Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF)

Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF)
1
Volume 6 Nomor 1 2016 ISSN : 2089-6158
Aplikasi Konsep Difraksi dalam Bidang Kesehatan
Ahmad Fauzi1, Mayang Dwinta Trisniarti2
1,2
Prodi Pendidikan Fisika, FKIP Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia
E-mail : [email protected]
Abstrak
Cahaya adalah media utama untuk menyampaikan dan menerima informasi dari dan menuju benda-benda di seluruh alam
semesta secara visual. Teori tentang karakteristik cahaya tidak terlepas dari kajian ilmuwan terdahulu yang menemukan
bahwa cahaya memiliki sifat dualisme, yaitu dapat bersifat sebagai partikel dan gelombang. Salah satu karakteristik cahaya
sebagai gelombang adalah cahaya dapat dilenturkan. Ciri inilah yang disebut difraksi cahaya. Konsep difraksi cahaya sangat
menguntungkan, sehingga dimanfaatkan sebagai aplikasi pada bidang kesehatan, diantaranya adalah LASIK (Laser In Situ
Keratomiulisis), optogenetika, dan pengukuran diameter rambut manusia. Pada operasi LASIK, difraksi cahaya digunakan
untuk mengukur diameter pupil mata pasien. Pada optogenetika, difraksi cahaya digunakan untuk menyebarkan cahaya pada
sel saraf otak untuk penyembuhan pasien dengan penyakit saraf stroke, alzheimer, dan PTSD (post-traumatic stress
disorder). Pada pengukuran diameter rambut, difraksi cahaya digunakan untuk mengukur ketebalan rambut yang berguna
sebagai sarana deteksi kerontokan rambut dan penyakit genetik manusia seperti kanker dan gejala kebotakan (androgenic
alopecia).
Kata kunci : difraksi cahaya, LASIK, optogenetika, diameter rambut
1. Pendahuluan
Salah satu karakteristik cahaya sebagai
gelombang adalah cahaya dapat dilenturkan.
Panjang gelombang yang sama atau lebih besar
daripada lebar suatu celah akan menyebar ke semua
arah ke depan setelah melewati celah. Hal inilah
yang disebut dengan difraksi cahaya. Perilaku ini
menunjukkan bahwa ketika sebuah gelombang
cahaya bidang melewati sebuah bukaan kecil dari
halangan yang tidak tembus cahaya maka bukaan
tersebut akan bertindak seolah sebagai sumber
cahaya titik, dengan gelombang memasuki bagian
bayangan di belakang halangan. Fenomena ini, yang
dikenal sebagai difraksi, hanya dapat dijelaskan oleh
model cahaya sebagai gelombang (Serway dan
Jewett, 2010: 159).
Salah satu konsep dasar dan klasik mengenai
eksperimen difraksi celah tunggal adalah saat
gelombang cahaya dengan panjang gelombang
tertentu ( ) bergerak melewati suatu bukaan atau
celah (d), hasil dari pelenturan atau difraksinya
tergantung pada ukuran fisik dari celah tersebut
dengan memperhatikan pula panjang gelombang
berkas cahaya yang dilenturkan. Umumnya, cahaya
bergerak dengan lintasan lurus ke segala arah.
Difraksi atau pelenturan cahaya bisa terjadi karena
cahaya menumbuk penghalang berupa celah, benda
tajam, benda tipis, dan benda-benda lainnya. Hal ini
Aplikasi Konsep Difraksi dalam Bidang...
dijelaskan pula karena sifat gelombang saat
merambat, dan mengenai penghalang, maka setiap
muka gelombangnya akan menjadi sumber titik
cahaya yang baru (sekunder) jika penghalangnya
betul-betul sempit. Berdasarkan prinsip Huygens,
pada proses perambatan gelombang bebas, setiap
titik pada suatu muka gelombang akan bertindak
sebagai sumber cahaya titik yang baru atau sumber
sekunder untuk anak gelombang (wavelet). Oleh
karena itu, cahaya dari satu bagian tertentu dapat
berinterferensi dengan cahaya dari bagian celah
yang lain, dan resultan dari intensitas cahayanya di
layar bergantung pada sudut
Maka dari itu, saat
mengenai celah atau penghalang, cahaya akan
mengalami pelenturan seperti ditunjukkan oleh
Gambar 1.
