तरंग प्रकाशिकी
तरंग प्रकाशिकी, जिसे भौतिक प्रकाशिकी भी कहा जाता है, प्रकाशिकी का एक उपक्षेत्र है जो प्रकाश की तरंग प्रकृति का अध्ययन करता है। ज्यामितीय प्रकाशिकी के विपरीत, जो सीधी रेखाओं में यात्रा करने वाली किरणों के रूप में प्रकाश का व्यवहार करता है, तरंग प्रकाशिकी प्रकाश को एक तरंग के रूप में व्यवहार करता है जो इंटरफेरेंस, विवर्तन और ध्रुवीयता प्रदर्शित कर सकता है।
प्रकाश की तरंग प्रकृति का परिचय
प्रकाश दोनों एक तरंग और एक कण के रूप में व्यवहार करता है। यह द्वैत प्रकृति भौतिकी में मौलिक अवधारणाओं में से एक है। तरंग प्रकाशिकी मुख्य रूप से प्रकाश के तरंग पहलू से संबंधित है।
ह्यूजेंस का सिद्धांत
ह्यूजेंस का सिद्धांत एक मौलिक अवधारणा है जो यह समझाने में मदद करता है कि तरंगें कैसे प्रसार करती हैं। इस सिद्धांत के अनुसार, तरंग मोर्चे पर प्रत्येक बिंदु को माध्यमिक तरंगिकाओं के स्रोत के रूप में माना जा सकता है जो सभी दिशाओं में प्रकाश की गति से प्रसार करती हैं। इन माध्यमिक तरंगिकाओं की सतही स्पर्शरेखाओं द्वारा नया तरंग मोर्चा बनता है।
ह्यूजेंस सिद्धांत:
1. तरंग मोर्चे पर एक बिंदु पर विचार करें।
2. इसे एक गोलाकार तरंगिका उत्सर्जित करने वाले स्रोत के रूप में मानें।
3. नया तरंग मोर्चा इन तरंगिकाओं का लिफाफा है।
प्रकाश का हस्तक्षेप
जब दो या अधिक तरंगें एक दूसरे से ओवरलैप होती हैं और एक नए तरंग पैटर्न का निर्माण करती हैं, तो हस्तक्षेप होता है। तरंग प्रकाशिकी में, सुपरपोजिशन के सिद्धांत का उपयोग हस्तक्षेप का वर्णन करने के लिए किया जाता है, जहां परिणामी तरंग व्यक्तिगत तरंगों का योग होता है।
हस्तक्षेप में पथ अंतर के लिए सूत्र है:
पथ अंतर (Δ) = d * sin(θ)
जहां d स्रोतों के बीच की दूरी है, और θ घटना का कोण है।
हस्तक्षेप के प्रकार
- संवर्धात्मक हस्तक्षेप: यह तब होता है जब तरंग आयामों का योग होता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च आयाम वाली तरंग बनती है।
शर्त: Δ = nλ, जहां n एक पूर्णांक है। - घातक हस्तक्षेप: यह तब होता है जब तरंग आयाम एक दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कम आयाम वाली तरंग बनती है।
शर्त: Δ = (n + 1/2)λ
विवर्तन
विवर्तन बाधाओं के किनारों के चारों ओर या स्लिट्स के माध्यम से प्रकाश तरंगों का झुकाव है। यह प्रकाश की तरंग प्रकृति का परिणाम है और महत्वपूर्ण हो जाता है जब बाधा या स्लिट का आकार प्रकाश की तरंगदैर्ध्य के समान होता है।
एकल स्लिट विवर्तन
जब प्रकाश एक संकीर्ण स्लिट से गुजरता है, तो यह फैलता है और स्क्रीन पर एक विवर्तन पैटर्न बनाता है। केंद्रीय अधिकतम पैटर्न का सबसे चमकदार भाग होता है। जब हम केंद्र से दूर जाते हैं, तो प्रकाश की तीव्रता घट जाती है।
एकल स्लिट विवर्तन सूत्र:
sineθ = m(λ/W)
M = ±1, ±2, ±3, ...
