Konsep interferens merupakan salah satu pilar utama dalam pemahaman kita tentang fisika gelombang. Fenomena ini tidak hanya terbatas pada cahaya, tetapi juga berlaku universal, menjangkau gelombang suara, riak air, hingga probabilitas partikel dalam ranah mekanika kuantum. Inti dari interferens adalah prinsip superposisi, di mana dua gelombang atau lebih bertemu dalam ruang yang sama dan hasilnya adalah gelombang gabungan, yang bentuknya ditentukan oleh fase dan amplitudo masing-masing gelombang penyusun.
Interferens menunjukkan bagaimana energi didistribusikan ulang, menciptakan pola-pola teratur berupa penguatan (konstruktif) dan pembatalan (destruktif). Dalam bab-bab berikut, kita akan mengupas tuntas dasar-dasar matematis dan historis yang membentuk pemahaman modern kita tentang bagaimana gelombang-gelombang ini berinteraksi, serta implikasinya dalam teknologi dan ilmu pengetahuan.
Untuk memahami interferens, kita harus terlebih dahulu menerima bahwa gelombang bukanlah entitas fisik kaku, melainkan perambatan gangguan atau energi melalui medium atau ruang hampa. Ketika dua gelombang bertemu, medium tersebut merespons terhadap gabungan kedua gangguan tersebut secara simultan. Respons ini dijelaskan oleh Prinsip Superposisi Linear.
Prinsip superposisi menyatakan bahwa ketika dua atau lebih gelombang merambat secara serentak melalui medium yang sama, perpindahan gelombang resultan pada titik manapun adalah jumlah aljabar dari perpindahan gelombang individu pada titik tersebut. Jika kita memiliki dua gelombang $y_1$ dan $y_2$, gelombang resultan $Y$ didefinisikan sebagai:
Penting untuk dicatat bahwa superposisi linear berlaku idealnya untuk gelombang dengan amplitudo kecil atau dalam medium homogen, di mana properti medium tidak berubah secara signifikan akibat keberadaan gelombang tersebut. Jika amplitudo sangat besar, efek non-linear mungkin muncul, tetapi dalam konteks interferens optik dan akustik standar, asumsi linearitas ini valid.
Gelombang yang paling mudah dimodelkan dan dipelajari adalah gelombang harmonik, sering direpresentasikan oleh fungsi sinusoidal. Gelombang sinusoidal tunggal yang bergerak dalam dimensi tunggal dapat ditulis sebagai:
Di mana:
Ketika kita mempertimbangkan interferens dua gelombang yang memiliki frekuensi yang sama ($\omega_1 = \omega_2 = \omega$) dan merambat ke arah yang sama, perbedaan yang relevan adalah perbedaan fase, $\Delta\phi$, dan mungkin amplitudo, $A_1$ dan $A_2$.
Misalkan dua gelombang diberikan oleh:
Menggunakan identitas trigonometri (seperti rumus jumlah cosinus) pada $Y = y_1 + y_2$, gelombang resultan akan menjadi gelombang harmonik baru dengan amplitudo $A_{res}$ dan fase $\phi_{res}$. Amplitudo resultan adalah elemen kunci yang menentukan apakah interferens itu konstruktif atau destruktif. Secara umum, amplitudo resultan kuadratnya ($A_{res}^2$) diberikan oleh:
Karena intensitas ($I$) gelombang sebanding dengan kuadrat amplitudonya ($I \propto A^2$), persamaan ini menjadi fondasi untuk menghitung distribusi intensitas dalam pola interferens.
Dua jenis interferens yang mendefinisikan fenomena ini adalah konstruktif (penguatan) dan destruktif (pembatalan). Keduanya sepenuhnya bergantung pada perbedaan fase ($\Delta\phi$) atau beda lintasan optik ($\Delta r$) antara gelombang-gelombang yang bertemu.
Interferens konstruktif terjadi ketika puncak gelombang bertemu dengan puncak gelombang lain, atau lembah bertemu dengan lembah. Dalam kondisi ini, gelombang resultan memiliki amplitudo yang lebih besar daripada amplitudo masing-masing gelombang individu. Jika $A_1 = A_2 = A$, amplitudo maksimum yang dihasilkan adalah $2A$, dan intensitasnya adalah $4I$ (empat kali intensitas gelombang tunggal).
