Sifat-sifat Optis Jaringan tubuh, Sebuah Gambaran Umum Mengenai Perambatan Cahaya dalam Jaringan Tubuh

Spektrum elektromagnetik memberikan banyak perangkat fotonika untuk penyelidikan, dan interaksi dengan sistem biologi. Fenomena elektromagnetik sangat banyak digunakan dalam biomedikal untuk mendeteksi dan mengobati penyakit dan juga untuk memajukan ilmu pengetahuan. Fokus kita kali ini adalah pada perambatan “cahaya” di dalam jaringan biologi. Tujuan utamanya adalah memberikan pendahuluan sifat-sifat linier optis jaringan tubuh manusia dari pandangan konseptual, yang menegaskan pada bagaimana sifat-sifat tersebut di gunakan dalam deskripsi perjalanan cahaya. Istilah cahaya bisa memiliki banyak arti, tetapi yang digunakan di sini adalah merujuk pada salah satu bagian spektrum elektromagnetik dengan panjang gelombang pada ruang hampa dalam jangkauan antara 1 m hingga 100 nm (atau dalam frekuens, , hingga Hz, di mana c adalah kecepatan cahaya). Jangkauan spektral ini termasuk di dalamnya dekat inframerah (near infrared atau NIR), cahaya tampak, dan ultraungu (UV) A, B, dan C, dan juga meliputi dengan sesuatu yang dinamakan dengan jendela terapetik (atau diagnosa) dengan fungsi yang sangat penting di dalam fotonika biomedik (Gambar 2.1).

Seperti yang dibahas dalam artikel sebelumnya, penjelasan kuantum mengenai cahaya dalam bentuk foton sangatlah penting untuk memahami pertukaran energi dan momentum antara cahaya dan materi dan menyajikan teori utama untuk spektroskopi molekuler. Bentuk fotonika, bagaimanapun juga merujuk pada semua fenomena gelombang elektgromagnetik, ada atau tidak, sifat-sifat kuantum pada cahaya (foton) adalah komponen penting dalam penjelasan ini. Terdapat pula kesetaraan dengan penggunaan elektronika yang berhubungan dengan fenomena sirkuit, dalam banyak aplikasi aliran arus listrik dalam alat listrik dapat digagaskan sebagai aliran listrik kontinu, dan sifat-sifat kuantum elektron tidak dibutuhkan untuk memahami perilaku sirkuit.

Dalam ranah fisika, fenomena lebih sering dijelaskan dalam pandangan klasik atau pandangan kuantum. Bentuk klasik merujuk pada teori-teori yang tidak menggunakan konsep mekanika kuantum. Dalam teori klasik, cahaya dipandang sebagai medan osilasi elektromagnetik (EM) yang mempunyai jangkauan energi kontinu. Dalam model kuantum, gelombang cahaya terdiri dari peket-paket energi (yaitu kuanta) yang dinamakan dengan foton. Masing-masing foton memiliki energi yang proporsional terhadap frekuensi gelombang EM. Teori kuantum memperkenalkan ide bahwa cahaya dan materi dapat bertukar energi sebagai foton, paket energi pokok, , di mana h adalah konstanta Planck. Penjelasan perambatan cahaya dalam jaringan memadukan pandangan keduanya: gambaran klasik yang digunakan untuk mendefinisikan dinamika tranpor cahaya secara matematis (misalnya, untuk menghitung cross section hamburan) dan konsep foton diperkenalkan dalam penjelasan khusus ketika dibutuhkan (misalnya, untuk menghitung proses transisi molekuler, seperti absorpsi, luminesensi, dan hamburan Raman).

Gambar 1. Spektrum elektromagnetik dengan daerah yang didiskusikan kali ini diperluas di sebelah kanan. Ini termasuk berkas sinar UV-C (100 hingga 280 nm), UV-B (280 hingga 315 nm), dan UV-A (315 hingga 400 nm), daerah cahaya tampak (400 hingga 760 nm), dan berkas IR-A (760 hingga 1400 nm). Bidang terapetik (lihat gambar 2.16) diperluas dari 600 nm (bagian orange pada sinar tampak) hingga 1300 nm (berkas IR-A).

Karena efek hamburan banyak adalah fitur penting perambatan cahaya dalam jaringan, aplikasi langsung teori EM pada permasalahan jaringan optis menjadi sangatlah kompleks. Terdapat solusi yang menggunakan pendekatan EM secara langsung, yaitu sebuah model yang dikenal dengan teori radiation transport (RT) digunakan untuk menyelesaikan permasalahan tesebut, teori RT mengabaikan beberapa fenomena gelombang seperti polarisasi dan interferensi, dan hanya menggunakan transpor energi cahaya dalam medium (dalam artikel berikutnya akan kita lihat bagaimana ini bisa terjadi). Seperti yang kita bahas sebelumnya, model RT secara implisit menggabungkan elemen klasik dan penjelasan kuantum dari cahaya. Model ini tidak hanya spesifik pada cahaya saja, tetapi juga memiliki aplikasi penting lainnya, seperti transpor netron dan termodinamika.

Gambar 2. diagram skematik gelombang elektromagnetik, yang terdiri dari osilasi medan listrik dan medan magnet. Polarisasi ditunujukkan oleh arah dari vektor medan listrik pada gelombang. Pada  kasus yang ditunjukkan, polariasasinya adalah linier dan dalam arah vertikal.

Dalam penjelasan elektromagnetik, cahaya terdiri atas gelombang magnet dan listrik yang berosilasi (Gambar 2). Dua parameter penting gelombang cahaya adalah fasa dan polarisasi. Fasa adalah sifat umum gelombang dan memberikan efek penting seperti interferensi dan diffraksi. Polarisasi merujuk pada orientasi vektor medan listrik pada gelombang EM. Kedua gelombang (listrik dan magnet) pastilah terjadi overlap dalam peristiwa polarisasi agar terjadi interferensi. Dalam ruang hampa, polarisasi tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang. Selama teori RT hanya berhubungan dengan transpor energi, maka secara eksplisit teori RT mengabaikan fasa dan polarisasi gelombang EM, walaupun menggunakan sifat-sifat gelombang secara implisit melewati parameter material yang dimasukkan ke dalam persamaan pokok. Validitas dari teori RT untuk media hamburan optis secara kuat telah baku secara empiris, dan hubungan teoritis antara teori RT dan hukum-hukum fundamental EM juga telah dibuktikan; namun demikian, terdapat beberapa percobaan yang memberikan hasil yang berbeda antara fenomena gelombang EM secara alami dengan model empiris RT.