Gambar 1. Pola Difraksi Gelombang
Encyclopedia of Physics, 2009: 75)
Koheren
(Britain
Ahmad Fauzi
Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF)
2
Volume 6 Nomor 1 2016 ISSN : 2089-6158
Konsep difraksi cahaya memiliki banyak
aplikasi dalam bidang kedokteran dan kesehatan.
Pada aplikasi difraksi cahaya dalam bidang
kesehatan, banyak digunakan laser sebagai sumber
cahaya monokromatis dan koheren. Berkas cahaya
yang membawa energi digunakan sebagai media
untuk LASIK, optogenetika, dan pengukuran
diameter rambut.
Energi ionisasi atom laser mengindikasikan
energi yang dibutuhkan untuk melepaskan satu
elektron dari satu molekul atom. Saat laser sebagai
sumber cahaya ditembakkan melalui celah sempit,
yang lebar celahnya lebih kecil dibanding panjang
gelombang sinar laser, maka akan terjadi difraksi
atau pelenturan cahaya. Energi ionisasi yang dibawa
oleh paket-paket cahaya (foton) akan dilenturkan
pula. Pelenturan inilah yang dapat dijelaskan dengan
hukum kekekalan energi. Untuk dapat melewati
celah yang ukurannya lebih sempit daripada panjang
gelombang, maka berkas sinar akan mengalami
pelenturan saat melewati celah. Energi ionisasi yang
digunakan sebagai energi gerak berkas cahaya akan
menjadi energi pelenturan. Sesuai dengan hukum
kekekalan energi bahwa energi tidak dapat
diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan namun bisa
berubah wujud (Rossi, 2008: 112).
Energi pelenturan ini kemudian menjadi media
untuk berbagai terapan kesehatan. Pada LASIK,
energi yang dibawa berkas cahaya dapat melakukan
mini-operasi untuk memodifikasi kornea mata.
Sementara pada optogenetika, energi yang dibawa
berkas cahaya dapat menutup dan membuka neuron
(Mclroy, 2012: 3-4).
Gambar 2. Difraksi Gelombang Datang (Tipler, 1991: 557)
Titik-titik pada celah A dan B dapat dipandang
sebagai sumber-sumber gelombang sekunder. Jadi
pola difraksi celah ini dapat didekati dengan pola
interferensi sistem banyak celah sempit. Apabila
fungsi gelombang yang berasal dari celah sempit
pertama (celah sempit paling atas di titik A) adalah:
Misalkan:
(1)
(2)
sehingga di titik P akan terjadi superposisi dari
, ....,
(3)
sehingga saat
digunakan:
dicari
jumlah
deretnya
(4)
dapat
(5)
dengan demikian persamaan 1 berubah menjadi:
2. Pembahasan
Metode penulisan artikel ini dilakukan
berdasarkan kajian teori dari berbagai sumber dan
referensi yang kredibilitasnya diakui. Penulisan
artikel ini murni merupakan hasil sintesis dari
berbagai sumber untuk menggeneralisasikan
pembahasan mengenai aplikasi difraksi cahaya
dalam bidang kesehatan dengan analisis kualitatif.
Aplikasi difraksi cahaya pada bidang kjesehatan
menitikberatkan pada energi ionisasi yang diperoleh
dari proses difraksi cahaya untuk melakukan
serangkaian operasi pada bidang kedokteran dan
akurasi pada proses pengukuran. Energi ionisasi
difraksi cahaya direpresentasikan oleh intensitas
difraksi cahaya saat melentur. Intensitas difraksi
cahaya dapat diperoleh dari derivatif analisis fasor
seperti Gambar 2.
(6)
(7)
Misalkan:
(N-1) a = b
kemudian apabila jumlah pembagian celah sempit
sebesar N diperbanyak sehingga menuju tak hingga,
maka:
sehingga
(8)
karena nilai sin sangat kecil maka
(9)
sehingga
Aplikasi Konsep Difraksi dalam Bidang...
