β\theta = \theta_0 = \beta): tunjukkanlah 2asin⁡β=pλ2a\sin\beta = p\lambda; berapa sudut kilas bagi 500 nm500\,\mathrm{nm} orde pertama dengan 12001200 garis/mm. (b) Mengapa kilasnya mengirimkan sebagian besar cahayanya ke dalam satu orde (pikirkanlah selubung difraksi satu faset, Bab 22)? (c) Kisi yang sama dikilaskan bagi 1 µm1\,\text{µ}\mathrm{m}: dalam orde yang mana ia mangkus pada 500 nm500\,\mathrm{nm}? (d) Berapa daya urai sebuah kisi 10 cm10\,\mathrm{cm} dalam Littrow pada β=64∘\beta = 64{}^{\circ}, λ=500 nm\lambda = 500\,\mathrm{nm} (pakailah R=2Wsin⁡β/λR = 2W\sin\beta/\lambda).

Solusi

Solusi Latihan 21.7.

(a) sin⁡β=λ/2a=0.3\sin\beta = \lambda/2a = 0.3, β=17.5∘\beta = 17.5{}^{\circ}. (b) Faset tunggalnya mendifraksikan ke dalam sebuah cuping lebar yang berpusat pada arah cerminnya; orde yang jatuh di dalamnya mendapatkan cahayanya. (c) Orde 2 (2×500 nm=1 µm2 \times 500\,\mathrm{nm} = 1\,\text{µ}\mathrm{m} pada sudut yang sama). (d) R=2Wsin⁡β/λ=3.6×105R = 2W\sin\beta/\lambda = 3.6 \times 10^5.

Latihan 21.8 ★★

Celahnya. Celah masuk sebuah spektrometer selebar ss dicitrakan pada detektornya dengan perbesaran 11; kisinya (600600 garis/mm, 5 cm5\,\mathrm{cm}, orde 11, f=50 cmf = 50\,\mathrm{cm}) menyebarkan. (a) Tentukanlah lebar sebuah garis pada detektornya karena celahnya saja bagi s=50 µms = 50\,\text{µ}\mathrm{m}, dalam nm. (b) Lebarnya karena daya urai kisinya. (c) Mana yang menguasai; berapa lebar celah yang padanya keduanya sama. (d) Mengapa tidak menutup celahnya lebih rapat lagi?

Solusi

Solusi Latihan 21.8.

(a)  ⁣dλ/ ⁣dx=acos⁡θ/pf=3.1 nm/mm\dd\lambda/\dd x = a\cos\theta/pf = 3.1\,\mathrm{nm}/\mathrm{mm}: 50 µm50\,\text{µ}\mathrm{m} adalah 0.16 nm0.16\,\mathrm{nm}. (b) R=30 000R = 30\,000: 0.018 nm0.018\,\mathrm{nm}. (c) Celahnya, sembilan kali; sama pada s=6 µms = 6\,\text{µ}\mathrm{m}. (d) Difraksi pada celahnya dan detektor yang kelaparan.

Latihan 21.9 ★★

Fabry–Pérot. Cermin ber-R=0.95R = 0.95, L=5 mmL = 5\,\mathrm{mm}, λ=600 nm\lambda = 600\,\mathrm{nm}. (a) Tentukanlah orde pp, jangkauan spektral bebas dalam frekuensi dan dalam panjang gelombang. (b) Kehalusannya; lebar sebuah puncak penerusan dalam frekuensi dan panjang gelombang. (c) Daya urainya pFp\mathcal F; bandingkanlah dengan kisi 10 cm10\,\mathrm{cm}. (d) Mengapa sebuah Fabry–Pérot selalu dipakai dengan sebuah pratapis atau sebuah kisi?

Solusi

Solusi Latihan 21.9.

