तरंग ऑप्टिक्स

तरंग ऑप्टिक्स, जिसे भौतिक ऑप्टिक्स के नाम से भी जाना जाता है, ऑप्टिक्स की एक शाखा है जो प्रकाश के एक तरंग के रूप में व्यवहार का अध्ययन करती है। ज्यामितीय ऑप्टिक्स के विपरीत, जो प्रकाश के किरण अनुमान से संबंधित है, तरंग ऑप्टिक्स प्रकाश की तरंग विशेषताओं जैसे हस्तक्षेप, विवर्तन, और ध्रुवीकरण का ध्यान रखता है। प्रकाश की प्रकृति और इसके विभिन्न अनुप्रयोगों को पूरी तरह से समझने के लिए तरंग ऑप्टिक्स को समझना आवश्यक है।

प्रकाश की प्रकृति: तरंग-कण द्वैत

ऐतिहासिक रूप से, प्रकाश की प्रकृति का विषय बहुत बहस का विषय रहा है। शुरुआती वैज्ञानिक जैसे आइजैक न्यूटन ने प्रकाश के कण सिद्धांत का प्रस्ताव दिया, जबकि अन्य जैसे क्रिश्चियन ह्यूजेंस ने तरंग सिद्धांत का समर्थन किया। आज, हम समझते हैं कि प्रकाश तरंग-समान और कण-समान दोनों गुण दिखाता है, जिसे तरंग-कण द्वैत के रूप में जाना जाता है। तरंग ऑप्टिक्स में, हम प्रकाश के तरंग-समान व्यवहार पर ध्यान केंद्रित करते हैं।

तरंग ऑप्टिक्स की बुनियादी बातें

तरंग ऑप्टिक्स की बुनियादी बातें कई मुख्य अवधारणाओं के चारों ओर घूमती हैं, जिनमें हस्तक्षेप, विवर्तन, और ध्रुवीकरण शामिल हैं। इन घटनाओं को प्रकाश के कण सिद्धांत द्वारा समझाया नहीं जा सकता है और इसलिए इन्हें तरंग ऑप्टिक्स का उपयोग करके सबसे अच्छा वर्णित किया जा सकता है।

प्रकाश का हस्तक्षेप

हस्तक्षेप वह घटना है जिसमें दो या अधिक प्रकाश तरंगें एक-दूसरे पर अतिपरिणत होती हैं, जिससे अधिक, कम या बराबर आयाम वाली परिणामस्वरूप तरंग बनती है। यह अक्सर देखा जा सकता है जब विभिन्न स्रोतों से या यहां तक कि एक ही स्रोत से आ रही प्रकाश तरंगें मिलती हैं।

हस्तक्षेप को देखने के लिए, निम्नलिखित चित्र पर विचार करें जो दो तरंगों के बीच की अंतःक्रिया को दर्शाता है:

उपरोक्त उदाहरण में, नीली और लाल तरंगें विभिन्न स्रोतों से प्रकाश तरंगों का प्रतिनिधित्व कर सकती हैं। जब वे ओवरलैप होती हैं, तो वे एक हस्तक्षेप पैटर्न का निर्माण करती हैं। संवर्धक हस्तक्षेप तब होता है जब तरंगें चरण में मिलती हैं (गंगा गंगा से मिलती हैं, घाटियां घाटियों से मिलती हैं), और परिणामस्वरूप आयाम बड़ा होता है। विनाशकारी हस्तक्षेप तब होता है जब तरंगें चरण से बाहर मिलती हैं (गंगा घाटियों से मिलती हैं), और परिणामस्वरूप आयाम छोटा या शून्य होता है।

प्रकाश का विवर्तन

विवर्तन प्रकाश तरंगों के अवरोध और छिद्रों के चारों ओर मुड़ने का वर्णन करता है। यह घटना महत्वपूर्ण होती है जब अवरोध या छिद्र का आकार प्रकाश की तरंगदैर्घ्य के साथ तुलनीय होता है। विवर्तन को हमारे दैनिक जीवन में आसानी से देखा जा सकता है; उदाहरण के लिए, जिस प्रकार जल तरंगें एक स्तंभ के चारों ओर मुड़ती हैं वह विवर्तन की अवधारणा को दर्शाती है।

एक और उदाहरण उस समय प्रदान किया जाता है जब प्रकाश तरंगें एक छिद्र से मुड़ती हैं:

नीली और लाल रेखाएं एक संकीर्ण छिद्र (स्लिट) की ओर जाती हुई प्रकाश तरंगों का प्रतिनिधित्व करती हैं। जब ये तरंगें स्लिट से गुजरती हैं, तो वे फैल जाती हैं और विवर्तन पैटर्न बनाती हैं। ये पैटर्न प्रकाश और अंधेरे के वैकल्पिक बैंड के रूप में प्रकट होते हैं, जो फ्रिंज के रूप में जाने जाते हैं।