Konstruksi terjadi ketika perbedaan fase adalah kelipatan bilangan bulat dari $2\pi$ radian (atau 360 derajat), yang berarti gelombang-gelombang tersebut "se-fase" (in phase).
Karena satu panjang gelombang ($\lambda$) setara dengan perbedaan fase $2\pi$, interferens konstruktif terjadi ketika beda lintasan optik ($\Delta r$) yang ditempuh oleh kedua gelombang adalah kelipatan bilangan bulat dari panjang gelombang.
Interferens destruktif terjadi ketika puncak satu gelombang bertemu dengan lembah gelombang lain. Gelombang-gelombang tersebut sebagian atau sepenuhnya saling menghilangkan. Jika amplitudo $A_1 = A_2 = A$, interferens destruktif total (pembatalan sempurna) terjadi, menghasilkan amplitudo nol, dan intensitas nol.
Destruksi terjadi ketika perbedaan fase adalah kelipatan ganjil dari $\pi$ radian (atau 180 derajat), yang berarti gelombang-gelombang tersebut "berlawanan fase" (out of phase).
Destruksi terjadi ketika beda lintasan optik yang ditempuh adalah kelipatan ganjil dari setengah panjang gelombang.
Meskipun prinsip superposisi berlaku untuk semua gelombang, untuk mengamati pola interferens yang stabil dan berkelanjutan, sumber gelombang harus koheren. Koherensi adalah sifat yang menggambarkan kemampuan gelombang untuk mempertahankan hubungan fase yang konstan dalam ruang dan waktu.
Koherensi temporal berkaitan dengan durasi di mana gelombang dapat diprediksi fase-nya pada waktu yang berbeda di titik yang sama. Ini terkait erat dengan monokromatisitas (kemurnian spektral) sumber cahaya. Sumber dengan rentang frekuensi yang sangat sempit (misalnya laser) memiliki panjang koherensi ($L_c$) yang besar, artinya perbedaan fase-nya tidak berubah secara signifikan seiring waktu, memungkinkan pola interferens yang stabil bahkan dengan beda lintasan optik yang besar.
Panjang koherensi $L_c$ berhubungan terbalik dengan rentang frekuensi $\Delta f$ (atau lebar spektral $\Delta \lambda$):
Koherensi spasial berkaitan dengan kemampuan untuk memprediksi fase gelombang pada dua titik ruang yang berbeda secara simultan. Sumber cahaya titik (point source) idealnya memiliki koherensi spasial sempurna. Namun, sumber ekstensi (seperti matahari atau lampu pijar) memiliki koherensi spasial terbatas. Dalam percobaan interferens, koherensi spasial memastikan bahwa gelombang yang berasal dari dua titik yang berbeda (misalnya, dua celah) mempertahankan hubungan fase yang konstan saat mencapai layar deteksi.
Percobaan interferens klasik, seperti Celah Ganda Young, berfungsi sebagai metode untuk memecah satu sumber koheren (koherensi temporal dan spasial yang baik) menjadi dua sumber sekunder yang koheren, memastikan pola interferens yang dapat diamati.
Interferens cahaya memainkan peran penting dalam sejarah fisika, menjadi bukti definitif sifat gelombang cahaya di awal abad ke-19, menggeser dominasi teori partikel Newton. Tiga manifestasi paling penting dari interferens optik adalah percobaan celah ganda, film tipis, dan interferometer.
Pada awal tahun 1800-an, Thomas Young melakukan eksperimen yang sekarang dianggap sebagai demonstrasi paling elegan tentang sifat gelombang cahaya. Young menggunakan satu sumber cahaya (disaring agar hampir monokromatik) dan membiarkannya melewati celah tunggal (S0) untuk meningkatkan koherensi spasial, sebelum mengenai sepasang celah paralel (S1 dan S2) yang sangat dekat.
Menurut Prinsip Huygens, celah S1 dan S2 bertindak sebagai sumber gelombang sekunder yang koheren. Ketika gelombang dari S1 dan S2 merambat ke layar pengamatan (berjarak $L$), mereka menempuh lintasan yang berbeda. Beda lintasan ($\Delta r$) inilah yang menentukan jenis interferens yang terjadi pada setiap titik di layar.