(a) p=2L/λ=16 700p = 2L/\lambda = 16\,700; FSR c/2L=30 GHzc/2L = 30\,\mathrm{GHz}, λ2/2L=0.036 nm\lambda^2/2L = 0.036\,\mathrm{nm}. (b) F=π0.95/0.05=61\mathcal F = \pi\sqrt{0.95}/0.05 = 61; 0.5 GHz0.5\,\mathrm{GHz}, 0.6 pm0.6\,\mathrm{pm}. (c) pF=106p\mathcal F = 10^6, empat kali milik kisi 10 cm10\,\mathrm{cm}. (d) Jangkauan spektral bebasnya sepersekian nanometer: ordenya bertumpang tindih kecuali cahayanya ditapis lebih dahulu menjadi salah satunya.

Latihan 21.10 ★★★

Batas sebuah kisi. (a) Tunjukkanlah bahwa R=pN=W(sin⁡θ−sin⁡θ0)/λ≤2W/λR = pN = W(\sin\theta - \sin\theta_0) /\lambda \le 2W/\lambda: daya urainya tak dapat melampaui lebar kisinya dalam panjang gelombang, dikalikan dua. (b) Tafsirkanlah: yaitu beda lintasan terbesar antara sinar ekstremnya. (c) Sebuah kisi 30 cm30\,\mathrm{cm} pada 500 nm500\,\mathrm{nm}: tentukanlah RR pamungkasnya; kelajuan terkecil yang terurai lewat geseran Doppler (Δλ/λ=v/c\Delta\lambda/\lambda = v/c). (d) Mengapa ahli astronomi toh mencapai 1 m/s1\,\mathrm{m}/\mathrm{s} (pikirkanlah mengukur kedudukan sebuah garis sampai sepersekian lebarnya, dengan banyak garis)?

Solusi

Solusi Latihan 21.10.

(a) ∣sin⁡θ−sin⁡θ0∣≤2|\sin\theta - \sin\theta_0| \le 2. (b) Sinar ekstremnya berselisih lintasan sebesar W(sin⁡θ−sin⁡θ0)W(\sin\theta - \sin\theta_0) paling banyak 2W2W. (c) 2×0.3/5×10−7=1.2×1062 \times 0.3/5 \times 10^{-7} = 1.2 \times 10^6; c/R=250 m/sc/R = 250\,\mathrm{m}/\mathrm{s}. (d) Pusat sebuah garis ditemukan sampai seperseratus lebarnya, dan seribu garis merata-ratakannya turun sebesar 1000\sqrt{1000}: bermeter tiap sekon, dengan kemantapan yang heroik.

Latihan 21.11 ★★★

Bragg. Sebuah hablur adalah kisi tiga dimensi: sinar-X yang dipantulkan bidang atom yang berturut-turut yang terpisah jarak dd, pada sudut serempet θ\theta, berinterferensi membangun ketika 2dsin⁡θ=pλ2d\sin\theta = p\lambda (Bragg). (a) Turunkanlah ia dari beda lintasan antara dua bidang. (b) Radiasi Kα\alpha tembaga (0.154 nm0.154\,\mathrm{nm}) pada garam batu (d=0.282 nmd = 0.282\,\mathrm{nm}): tentukanlah sudut Braggnya. (c) Mengapa panjang gelombang tampak tak memberi pemantulan Bragg dari hablur, dan apa yang dikatakan kebalikannya (tak ada difraksi sinar-X dari kaca) tentang kaca? (d) Mengapa harus λ<2d\lambda < 2d?

Solusi

Solusi Latihan 21.11.

(a) Gelombang yang dipantulkan bidang bawahnya menempuh 2dsin⁡θ2d\sin\theta lebih banyak. (b) sin⁡θ=0.273p\sin\theta = 0.273p: 15.8∘15.8{}^{\circ}, 33.1∘33.1{}^{\circ}, 55.0∘55.0{}^{\circ}. (c) λ≫2d\lambda \gg 2d: tak ada sudut yang memenuhi persamaannya; kaca tak mempunyai bidang beraturan, maka hanya cincin baur — ia amorf. (d) sin⁡θ≤1\sin\theta \le 1.