Ahmad Fauzi
Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF)
3
Volume 6 Nomor 1 2016 ISSN : 2089-6158
Intensitas difaksi menunjukkan terangnya pola hasil
difraksi
pada
layar.
Intensitas
cahaya
mengindikasikan energi yang dibawa oleh
gelombang cahaya. Dengan demikian, pola difraksi
makin lama makin redup saat menjauhi pusat pola
terang. Berikut akan dibahas aplikasi difraksi cahaya
dengan analisis energi dalam bidang kesehatan.
(10)
misalkan
(11)
dan
(12)
maka
(13)
sehingga
(14)
Dengan
superposisi gelombang cahaya
di titik P. Amplitudo di titik P ekivalen dengan
superposisi gelombangnya yaitu:
(15)
Maka pola difraksinya dapat diperoleh melalui
intensitas gelombang di titik P dengan:
(16)
Sehingga
(17)
Karena
(18)
Maka
(19)
Intensitas maksimum terjadi bila  = 0
dimana
sin   /   1 ,
sehingga A= A0.
A0
2
merupakan nilai intensitas maksimum, yaitu pada
pusat pola. Sehingga bila   0 maka I R  I 0 .
Intensitas maksimum terjadi di titik O pada sumbu
celah. Intensitas minimum terjadi bila   m
dengan m  1,2,3,
Dari kedua persamaan
 di atas diperoleh:
b sin 
 m


sin   m
(20)
LASIK (Laser In Situ Keratomieulisis)
Pada operasi LASIK, jenis difraksi cahaya
yang diterapkan adalah difraksi Fraunhofer untuk
lubang lingkaran (Circular Apperture Fraunhofer
Diffraction). Hal ini diterapkan karena pupil
merupakan lubang pengatur banyak sedikitnya
cahaya yang masuk pada mata dan bentuknya
sirkular. Jarak antara sumber cahaya laser dengan
lubang pupil cukup jauh (kurang lebih 1 meter) dan
operasi dilakukan pada kornea mata.
Saat diameter pupil sudah diukur, maka
selanjutnya adalah menentukan sebaran pola difraksi
(Point Spread Function) yang akan ditangkap oleh
mata. Pada langkah ini, kornea mata difungsikan
sebagai layar tempat jatuhnya pola difraksi oleh
laser. Setelah pola sebaran ditentukan, maka operasi
siap dilaksanakan (Feder, 2013: 41).
Sebelum melakukan tahap utama, pasien
akan diukur diameter pupilnya. Mengingat bahwa
pupil adalah bagian mata yang mengatur banyak
sedikitnya cahaya yang masuk, maka pupil adalah
jalan yang akan dilalui laser untuk dilakukan bedah
optik pada mata sesuai cacat matanya, dengan
demikian pupil adalah lubang sirkular yang menjadi
jalannya difraksi cahaya dari laser. Selanjutnya,
pada pasien akan diukur luas penyebaran pola
difraksi laser pada kornea mata atau yang disebut
Point Spread Function.
Bentuk kornea mata akan dimodifikasi agar
bulat kembali sehingga jari-jari kelengkungannya
normal melalui mikro operasi melalui arahan dokter
pada pasien seperti ditunjukkan Gambar 3. Pasien
akan diarahkan untuk melihat sumber cahaya berupa
laser. Pada operasi LASIK panjang gelombang laser
yang digunakan adalah panjang gelombang warna
merah (610-700 nm) sehingga energi dan
frekuensinya tidak terlalu besar (Sinjab, 2014: 172175).
(21)
b
Intensitas maksimum relatif bila:

2m  1    b sin 
2
 2m  1  
sin   

 2 b

Aplikasi Konsep Difraksi dalam Bidang...
(22)
(23)
Ahmad Fauzi
Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF)
4
Volume 6 Nomor 1 2016 ISSN : 2089-6158
“hilang”. Dengan demikian pasien dapat mengingat
kejadian periodik yang dilupakannya. Hal ini
dilakukan pada pasien stroke dan alzheimer.