Asumsikan jarak antara kedua celah ($d$) sangat kecil dibandingkan dengan jarak ke layar ($L$) ($d \ll L$). Untuk titik P pada layar yang berjarak $y$ dari pusat (titik $m=0$), beda lintasan optik ($\Delta r$) dapat didekati menggunakan trigonometri sederhana:
Di mana $\theta$ adalah sudut yang dibentuk oleh garis dari titik tengah celah ke titik P.
Karena $\theta$ biasanya sangat kecil, kita dapat menggunakan pendekatan sudut kecil, $\sin \theta \approx \tan \theta \approx \theta$. Karena $\tan \theta = y/L$, maka:
Pita terang (maksimum) terjadi ketika interferensnya konstruktif, yaitu $\Delta r = m \lambda$.
Di sini $m$ disebut orde interferens. $m=0$ adalah pita terang pusat.
Pita gelap (minimum) terjadi ketika interferensnya destruktif, yaitu $\Delta r = (m + 1/2) \lambda$.
Jarak antara dua pita terang berdekatan (atau dua pita gelap berdekatan), yang disebut jarak pita ($\Delta y$), adalah konstan:
Persamaan ini mengungkapkan bahwa pola interferens adalah cara yang sangat efektif untuk mengukur panjang gelombang cahaya ($\lambda$) secara presisi.
Interferens film tipis menjelaskan fenomena warna-warni yang terlihat pada gelembung sabun, noda minyak di atas air, atau lapisan antirefleksi pada lensa kamera. Interferens ini melibatkan dua berkas cahaya yang direfleksikan dari permukaan atas dan permukaan bawah lapisan film tipis tersebut.
Ketika cahaya datang pada batas antara dua medium, sebagian ditransmisikan dan sebagian direfleksikan. Kunci utama dalam film tipis adalah pergeseran fase akibat refleksi:
Beda lintasan optik (BLP) total dalam film tipis setebal $t$ dengan indeks bias $n_{film}$ dan sudut datang $\theta$ adalah $2 n_{film} t \cos \theta$. Untuk cahaya yang datang normal ($\cos \theta \approx 1$), BLP adalah $2 n_{film} t$.
Syarat total interferens harus memasukkan BLP geometrik dan pergeseran fase akibat refleksi ($\Delta\phi_{ref}$).
Misalnya, untuk film sabun di udara ($n_{udara} < n_{sabun} > n_{udara}$): Refleksi pertama terjadi pergeseran fase $\pi$, refleksi kedua tidak ada. Total pergeseran fase awal adalah $\pi$ (setengah panjang gelombang).
Konstruksi terjadi jika beda lintasan geometriknya meniadakan efek pergeseran fase $\pi$ atau menambahkannya menjadi kelipatan $2\pi$.
Perhatikan bahwa persamaan maksimum film tipis ini sama dengan persamaan minimum celah ganda, karena pergeseran fase $\pi$ mengubah syarat dasarnya.
Destruksi terjadi jika BLP geometriknya menghasilkan selisih total fase kelipatan $2\pi$.
Lapisan AR dirancang untuk meminimalkan refleksi, biasanya pada panjang gelombang tertentu (misalnya, di tengah spektrum tampak, 550 nm). Tujuannya adalah mencapai interferens destruktif sempurna antara cahaya yang dipantulkan dari permukaan atas lapisan dan permukaan atas substrat.
Untuk mencapai destruksi total pada $m=0$, dua syarat harus dipenuhi:
Interferometer adalah instrumen yang menggunakan prinsip interferens untuk pengukuran yang sangat presisi, seringkali hingga sepersekian dari panjang gelombang cahaya. Dua jenis yang paling terkenal adalah Michelson dan Fabry-Pérot.
Diciptakan oleh Albert A. Michelson, alat ini membagi satu berkas cahaya menjadi dua (menggunakan pemisah berkas atau *beam splitter*) yang merambat pada lintasan yang saling tegak lurus, dipantulkan oleh cermin M1 dan M2, dan kemudian digabungkan kembali. Pola interferens yang dihasilkan tergantung pada perbedaan panjang lintasan yang ditempuh oleh kedua berkas.