Latihan 21.12 ★★★

Larik berfase. NN antena serupa dalam satu garis, berjarak aa, disuapi dengan amplitudo yang sama dan tangga fase ψ\psi antara tetangganya. (a) Tunjukkanlah bahwa medan terpancar dalam arah θ\theta adalah medan jumlah NN gelombangnya dengan φ=2πasin⁡θ/λ−ψ\varphi = 2\pi a\sin\theta/\lambda - \psi: berkas utamanya menunjuk ke tempat sin⁡θ=λψ/2πa\sin\theta = \lambda\psi/2\pi a. (b) Lebar setengah berkas utamanya, Δθ≈λ/Nacos⁡θ\Delta\theta \approx \lambda/Na\cos\theta. (c) Mengapa harus a≤λ/2a \le \lambda/2 untuk menghindari berkas utama kedua (sebuah cuping kisi) ketika mengemudi? (d) Sebuah radar dengan 6464 elemen pada λ/2\lambda/2, λ=3 cm\lambda = 3\,\mathrm{cm}: berapa lebar berkasnya; waktu untuk memindai 90∘90^\circ dalam langkah selebar satu berkas jika fasenya beralih dalam 1 µs1\,\text{µ}\mathrm{s}.

Solusi

Solusi Latihan 21.12.

(a) Tetangganya berselisih fase sebesar 2πasin⁡θ/λ2\pi a\sin\theta/\lambda dari lintasannya dan −ψ-\psi dari catuannya; maksimum utamanya di φ=0\varphi = 0. (b) Nol pertamanya di Δφ=2π/N\Delta\varphi = 2\pi/N: Δθ=λ/Nacos⁡θ\Delta\theta = \lambda/Na\cos\theta. (c) Maksimum utama kedua di φ=±2π\varphi = \pm2\pi menuntut ∣sin⁡θ±λ/a∣≤1|\sin\theta \pm \lambda/a| \le 1: mustahil bagi setiap sudut kemudinya hanya jika a≤λ/2a \le \lambda/2. (d) Na=0.96 mNa = 0.96\,\mathrm{m}: 1.8∘1.8{}^{\circ}; 5050 langkah, 50 µs50\,\text{µ}\mathrm{s}.

21.6 Soal: Sebuah spektrograf bagi sebuah bintang

Soal 21.1

Soal akhir pekan — merancang spektrograf yang membaca cahaya sebuah bintang: kisinya, detektornya, garis hidrogennya, dan goyangan sebuah planet

Sebuah spektrograf: celah masuk, kolimator berjarak fokus f1=1.0 mf_1 = 1.0\,\mathrm{m}, sebuah kisi pantul 12001200 garis/mm dan berlebar W=12 cmW = 12\,\mathrm{cm}, sebuah kamera ber-f2=1.0 mf_2 = 1.0\,\mathrm{m}, sebuah detektor berpiksel 15 µm15\,\text{µ}\mathrm{m}. Ia bekerja dalam orde pertama, di sekitar 550 nm550\,\mathrm{nm}, dengan kisinya pada datang 20∘20{}^{\circ}.

Bagian I — Kisinya.

  1. Periode kisinya; jumlah garis yang tersinari jika berkasnya menutupi seluruh lebarnya.
  2. Sudut difraksi 550 nm550\,\mathrm{nm} dalam orde pertama; sudut 400 nm400\,\mathrm{nm} dan 700 nm700\,\mathrm{nm}; lebar sudut spektrum tampaknya.
  3. Dispersi sudutnya pada 550 nm550\,\mathrm{nm}; dispersi lurusnya pada detektornya dalam nm tiap mm dan nm tiap piksel.
  4. Daya urainya; Δλ\Delta\lambda terkecil yang terurai pada 550 nm550\,\mathrm{nm}; dalam piksel.
  5. Jatuhkah lembayung orde kedua ke atas cahaya tampak orde pertama? Tapis mana yang menyingkirkannya?
  6. Panjang detektor yang diperlukan bagi seluruh spektrum tampaknya dalam orde pertama.
  7. Kisinya dikilaskan pada 17∘17{}^{\circ}: bagi panjang gelombang yang mana ia paling mangkus dalam orde pertama pada datang ini (pakailah taksiran Littrow 2asin⁡β=λ2a\sin\beta = \lambda)?
  8. Kisinya mengembalikan 80%80\% cahayanya pada panjang gelombang kilasnya dan teleskop ditambah optiknya 40%40\%: berapa bagian foton bintangnya yang mencapai detektornya.