Pada proses penutupan neuron, cahaya laser
yang digunakan berwarna kuning, sehingga sinar
kuning
akan
melewati
katup
protein
ontohalorhodopsin dan merangsang adanya aliran
ion Cl-. Ion Cl- akan menutup atau melakukan
deaktivasi neuron sehingga pasien dapat melupakan
memorinya. Hal ini dilakukan pada pasien penderita
PTSD. Proses optogenetika ditunjukkan oleh
Gambar 4 (Knopfel, 2012: 147-149).
Gambar 3. Operasi LASIK (Andy, 2015: 4)
Optogenetika
Pada optogenetika, jenis difraksi cahaya yang
diterapkan adalah difraksi celah tunggal Fraunhofer.
Celah yang dimaksud adalah katup protein. Laser
ditembakkan pada jarak kurang lebih 1 meter. Pada
optogenetika untuk membuka memori, panjang
gelombang yang digunakan adalah panjang
gelombang sinar biru. Sedangkan pada penutupan
memori, panjang gelombang yang digunakan adalah
panjang gelombang sinar kuning.
Pada kulit kepala pasien akan disisipi
elektrode dan optrode yang berfungsi sebagai
pemindah transmisi ion Na+ atau Cl- ke penyalur
elektron pada neuron. Posisi sinar laser terhadap
elektrode harus sejajar. Laser akan diarahkan pada
elektrode dengan bantuan serat optik (bukan ruang
hampa) sehingga cahaya akan diteruskan atau
dibiaskan menuju sel saraf otak dan mengenai celah
protein rhodopsin atau ontohalorhodopsin. Pada
peristiwa ini berlaku difraksi celah tunggal
Fraunhofer. Setelah mengenai celah protein, cahaya
akan dilenturkan, sehingga menyebar pada sel saraf
otak dan membuat transmisi ion berjalan. Sel saraf
otak inilah yang berperan sebagai layar pada proses
difraksi cahaya tersebut (Feldbauer, 2015: 20-22).
Pada proses pembukaan atau aktivasi neuron,
cahaya laser yang digunakan berwarna biru,
sehingga sinar biru akan melewati katup protein
rhodopsin dan merangsang adanya aliran ion Na+.
Ion Na+ akan membuka atau mengaktifkan neuron
sehingga pasien dapat mengingat memorinya yang
“hilang”. Apabila memori terjebak dalam neuron
yang rusak, maka ion Na+ akan mentransmisikan
memori pada neuron yang masih hidup akan menjadi
“rumah baru” bagi memori pasien yang sempat
Aplikasi Konsep Difraksi dalam Bidang...
Gambar 4. Prinsip Kerja Optogenetika (Heggeman, 2013: 121)
Pengukuran Ketebalan Rambut
Salah satu penggunaan laser yaitu untuk
mengukur diameter rambut dengan difraksi cahaya.
Penentuan diameter rambut berdasarkan pada pola
difraksi Fresnel maksimum orde pertama. Dengan
mengukur jarak y maksimum, yaitu jarak antara
pusat pita terang utama ke tepi awal dan tepi akhir
pita terang orde pertama maksimum.
Pengukuran diameter rambut dilakukan
dengan menenempatkan sehelai rambut pada slide
holder secara vertikal di depan laser seperti
ditunjukkan Gambar 5. Nilai diameter rambut dapat
diperoleh dari perbandingan antara orde difraksi,
panjang gelombang cahaya, jarak rambut ke layar,
dengan jarak y maksimumnya. Dengan persamaan:
sehingga untuk mencari diameter rambut didapatkan
persamaan:
(25)
dengan
d = diameter rambut (m)
Ahmad Fauzi
Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF)
5
Volume 6 Nomor 1 2016 ISSN : 2089-6158
sudut antara rumbai/pola gelap
gelap =
dengan garis horizontal (˚)
m = orde gelap ke= panjang gelombang (m)
y = jarak rumbai/pola gelap menuju terang
pusat (m)
L = jarak celah ke layar (m)
Pengukuran yang dilakukan juga harus
berulang baru kemudian dirata-rata dan dicari
ralatnya untuk mendapatkan data diameter rambut
yang presisi (Pratiwi, 2014: 45-46). Dengan
mengetahui diameter rambut seseorang, maka dapat
dihitung tegangan dan regangan rambut. Hal ini
berfungsi untuk mengetahui elastisitas rambut
seseorang. Untuk mencari tegangan pada rambut
dapat menggunakan persamaan:
(26)
sedangkan untuk mencari regangan pada rambut
seseorang dapat menggunakan persamaan:
3. Kesimpulan dan Saran
Aplikasi konsep difraksi dalam bidang kesehatan
ada bermacam-macam. Beberapa di antaranya yang
sedang dikembangkan adalah: 1) LASIK
menggunakan laser untuk melakukan pengukuran
diameter pupil sebelum dilakukan mikro-operasi
refraktif pada penderita cacat mata miopi,
hipermetropi, dan astigmatisma, 2) Optogenetika
adalah metode pengaktifan atau penonaktifan neuron
pada otak manusia menggunakan laser sebagai
sumber cahaya monokromatis yang didifraksikan
agar tersebar menuju neuron yang dikehendaki.