Michelson menggunakan interferometer ini untuk percobaan terkenal yang membuktikan tidak adanya eter luminiferous (bersama Morley), namun aplikasinya yang paling umum adalah dalam metrologi—pengukuran jarak atau panjang gelombang dengan akurasi ekstrem. Jika cermin M2 dipindahkan sejauh $\Delta d$, pola interferens bergeser sebanyak $N$ garis (fringes). Hubungannya adalah:
Pengukuran ini memungkinkan penentuan panjang gelombang ($\lambda$) jika $\Delta d$ diketahui, atau penentuan perpindahan ($\Delta d$) jika $\lambda$ diketahui (yang sangat akurat).
Fabry-Pérot (juga dikenal sebagai etalon) menggunakan prinsip interferens multi-berkas. Ini terdiri dari dua permukaan paralel semi-reflektif yang sangat presisi. Cahaya dipantulkan berkali-kali di antara kedua permukaan tersebut sebelum keluar dan berinterferens.
Interferens multi-berkas ini menghasilkan puncak intensitas yang sangat tajam, membuatnya ideal untuk analisis spektral resolusi tinggi (memisahkan panjang gelombang yang sangat dekat). Resolusi alat ini diatur oleh finesse ($F$), yang merupakan fungsi dari reflektivitas cermin ($R$):
Semakin tinggi reflektivitas, semakin besar finesse, dan semakin tajam puncak intensitasnya, yang berarti resolusi spektral yang lebih baik.
Prinsip interferens universal dan berlaku untuk semua jenis perambatan gelombang, baik itu gelombang mekanik yang memerlukan medium (suara, air) maupun gelombang probabilitas (kuantum).
Ketika dua sumber suara dengan frekuensi yang sedikit berbeda ($f_1$ dan $f_2$) didengarkan secara bersamaan, telinga manusia merasakan variasi periodik dalam intensitas suara—fenomena yang disebut pelayangan (beats).
Pelayangan adalah hasil dari interferens temporal. Meskipun frekuensinya berbeda, mereka bergantian antara se-fase (konstruktif, suara keras) dan berlawanan fase (destruktif, suara lembut) seiring waktu. Frekuensi pelayangan ($f_{beat}$) yang didengar adalah nilai absolut dari perbedaan frekuensi kedua sumber:
Konsep pelayangan sangat vital dalam tuning instrumen musik; ketika dua senar mencapai frekuensi yang sama, frekuensi pelayangan turun menjadi nol.
Interferens pada riak air sering didemonstrasikan menggunakan tangki riak (ripple tank). Dua osilator (sumber gelombang) bergetar se-fase di permukaan air. Pola yang diamati adalah pola yang sama secara geometris dengan pola celah ganda Young:
Dalam komunikasi nirkabel (Wi-Fi, radio, telepon seluler), gelombang elektromagnetik sering mencapai penerima melalui banyak lintasan (disebut *multipath*—misalnya, satu lintasan langsung dan satu lintasan yang dipantulkan dari gedung). Gelombang yang tiba melalui lintasan berbeda akan berinterferens. Jika interferensnya destruktif, sinyal dapat melemah drastis, fenomena yang dikenal sebagai fading.
Teknologi modern seperti MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) dan teknik adaptif lainnya dirancang untuk memanfaatkan atau memitigasi efek interferens multipath ini, sering kali dengan sengaja menciptakan interferens konstruktif yang terarah (beamforming).
Mekanika kuantum mengubah total pemahaman kita tentang interferens. Dalam domain kuantum, interferens bukan lagi hanya pertemuan dua gelombang fisik, melainkan superposisi probabilitas atau amplitudo probabilitas dari partikel.
Eksperimen celah ganda yang dilakukan menggunakan elektron (partikel yang diyakini bersifat massa) memberikan hasil paling mengejutkan dalam fisika modern. Ketika elektron ditembakkan satu per satu melalui dua celah, hasil yang terkumpul di layar detektor adalah pola interferens yang khas gelombang.
Implikasinya sangat mendalam:
Jika kita mencoba mengamati elektron untuk melihat celah mana yang dilewatinya (misalnya, dengan menempatkan detektor di salah satu celah), pola interferens segera menghilang, dan pola yang dihasilkan adalah pola distribusi partikel klasik. Ini dikenal sebagai Efek Pengamat, menunjukkan sifat fundamental dari interferens kuantum: superposisi hanya dapat terjadi selama partikel tetap berada dalam keadaan yang tidak teramati.