Bagian II — Garisnya.

  1. Garis Balmer hidrogen bintangnya: Hα\alpha 656.3 nm656.3\,\mathrm{nm}, Hβ\beta 486.1 nm486.1\,\mathrm{nm}, Hγ\gamma 434.0 nm434.0\,\mathrm{nm}: tentukanlah kedudukannya pada detektornya relatif terhadap 550 nm550\,\mathrm{nm}.
  2. Hα\alpha dari sebuah atom deuterium 0.18 nm0.18\,\mathrm{nm} lebih pendek: terpisahkah? Sebesar berapa piksel?
  3. Dublet natrium dalam spektrum bintangnya: berapa pemisahannya dalam piksel; dan lebar tiap garisnya jika atmosfer bintangnya melebarkannya menjadi 0.05 nm0.05\,\mathrm{nm}.
  4. Celah masuknya selebar 100 µm100\,\text{µ}\mathrm{m}, yang dicitrakan pada perbesaran f2/f1f_2/f_1: berapa lebarnya pada detektornya dalam piksel dan dalam nm; terbatasi celah atau terbatasi kisikah spektrografnya?
  5. Cahaya dari teleskopnya datang sebagai cakram 1′′1'' di langit, yang oleh teleskopnya (f=20 mf = 20\,\mathrm{m}) dijadikan selebar 100 µm100\,\text{µ}\mathrm{m} di celahnya: berapa bagian cahaya yang hilang jika celahnya dipersempit menjadi 50 µm50\,\text{µ}\mathrm{m} (ambillah cakramnya seragam).
  6. Mengapa celah yang lebih sempit memberi garis yang lebih tajam tetapi spektrum yang lebih berderau?

Bagian III — Bintangnya bergerak.

  1. Sebuah bintang menjauh dengan 30 km/s30\,\mathrm{km}/\mathrm{s}: berapa geseran Doppler Hα\alpha dalam nm dan dalam piksel.
  2. Gerak orbit Bumi menambahkan ±30 km/s\pm30\,\mathrm{km}/\mathrm{s} sepanjang tahunnya: mengapa ia harus dikurangkan, dan sampai ketelitian berapa jika orang menginginkan 100 m/s100\,\mathrm{m}/\mathrm{s}?
  3. Sebuah planet membuat bintangnya bergoyang dengan 10 m/s10\,\mathrm{m}/\mathrm{s}: berapa geserannya dalam nm dan dalam piksel; adakah ia di bawah resolusinya? Jelaskanlah bagaimana mengukur pusat sebuah garis sampai seperseratus lebarnya, sepanjang seribu garis, memulihkannya (perolehan statistik N\sqrt{N}).
  4. Suhu instrumennya berubah sebesar 1 K1\,\mathrm{K}, dan kisinya (kaca, muai 1×10−5 K−11 \times 10^{-5}\,\mathrm{K}^{-1}) memuai: berapa geseran garisnya dalam piksel; kemantapan apa yang diperlukan bagi 10 m/s10\,\mathrm{m}/\mathrm{s}?
  5. Sebuah lampu tera (torium–argon) menaruh beratus garis yang diketahui pada detektor yang sama: jelaskanlah perannya.

Bagian IV — Pilihan lain.

