Back To Basics - Optik Sebagai Satu Cabang Sains

Optik bermaksud penampilan atau kelihatan dalam Bahasa Yunani purba. Bidang tersebut sebahagian daripada bidang elektromagnetisme atau berkaitan dengan gelombang elektromagnet tetapi sejarah menunjukkan evolusi teknologi optik bermula ribuan tahun dahulu apabila manusia mula mengenali bahan bernama kaca.

Bidang optik sering terpisah dari komuniti ahli fizik. Aspek sains tulen bagi bidang tersebut digelar kejuruteraan optik.

Penerapan kejuruteraan optik yang berkait dengan sistem pencahayaan dipanggil kejuruteraan pencahayaan.

Inovasi terbaru dalam kejuruteraan optik sering dikelaskan sebagai fotonik atau optoelektronik.

Sempadan antara bidang ini dengan optik sering tidak jelas dan terma yang sering digunakan berbeza bagi tempat di seluruh dunia dan dalam bahagian industri.

Kerana penggunaan sains cahaya yang meluas kepada dunia nyata, bidang sains dan kejuruteraan optik sering melangkaui sempadan.

Sains optik adalah sebahagian dari bidang yang banyak cabangnya seperti kejuruteraan elekrik, fizik, psikologi, perubatan (optalmologi dan optometri), dan lain-lain lagi.

Tambahan, penerangan ciri optik yang paling Iengkap, seperti yang dikenali dalam fizik, tidaklah merumitkan kebanyakan masalah , maka model ringkas digunakan.

Bidang optik biasanya menggambarkan sifat cahaya yang nampak, inframerah dan ultra ungu: tetapi oleh sebab cahaya adalah gelombang electromagnet, gejala yang sama juga terjadi pada sinar-X, gelombang mikro, gelombang radio, dan bentuk sinaran electromagnet.

Sebelum Max Planck mencadangkan cahaya itu terkuantum, optik hanyalah aplikasi electromagnet dan ia adalah anggaran frekuensi tinggi kepada cahaya. Optik klasik terbahagi kepada dua cabang utama: optik geometri dan optik fizik

Optik geometri, atau optik sinaran, menerangkan cahaya merambat sebagai “sinaran”. Sinaran dibengkokkan di antara dua muka medium yang berbeza, dan boleh dibengkokkan dalam medium dengan indeks pembiasan tertentu.

Optik fizik menunjukkan perembatan muka gelombang kompleks melalui sistem optik, termasuklah amplitude dan fasa gelombang.

Teknik ini, yang sering digunakan secara berangka pada komputer, boleh digunakan untuk kesan pembelauan, interferens, dan kekutuban, begitu juga penyimpangan dan kesan kompleks lain.

Penganggaran masih digunakan maka, ini bukanlah model teori gelombang electromagnet sepenuhnya bagi perambatan cahaya.

Model penuh berguna bagi kebanyakan masalah, walaupun sesetengah masalah berskala kecil boleh dianalisis menggunakan model gelombang lengkap.

Optik moden melingkungi bidang sains dan kejuruteraan optik yang menjadi terkenal pada abad ke-20. Bidang sains optik berkaitan dengan sifat elektromagnet atau kuantum bagi cahaya malah turut melibatkan topik lain.

Sejarah bidang optik bermula sejak sekian lama dan melalui rentetan pemerhatian, teori dan penyelidikan saintis.

Pada 1870, John Tyndall, menggunakan pancuran air yang mengalir dari satu bekas ke satu bekas yang dihadapkan ke sinaran cahaya dan mendapati berlaku pantulan. Tyndall mengenakan sinaran kepada air dan kelihatan laluan zigzag dalam air berkenaan.

Pada 1880 William Wheeling mempatenkan kaedah pemindahan cahaya dikenali sebagai piping light.

Tahun yang sama, Alexander Graham Bell membangunkan sistem transmisi suara optik dikenali sebagai fotofon, satu sistem cahaya bebas yang membawa suara sejauh 200 meter.

Teknologi gentian optik berkembang pada separuh kedua abad ke-20.
Kejayaan awal bermula pada 1950-an dengan pembangunan fiberscope iaitu satu alat penghantar imej menggunakan gentian kaca sepenuhnya.

la ditemui oleh Brian O'Brien dari American Optical Company dan Dr Narinder Kapany yang dikenali sebagai tokoh pertama memperkenalkan istilah gentian optik pada 1956.

Hasil inilah yang mendorong saintis membangunkan gentian optik yang digunakan untuk saluran cahaya.

Pembangunan teknologi laser merupakan satu lagi anjakan penting dalam teknologi gentian optik.

Cahaya laser juga merupakan gelombang elektromagnet nampak pada julat tertentu.

Seorang penyelidik Perancis, Claude Chappe pula berjaya membina sistem telegraf optik yang boleh dimanfaatkan untuk menghantar isyarat sejauh 20 kilometer dalam masa 15 minit.

Namun penemuan kaca oleh tamadun manusia terawal merupakan satu titik tolak bagaimana bahan pepejal tersebut akhirnya memberi sumbangan dalam bidang perubatan dan komunikasi.