Optogenetika sangat bermanfaat pada pasien stroke,
Alzheimer, dan PTSD (Post-Traumatic Stress
Disorder), dan 3) Pengukuran diameter rambut
manusia melalui difraksi cahaya dapat digunakan
untuk menganalisis elastisitas rambut, yang arahnya
adalah diagnosa penyakit genetik seperti adalah
kanker dan kebotakan atau androgenetic alopecia.
(27)
sehingga untuk mencari modulus elastisitas (Young
Modulus) rambut seseorang dapat digunakan
persamaan:
(28)
atau
(29)
(Tipler, 1998: 139)
Gambar 5. Proses Pengukuran Diameter Rambut
Mengetahui modulus elastisitas rambut berguna
untuk memprediksi jumlah kerontokan rambut (hair
loss) pada manusia. Lebih lanjutnya hal ini berfungsi
untuk diagnosis penyakit yang berhubungan dengan
gen, dengan mengingat bahwa rambut adalah salah
satu pembawa gen (gene carrier) yang biasanya
digunakan untuk mengetahui kode genetik manusia
(DNA). Beberapa penyakit yang dapat dideteksi
lewat pengukuran diameter dan modulus elastisitas
rambut ini adalah kanker dan kebotakan atau
androgenetic alopecia (Yang, 2014: 9).
Aplikasi Konsep Difraksi dalam Bidang...
Daftar Pustaka
Serway dan Jewett. (2010). Fisika Jilid 3. Jakarta:
Penerbit Salemba Teknika
Mcilroy, Anne. (2012). Using Light to Probe The
Brain’s Self-Repair After a Stroke. Diperoleh
tanggal
25
Maret
2016
dari
http://www.theglobeandmail.com
Rossi, Bruno. (2008). Optics. London: AddisonWesley Publishing Company Incorporation
with Massachutes Institute of Technology
Tippler, P.A. (1998). Fisika untuk Sains dan Teknik
(Diterjemahkan oleh: Bambang Soegijono).
Jakarta: Erlangga
Feder, Robert S. (2013). The LASIK Handbook: A
Case Based Approach. America: LWW
Publisher
Feldbauer. (2015). Optogenetics. Journal National
Academy of Science United States of America
Volume 106 No. 22 tanggal 20 Maret 2015
halaman 12317-12322
Sinjab, Mazen M. (2014). Five Steps to Start Your
Refractive Surgery: A Case Based Systematic
Approach. Syria: Jaypee Brothers Medical
Publisher
Knopfel, Thomas dan Boyden, Edward S. (2012).
Optogenetics Volume 196: Tool for Controlling
and Monitoring Neural Activity (Progress in
Brain Research). English: Elsevier Publisher
Pratiwi, Nining. 2014. Akurasi Pengukuran
Diameter Rambut Menggunakan Laser He-He
dengan Prinsip Difraksi. Skripsi Tidak
Ahmad Fauzi
Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF)
6
Volume 6 Nomor 1 2016 ISSN : 2089-6158
Dipublikasikan, Jember, FMIPA Universitas
Negeri Jember
Yang, Fei-Chi. (2014). The Structure of People
Hair. US National Library of Medicine Volume
112 No. 169 tanggal 14 Oktober 2014 halaman
7-9
Aplikasi Konsep Difraksi dalam Bidang...
Ahmad Fauzi