Prinsip interferens telah berhasil diterapkan pada partikel yang lebih besar, termasuk atom (seperti atom Cesium atau Rubidium). Interferometri atom digunakan untuk mengukur percepatan gravitasi dan rotasi Bumi dengan presisi yang jauh lebih tinggi daripada instrumen optik konvensional.
Dalam kasus neutrino, interferens memainkan peran penting dalam fenomena Osilasi Neutrino. Neutrino dihasilkan dalam satu jenis (flavor—elektron, muon, atau tau) tetapi dapat berubah menjadi jenis lain saat merambat melintasi jarak yang jauh. Osilasi ini adalah murni fenomena interferens kuantum antara keadaan massa (mass states) dan keadaan flavor (flavor states) neutrino.
Amplitudo probabilitas untuk sebuah neutrino berosilasi dari flavor $\alpha$ ke flavor $\beta$ diberikan oleh ekspresi yang kompleks, tetapi intinya bergantung pada beda fase yang diakumulasikan sepanjang perjalanan, yang secara fungsional setara dengan konsep beda lintasan optik dalam cahaya klasik.
Interferens bukanlah sekadar konsep akademis, tetapi alat yang sangat kuat yang mendasari banyak teknologi paling canggih saat ini, mulai dari metrologi ultra-presisi hingga pencitraan medis.
Karena interferens memungkinkan pengukuran perpindahan dalam fraksi panjang gelombang (mikrometer atau nanometer), ia sangat penting dalam industri manufaktur dan penelitian ilmiah.
Keterbatasan utama teleskop adalah resolusi sudutnya, yang dibatasi oleh diameter apertur (difraksi). Astronomi interferometri menggabungkan sinyal dari banyak teleskop terpisah yang jaraknya ratusan atau ribuan meter, menciptakan apertur efektif virtual yang sangat besar.
Sinyal dari setiap teleskop harus dikombinasikan secara koheren, artinya perbedaan fase (beda lintasan) antara gelombang yang mencapai setiap teleskop harus diukur dan dikoreksi secara elektronik dengan presisi nanometer. Metode ini, yang disebut VLBI (Very Long Baseline Interferometry), memungkinkan pencitraan objek dengan resolusi sudut yang tidak mungkin dicapai oleh satu teleskop pun (misalnya, pencitraan lubang hitam oleh Event Horizon Telescope).
OCT adalah teknik pencitraan non-invasif yang menggunakan interferometri untuk menghasilkan gambar penampang melintang resolusi tinggi dari jaringan biologis (sering digunakan dalam oftalmologi untuk retina). OCT adalah analog optik dari USG, tetapi menggunakan cahaya bukan suara.
OCT menggunakan Interferometer Michelson di mana salah satu lengan mengarah ke jaringan, dan lengan lainnya adalah cermin referensi. Dengan memvariasikan panjang lengan referensi, pola interferens hanya muncul ketika beda lintasan nol. Analisis pola interferens (disebut interferometri domain-Fourier) memungkinkan pemetaan struktur jaringan dengan akurasi 1–10 mikrometer.
Holografi adalah teknik yang merekam dan merekonstruksi bidang gelombang cahaya dari suatu objek. Berbeda dengan fotografi yang hanya merekam intensitas, hologram merekam informasi fase gelombang. Fase ini direkam melalui interferens.
Sebuah hologram dibuat dengan membagi sinar laser menjadi dua: sinar objek (yang menerangi objek) dan sinar referensi (yang langsung mengenai film). Kedua sinar ini berinterferens di film fotografi. Pola interferens yang sangat halus (kisi-kisi interferens) yang terekam pada film menyimpan seluruh informasi tiga dimensi objek. Ketika hologram diterangi oleh sinar referensi, pola interferens tersebut mendifraksi cahaya untuk merekonstruksi citra tiga dimensi yang persis sama dengan gelombang yang datang dari objek asli.
Meskipun konsep interferens sederhana, realisasi pengamatan yang sukses, terutama di luar laboratorium, sangat menantang dan bergantung pada faktor-faktor lingkungan dan sifat sumber gelombang.