  1. Lebar kisi yang sama yang digurat pada 300300 garis/mm dan dipakai dalam orde keempat (dengan sebuah penyebar silang untuk memilah ordenya): tentukanlah sudut difraksinya, daya urainya, dispersinya dan jangkauan spektral bebasnya pada 550 nm550\,\mathrm{nm}; apa yang berubah, apa yang tidak?
  2. Sebuah etalon Fabry–Pérot (L=1 mmL = 1\,\mathrm{mm}, R=0.9R = 0.9) yang ditaruh sebelum celahnya: tentukanlah jangkauan spektral bebasnya dalam nm, kehalusannya, lebar puncaknya; seperti apa sisir puncak penerusannya pada detektornya, dan untuk apa ia dipakai?
  3. Sebuah prisma 60∘60{}^{\circ} dalam kaca ber- ⁣dn/ ⁣dλ=−1×10−4 nm−1\dd n/\dd\lambda = -1 \times 10^{-4}\,\mathrm{nm}^{-1} mempunyai dispersi sudut  ⁣dD/ ⁣dλ≈2  ⁣dn/ ⁣dλ\dd D/\dd\lambda \approx 2\,\dd n/\dd\lambda dekat simpangan minimumnya: bandingkanlah dengan milik kisinya; mengapa kisi menggantikan prisma?
  4. Mengapa spektrograf astronomi yang terbesar dibangun dengan kisi selebar semeter lalu dipakai pada sudut yang besar (batas 2W/λ2W/\lambda)?
  5. Sebuah bintang bermagnitudo 8 menyerahkan 1×104 1 \times 10^{4}\, foton tiap sekon dan tiap nanometer di teleskopnya: berapa foton tiap piksel tiap sekon pada detektornya, dan nisbah sinyal terhadap derau sebuah pajanan 100 s100\,\mathrm{s} (derau foton saja).
  6. Ringkaslah: ketiga angka yang melukiskan sebuah spektrograf (dispersi, daya urai, jangkauan spektral bebas) dan apa yang menetapkan masing-masingnya.
Solusi

Solusi Soal 21.1.

1. a=0.833 µma = 0.833\,\text{µ}\mathrm{m}; N=144 000N = 144\,000.

2. sin⁡θ=sin⁡20∘−λ/a\sin\theta = \sin20^\circ - \lambda/a (ordenya terletak di sisi lain normalnya): 550 nm550\,\mathrm{nm} pada 18.5∘18.5{}^{\circ}, 400 nm400\,\mathrm{nm} pada 7.9∘7.9{}^{\circ}, 700 nm700\,\mathrm{nm} pada 29.9∘29.9{}^{\circ}: 22∘22{}^{\circ} spektrum.

3. 1/acos⁡θ=1.27×10−3 rad/nm1/a\cos\theta = 1.27 \times 10^{-3}\,\mathrm{rad}/\mathrm{nm}; f2×f_2\times: 1.27 mm/nm1.27\,\mathrm{mm}/\mathrm{nm}, yakni 0.79 nm/mm0.79\,\mathrm{nm}/\mathrm{mm}, 0.012 nm0.012\,\mathrm{nm} tiap piksel.

4. R=N=144 000R = N = 144\,000: 0.0038 nm0.0038\,\mathrm{nm}, sepertiga piksel.

5. 400 nm400\,\mathrm{nm} orde kedua mendarat di tempat 800 nm800\,\mathrm{nm} orde pertama akan berada, di luar merahnya: tak ada tumpang tindih dalam cahaya tampak; tumpang tindihnya akan mulai pada 350 nm350\,\mathrm{nm}, yang disingkirkan sebuah tapis kaca.

6. 22∘22{}^{\circ} ×\times 1 m1\,\mathrm{m} =38 cm= 38\,\mathrm{cm}: sebuah detektor menutupi seiris; kisinya diputar untuk memilihnya.

7. λ=2asin⁡17∘=490 nm\lambda = 2a\sin17^\circ = 490\,\mathrm{nm}.

8. 0.8×0.4=32%0.8 \times 0.4 = 32\%.

9. Sudutnya 26.5∘26.5{}^{\circ}, 14.0∘14.0{}^{\circ}, 10.3∘10.3{}^{\circ}: +14+14, −8-8 dan −14 cm-14\,\mathrm{cm} dari kedudukan 550 nm550\,\mathrm{nm}-nya.

10. 0.18 nm0.18\,\mathrm{nm} adalah 1515 piksel: terpisah.