प्रकाश का ध्रुवीकरण

ध्रुवीकरण एक लहर गुणधर्म है जो दोलन की ज्यामितीय दिशा को निर्दिष्ट करता है। प्रकाश के मामले में, ये दोलन तरंग के प्रचार की दिशा के लम्बवत होते हैं। सामान्यतः, प्रकाश तरंगें अध्रुवीकृत होती हैं, जिसका अर्थ है कि तरंगें यात्रा करते समय बहु-विमानों में कम्पन करती हैं।

हम ध्रुवीकरण की अवधारणा को निम्नलिखित तरंग आरेख का उपयोग करके दर्शा सकते हैं:

नीली तरंग एक निश्चित विमान में दोलित होती है, जो अध्रुवीकृत प्रकाश को दर्शाती है। ध्रुवीकरण प्राप्त करने का एक सामान्य तरीका एक ध्रुवीकरण फिल्टर का उपयोग करना है, जो एक निश्चित दिशा में दोलित तरंगों को गुजरने की अनुमति देता है जबकि अन्य को अवरोधित करता है।

तरंगों का गणितीय निरूपण

तरंगों को तरंग समीकरणों का उपयोग करके गणितीय रूप से वर्णित किया जा सकता है। एकल तरंग जो एक आयाम में चल रही है, के लिए किसी भी बिंदु पर विस्थापन y को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

        y(x, t) = A sin(kx – ωt + φ)
    

यहां, A तरंग का आयाम है, k तरंग संख्या है, ω कोणीय आवृत्ति है, और φ प्रारंभिक चरण कोण है। यह समीकरण समय और स्थान के साथ तरंग शिखरों की स्थिति या स्थिति को समझने में मदद करता है।

यंग का द्वि:स्लिट प्रयोग

तरंग ऑप्टिक्स के सबसे प्रसिद्ध प्रदर्शनों में से एक यंग का द्वि:स्लिट प्रयोग है। इस प्रयोग में, थॉमस यंग ने प्रकाश की तरंग प्रकृति का प्रदर्शन दो निकटता से स्थित स्लिट के द्वारा उत्पन्न हस्तक्षेप पैटर्न को दिखाकर किया।

प्रयोगात्मक सेटअप में एक प्रकाश स्रोत, दो पतली झिल्लियाँ, और एक स्क्रीन शामिल है। जब प्रकाश झिल्लियों से गुजरता है, तो यह स्क्रीन पर वैकल्पिक उज्ज्वल और अंधेरे फ्रिंज के हस्तक्षेप पैटर्न का निर्माण करता है।

संवर्धक हस्तक्षेप की शर्त (उज्ज्वल फ्रिंज) इस प्रकार दी जाती है:

        dsin(θ) = mλ
    

जहां d स्लिट के बीच की दूरी है, θ प्रकाश की मौलिक दिशा के सापेक्ष कोण है, m फ्रिंज का क्रम (0, 1, 2,...) है, और λ प्रकाश की तरंगदैर्घ्य है। विनाशकारी हस्तक्षेप (अंधेरे फ्रिंज) के लिए शर्त है:

        dsin(θ) = (m + 0.5)λ
    

तरंग ऑप्टिक्स के अनुप्रयोग

तकनीकी और प्रकृति में तरंग ऑप्टिक्स के कई अनुप्रयोग हैं। इनमें से कुछ में ऑप्टिकल उपकरणों की डिजाइन, प्राकृतिक घटनाओं जैसे इंद्रधनुष को समझना, और लेजर, होलोग्राफी, और फाइबर ऑप्टिक्स जैसी विभिन्न तकनीकों का विकास शामिल है।

• इंटरफेरोमेट्री: तरंग ऑप्टिक्स का एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग, जहां हस्तक्षेप का उपयोग दूरी और सतह की विषमताओं को मापने के लिए किया जाता है।
• ऑप्टिकल कोटिंग्स: लेन्सेस या दर्पणों पर बहुपरत कोटिंग्स परावर्तन को बढ़ाने या घटाने के लिए हस्तक्षेप के सिद्धांत का उपयोग करती हैं।
• ध्रुवीकृत सनग्लासेस: ये ध्रुवीकरण की अवधारणा का उपयोग कर परावर्तक सतहों से चकाचौंध को कम करते हैं।

निष्कर्ष

तरंग ऑप्टिक्स प्रकाश के स्वाभाव को समझने में आवश्यक जानकारी प्रदान करता है, उसकी तरंग-समान गुणों को ध्यान में रखते हुए। हस्तक्षेप, विवर्तन, और ध्रुवीकरण जैसी घटनाओं के माध्यम से, तरंग ऑप्टिक्स हमें प्रकाश की क्षमताओं को समझने और उसे लागू करने में मदद करता है। तरंग ऑप्टिक्स के सिद्धांत कई तकनीकी प्रगतियों और ऑप्टिकल उपकरणों के लिए आधारशिला बनाते हैं।

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