Karena interferens sangat sensitif terhadap perubahan beda lintasan optik (BLP) yang diukur dalam fraksi panjang gelombang, instrumen interferometri harus dijaga dalam lingkungan yang sangat stabil. Perubahan suhu sekecil apapun dapat menyebabkan ekspansi termal pada komponen cermin, mengubah BLP dan menggeser pola interferens (disebut *fringe drift*).
Demikian pula, getaran mekanis dari lingkungan dapat menyebabkan pergerakan komponen yang jauh lebih besar daripada panjang gelombang, menghancurkan pola secara instan. Inilah sebabnya mengapa eksperimen interferometri presisi sering dilakukan di atas meja optik anti-getaran dan di ruangan dengan kontrol suhu yang ketat.
Interferens hanya terjadi secara efektif jika dua gelombang memiliki arah osilasi (polarisasi) yang sama. Jika dua berkas cahaya terpolarisasi secara ortogonal (tegak lurus satu sama lain), mereka tidak akan berinterferens, meskipun mereka memiliki frekuensi, amplitudo, dan fase yang sama. Hal ini karena osilasi vektor medan listriknya terjadi pada sumbu yang berbeda, sehingga komponen resultan vektor medan listrik yang diamati pada layar tidak memiliki bagian yang se-fase yang dapat saling menguatkan atau melemahkan.
Orde interferens ($m$) dapat mencapai nilai yang sangat tinggi. Dalam percobaan celah ganda, semakin jauh kita bergerak dari pusat, semakin tinggi orde $m$. Namun, pengamatan interferens orde tinggi dibatasi oleh dua faktor utama: rentang sudut deteksi dan, yang lebih fundamental, koherensi temporal sumber.
Seperti yang dibahas sebelumnya, setiap sumber cahaya memiliki panjang koherensi ($L_c$) yang terbatas. Jika beda lintasan optik ($\Delta r$) yang diperlukan untuk mencapai titik pengamatan melebihi $L_c$, gelombang tidak lagi koheren secara temporal. Artinya, pada titik pertemuan, hubungan fase mereka menjadi acak, dan pola interferens menghilang, digantikan oleh iluminasi seragam.
Dalam interferometer Michelson, ini berarti bahwa pola interferens hanya dapat diamati jika kedua lengan memiliki panjang yang hampir persis sama (di mana $\Delta r \approx 0$). Ketika salah satu cermin dipindahkan sehingga $\Delta r > L_c$, pola yang jelas (fringe visibility) akan hilang.
Prinsip superposisi tetap berlaku ketika tiga, empat, atau bahkan ribuan gelombang bertemu (seperti dalam kisi difraksi). Jika $N$ sumber koheren bertemu, intensitas resultan $I_{N}$ pada maksimum konstruktif adalah:
Di mana $I_1$ adalah intensitas dari satu sumber. Ini menjelaskan mengapa dalam interferens multi-berkas (seperti Fabry-Pérot), maksimum konstruktifnya sangat tajam dan intens (sebanding dengan kuadrat jumlah sumber yang berinteraksi), sementara daerah minimumnya mendekati nol. Efek ini dimanfaatkan secara luas dalam teknik difraksi (kisi difraksi) untuk memisahkan panjang gelombang dengan resolusi tinggi.
Interferens adalah manifestasi paling murni dari sifat gelombang di alam semesta. Dari pola pita terang dan gelap yang sederhana pada layar Celah Ganda Young, hingga perangkat interferometer canggih yang memantau pergerakan bintang atau mencitrakan bagian dalam sel mata manusia, konsep dasar pertemuan gelombang dan penjumlahan amplitudo tetap menjadi inti. Baik dalam fisika klasik yang menjelaskan cahaya sebagai osilasi medan elektromagnetik, maupun dalam fisika kuantum yang memandang partikel sebagai fungsi probabilitas, interferens berfungsi sebagai jembatan antara teori dan realitas, memungkinkan kita mengukur, memprediksi, dan memanfaatkan energi di sekitar kita dengan presisi yang luar biasa.
Pemahaman mendalam tentang interferens terus mendorong batasan teknologi, dari komunikasi nirkabel yang lebih efisien hingga pencarian gelombang gravitasi yang didasarkan pada instrumen interferometer terbesar di dunia (LIGO), membuktikan bahwa interaksi gelombang adalah salah satu kekuatan paling fundamental dan berguna dalam sains modern.