Ini kerana gentian optik yang popular sekarang diperbuat daripada cahaya.

Malaysia juga boleh berbangga kerana penyelidik tempatan banyak melibatkan
diri dalam bidang optik terutama untuk komunikasi.

Sejajar dengan perkembangan terkini, komunikasi menjadi tumpuan utama penyelidik tempatan berkaitan dengan optik meskipun bidang tersebut merangkumi pelbagai kategori khususnya cahaya.




Permulaan Kajian Optik

Kefahaman manusia mengenai ilmu optik bermula daripada Bahasa Yunani yang membawa maksud 'melihat'.

Bagaimanapun sekitar 300 tahun sebelum Masihi, optik terus berkembang dan dikaitkan dengan pelbagai bidang termasuk lensa, cermin dan prisma dan salah seorang perintis kajiannya ialah Euklides.

Sejak itu, muncul pelbagai nama besar yang menyumbang kepada penyelidikan optik antaranya Ptolomeus (140SM) dan juga Ibnu Haitham yang lahir di Basra yang terkenal sebagai penyelidik cermin dan parabolik.

Penelitian mengenai optik terus diperluas dan pada abad ke-16,apabila muncul Zacharius Jensen dari Belanda yang membuat mikroskop menggunakan lensa gabungan.

Kemajuan evolusi bidang optik pada abad ke-20 dimulai pada tahun 1960 ekoran perkembangan sistem komunikasi optik yang pantas serta system pengimejan, holografi, penyimpanan dan pengambilan data optik serta pemprosesan optik.

Kini di tahun-tahun awal abad ke-21, kajian mengenai optik telah berkembang kepada bidang nanooptik yang didorong oleh kecenderungan manusia menjangkau skala-skala yang makin kecil.




Kepelbagaian optik dan optik moden

Bidang yang berkait dengan analisis perilaku cahaya dikenali sebagai optik. Bidang ini sebenarnya melingkupi fenomena yang sangat besar spektrumnya. Jika yang dipelajari adalah perilaku cahaya mata kasar seperti lintasan cahaya di lensa kaca mata atau teleskop, bidang optik ini dinamakan optik geometri.

Jika lensa, lubang atau objek yang harus dilalui oleh cahaya menjadi sangat kecil sehingga ukurannya mendekati panjang gelombang cahaya tersebut,maka is disebut fenomena pembelokan cahaya. Disebabkan cahaya merupakan gelombang elektromagnetik, maka bidang ilmu itu dinamakan optik fizik atau optik gelombang.

Ketika cahaya menjadi begitu redup sehingga jumlah partikel cahaya yang melaluinya sangat sedikit, maka sifat partikel cahaya ini menjadi nyata ini membawa kita kepada dunia kuantum. Disiplin ilmu yang mempelajarinya dinamakan optik kuantum.

Pembahagian cabang optik ini adalah berdasarkan kaedah-kaedah analisis yang lebih mudah dilakukan. Disebabkan itu juga, timbulnya istilah optik moden atau lebih dikenali sebagai fotonik. Bidang fotonik ini merangkumi pemprosesan cahaya untuk pelbagai keperluan seperti telekomunikasi dan pemprosesan data. Bentuk fotonik yang paling popular ketika ini ialah serat optic yang telah digunakan dalam pelbagai bidang terutamanya telekomunikasi dengan kemampuan membawa informasi yang jauh lebih besar jika dibandingkan dengan kabel konvensional.

Sumber: Estidotmy 62, 2007

decathium - optik

Back To Basics - Bagaimana Fiber Optik Berfungsi?

FIBER optik atau gentian optik merupakan teknologi yang semakin penting dewasa ini yang amat bergantung kepada komunikasi dan perkongsian data antara satu sama lain. Seperti juga fungsinya batang paip yang berfungsi sebagai pembawa air dari satu tempat ke satu tempat, begitu juga dengan talian atau kabel fiber optik yang membawa data dari satu tempat ke tempat yang lain. Dengan kabel fiber optik, seluruh dunia kini dapat dihubungkan sama ada untuk komunikasi suara (panggilan telefon) atau menggunakan Internet atau bertukar e-mail dalam masa beberapa saat sahaja.

Apa itu fiber optik?
Pengembaraan maklumat (data) setakat yang kita nampak (contohnya) seperti telefon di rumah. Apabila kita bercakap, satu kabel akan membawa suara itu dari rumah kita kepada ibu sawat telefon yang kemudiannya membawa data itu kepada rumah rakan kita. Kabel yang digunakan dikenali sebagai copper wire (wayar tembaga). Manakala telefon bimbit pula menghantar data menggunakan gelombang radio dan ia dikenali sebagai teknologi wayarles kerana tidak menggunakan kabel. Manakala kabel fiber optik pula menghantar maklumat yang dikodkan dalam pancaran cahaya melalui kabel yang mempunyai talian berbentuk kaca atau plastik. Kabel dengan teknologi ini mulanya dicipta pada 1950-an untuk membantu doktor melihat ke dalam badan manusia tanpa perlu melakukan pembedahan. Pada 1960-an pula, para jurutera mendapat cara untuk menggunakan teknologi yang sama untuk memindahkan panggilan telefon dengan kelajuan cahaya melalui kabel fiber optik ini.