11. Terpisah 5050 piksel, masing-masing selebar 44 piksel.

12. 100 µm100\,\text{µ}\mathrm{m}, 6.76.7 piksel, 0.08 nm0.08\,\mathrm{nm} — dua puluh kali batas kisinya: terbatasi celah.

13. Citranya selebar 97 µm97\,\text{µ}\mathrm{m}: celah 50 µm50\,\text{µ}\mathrm{m} meloloskan separuh cahayanya.

14. Lebih sedikit cahaya bagi ketajaman yang sama: derau fotonnya tumbuh.

15. Δλ=λv/c=0.066 nm\Delta\lambda = \lambda v/c = 0.066\,\mathrm{nm}, 5.55.5 piksel.

16. Kelajuan Bumi menggeser tiap garisnya sampai ±5.5\pm5.5 piksel sepanjang tahunnya; ia diketahui dari efemerisnya jauh lebih baik daripada 0.3%0.3\% yang diperlukan bagi 100 m/s100\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

17. 2.2×10−5 nm2.2 \times 10^{-5}\,\mathrm{nm}, 0.0020.002 piksel — jauh di bawah lebar garisnya. Sebuah sentroid sampai seperseratus sebuah garis 7 px7\,\mathrm{px} adalah 0.07 px0.07\,\mathrm{px}; seribu garis memberi 1000\sqrt{1000}: 0.0020.002 piksel — yaitu sinyalnya, pas-pasan. Instrumen yang sungguhan menambahkan daya urai dan kemantapan.

18. Δsin⁡θ=(λ/a)×10−5=6.6×10−6\Delta\sin\theta = (\lambda/a) \times 10^{-5} = 6.6 \times 10^{-6}, Δθ=7×10−6 rad\Delta\theta = 7 \times 10^{-6}\,\mathrm{rad}, 7 µm7\,\text{µ}\mathrm{m}: setengah piksel tiap kelvin — bermilikelvin bagi 10 m/s10\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

19. Garisnya, yang terekam pada saat yang sama pada piksel yang sama, memberi skala panjang gelombangnya lalu melacak setiap hanyutannya.

20. a=3.33 µma = 3.33\,\text{µ}\mathrm{m}, N=36 000N = 36\,000, sudut yang sama (18.5∘18.5{}^{\circ}), R=4N=144 000R = 4N = 144\,000, dispersi yang sama, FSR λ/4=137 nm\lambda/4 = 137\,\mathrm{nm}: daya urai dan dispersinya hanya bergantung pada WW dan sudutnya; jangkauan spektral bebasnya menyusut.

21. FSR λ2/2L=0.15 nm\lambda^2/2L = 0.15\,\mathrm{nm} (1212 piksel); F=30\mathcal F = 30; puncaknya selebar 0.005 nm0.005\,\mathrm{nm}: sebuah sisir garis tajam menyeberangi detektornya, sebuah penggaris panjang gelombang.

22. 2×10−42 \times 10^{-4} melawan 1.3×10−3 rad/nm1.3 \times 10^{-3}\,\mathrm{rad}/\mathrm{nm}: enam kali lebih kecil, dan daya urai sebuah prisma (b  ⁣dn/ ⁣dλ∼104b\,\dd n/\dd\lambda \sim 10^4) serta skalanya yang taklinear juga kalah; kisi juga bekerja dalam ultraungu.

23. R≤2W/λR \le 2W/\lambda: 4×1064 \times 10^6 bagi semeter pada 500 nm500\,\mathrm{nm} — lebar dan sudutnya adalah satu-satunya jalan naik.

24. 104×0.012×0.32=3810^4 \times 0.012 \times 0.32 = 38 foton tiap piksel tiap sekon; 38003800 dalam 100 s100\,\mathrm{s}: SNR ≈60\approx 60.

25. Dispersinya, yang ditetapkan p/acos⁡θp/a\cos\theta dan jarak fokus kameranya; daya urainya, oleh lebar yang tersinari dan sudutnya (pNpN); jangkauan spektral bebasnya, oleh ordenya (λ/p\lambda/p).