Teknologi optikal
Kabel fiber optik diperbuat daripada 100 atau lebih lembaran halus kaca atau plastik yang dikenali sebagai fiber optikal. Setiap daripada lembaran itu 10 (kali) lebih halus daripada sehelai rambut manusia dan mampu membawa panggilan suara untuk kegunaan 10 juta pemanggil. Kabel fiber optik menghubungkan maklumat untuk dua kawasan menggunakan teknologi berasaskan optikal (cahaya) sepenuhnya.

Bagaimana ia beroperasi?
Cahaya bergerak melalui kabel fiber optik dengan melantun-lantun di dalam dinding kabel itu. Setiap photon (partikel cahaya) yang halus akan terus melantun di dalam kabel atau 'paip kaca' itu sehingga ke penghujungnya. Tetapi jika cahaya itu mengenai kaca dalam sudut yang rendah (kurang daripada 42 darjah), is akan melakukan pantulan seperti terkena cermin. Fenomena ini dikenali sebagai pantulan dalaman menyeluruh (total internal reflection) dan menyebabkan cahaya itu sentiasa berada dalam kabel tersebut. Perkara lain yang menyebabkan cahaya itu sentiasa berada dalam kabel ialah stuktur kabel diperbuat daripada dua bahagian. Bahagian utama kabel yang terletak di tengah dikenali sebagai core (teras). Cahaya akan melalui kabel teras ini. Di luar mengelilingi kabel teras ini, terdapat satu lagi lapisan kaca yang dikenali sebagai cladding. Tugas lapisan cladding ini ialah untuk memastikan signal cahaya sentiasa berada dalam talian teras. Disebabkan diperbuat daripada bahan yang berlainan, cahaya yang melalui kabel cladding bergerak dalam kelajuan yang perlahan berbanding dalam kabel teras. Mana-mana cahaya yang terlepas keluar daripada kabel teras akan dipantulkan kembali oleh lapisan cladding kepada kabel teras.

Nota: Kelajuan cahaya ialah 300,000 kilometer sesaat.

Sumber: Estidotmy 62, 2007

decathium - fiber optik

Back To Basics - Laser

The word laser is an acronym (an abbreviation pronounced as an ordinary word) of Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Lasers are devices that produce or amplify a beam of narrow, low-divergence light with a well-defined wavelength within the optical region of the electromagnetic spectrum, covering the infrared, the visible and the ultraviolet.
Lasers have a variety of uses in such areas as surgery, welding and metal cutting, and sound and video recording and reproduction.

Historically, the laser is very different from other 20th century inventions as it first appeared as an imaginary literary creation.

Even before the invention of the first laser in 1960, and when only a handful of specialists were aware of Einstein's prediction of stimulated emission (1917), the term “laser” was already well-known. In particular, numerous science-fiction writers had imagined an extremely powerful beam, capable of destroying anything in its path. These devices were generally controlled by aggressive intergalactic beings bent on wreaking havoc on the world.

Since the discovery of the first real laser in 1961, many others have been developed each year. Current research is focused on the development of solid state lasers (diode lasers, crystal or amorphous solids doped with active ions, optic fibre lasers) with the aim of obtaining much shorter pulses (the present limit is 4.5 fs or 4.5 10-15 seconds) and much greater power (emissions of about 10 kilowatts are now common).

Some important dates:
1961: Javan, Bennet and Herriot build the first gas helium-neon laser operating
continuously at 1.15. In fact, this laser can emit over a whole range of discrete wavelengths, from green to infrared via orange and red (633 nm).
1962: First red helium-neon laser.
1965: First semiconductor lasers.
1966: First coloured pulsed lasers (red, orange, yellow).
1970: First coloured continuous-wave lasers (red, orange, yellow).

Back To Basics - Fiber Optic

Fiber Optic is a glass or plastic fiber that carries light along its length. Fiber optics is the overlap of applied science and engineering concerned with the design and application of optical fibers. Optical fibers are widely used in fiber-optic communications, which permits transmission over longer distances and at higher bandwidths (data rates) than other forms of communications. Fibers are used instead of metal wires because signals travel along them with less loss, and they are also immune to electromagnetic interference. Fibers are also used for illumination, and are wrapped in bundles so they can be used to carry images, thus allowing viewing in tight spaces. Specially designed fibers are used for a variety of other applications, including sensors and fiber lasers.

Light is kept in the core of the optical fiber by total internal reflection. This causes the fiber to act as a waveguide. Fibers which support many propagation paths or transverse modes are called multi-mode fibers (MMF), while those which can only support a single mode are called single-mode fibers (SMF). Multi-mode fibers generally have a larger core diameter, and are used for short-distance communication links and for applications where high power must be transmitted. Single-mode fibers are used for most communication links longer than 550 meters.

Joining lengths of optical fiber is more complex than joining electrical wire or cable. The ends of the fibers must be carefully cleaved, and then spliced together either mechanically or by fusing them together with an electric arc. Special connectors are used to make removable connections.