जहां W स्लिट की चौड़ाई है, θ घटना की दिशा के सापेक्ष कोण है, और m न्यूनतम का क्रम है।
डबल स्लिट विवर्तन
एक दोहरे स्लिट प्रयोग में, प्रकाश पास-पास दो स्लिटों से गुज़रता है, जिससे विवर्तनित तरंगों की ओवरलैपिंग के कारण हस्तक्षेप पैटर्न उत्पन्न होता है।
अधिकतम के लिए शर्त: d * sinθ = nλ
मिनिमा के लिए शर्त: d * sinθ = (n + 1/2)λ
जहां d स्लिटों के बीच की दूरी है, θ विवर्तन कोण है, और n एक पूर्णांक है।
प्रकाश का ध्रुवीकरण
ध्रुवीकरण तरंग में दोलनों की अभिविन्यास को संदर्भित करता है। अप्रकाशित प्रकाश में, विद्युत क्षेत्र कई दिशाओं में दोलन करता है। हालाँकि, ध्रुवीकृत प्रकाश एकल दिशा में दोलन करता है।
ध्रुवीकरण विधियाँ
- अवशोषण द्वारा ध्रुवीकरण: विशेष अभिविन्यास की तरंगों को गुजरने की अनुमति देने के लिए ध्रुवीकरण फिल्टर का उपयोग करता है।
- परावर्तन द्वारा ध्रुवीकरण: यह तब होता है जब प्रकाश एक निश्चित कोण पर एक सतह से परावर्तित होता है, जिसे ब्रूस्टर कोण के रूप में जाना जाता है।
- विखंडन द्वारा ध्रुवीकरण: वातावरण में प्रकाश के विखंडन के कारण यह आंशिक रूप से ध्रुवीकृत हो सकता है।
ब्रूस्टर कोण का सूत्र:
tanθ_b = n2 / n1
जहां θ_b ब्रूस्टर कोण है, n2 दूसरे माध्यम का अपवर्तनांक है, और n1 पहले माध्यम का अपवर्तनांक है।
तरंग प्रकाशिकी के अनुप्रयोग
तरंग प्रकाशिकी न केवल प्रकाशिकी का एक सैद्धांतिक हिस्सा है, बल्कि इसके विविध क्षेत्रों में कई अनुप्रयोग हैं:
- ऑप्टिकल उपकरणों का डिज़ाइन: दूरबीन, माइक्रोस्कोप और कैमरों के डिज़ाइन में तरंग प्रकाशिकी के सिद्धांतों का उपयोग किया जाता है।
- हो लॉग्राफी: तीन-आयामी चित्र बनाने के लिए हस्तक्षेप पैटर्न का उपयोग करता है।
- फाइबर ऑप्टिक संचार: तरंग प्रकाशिकी ऑप्टिकल फाइबर में प्रकाश के संचरण की व्याख्या करता है।
- विवर्तन ग्रेटिंग: स्पेक्ट्रोमीटर में प्रकाश स्पेक्ट्रम का विश्लेषण करने के लिए उपयोग किया जाता है।
तरंगों का गणितीय वर्णन
तरंगों के पीछे गणित को समझने से तरंग प्रकाशिकी में गहराई से अंतर्दृष्टि प्राप्त करने में मदद मिलती है। प्रकाश तरंगों का वर्णन तरंग समीकरण का उपयोग करके किया जा सकता है:
तरंग समीकरण: ∂²E/∂x² = (1/c²)*∂²E/∂t²
जहां E विद्युत क्षेत्र है, c प्रकाश की गति है, x स्थिति है, और t समय है।
सुपरपोजिशन सिद्धांत
सुपरपोजिशन सिद्धांत कहता है कि किसी भी बिंदु पर परिणामी तरंग सभी व्यक्तिगत तरंगों का योग है। इस सिद्धांत को हस्तक्षेप को समझने के लिए आवश्यक है।
तरंगों की सहेरता
लगातार हस्तक्षेप पैटर्न के लिए, प्रकाश के स्रोतों को संयोजक होना चाहिए, अर्थात वे एक स्थिर चरण अंतर बनाए रखते हैं। संयोजक तरंगों का उत्पादन लेज़रों या अन्य स्थिर प्रकाश स्रोतों का उपयोग करके किया जा सकता है।
कोहेरेंस लंबाई वह लंबाई है जिसके दौरान तरंग निर्दिष्ट सहेरता की डिग्री बनाए रखती है, और कोहेरेंस समय वह समय है जिसके दौरान तरंग सहेरता बनाए रखती है।
दृश्य उदाहरण
दृश्य सहायता के माध्यम से तरंग प्रकाशिकी को समझना काफी हद तक सुधारा जा सकता है। नीचे कुछ अवधारणाओं को कल्पनात्मक रूप से प्रस्तुत करने का एक सरल तरीका है।
साधारण साइन वेव द्वारा प्रतिनिधित्व किए गए तरंगफ्रंट पर विचार करें:
यह तरंगफ्रंट एकल तरंग का प्रतिनिधित्व कर सकती है। यदि हम कई ऐसे तरंगफ्रंट पर विचार करते हैं, तो आपके पास एक हस्तक्षेप पैटर्न होगा, शायद हल्के और गहरे बैंड की एक श्रृंखला:
जब प्रकाश विवर्तन से गुज़रता है, तो यह कोनों या छोटे छेदों के आस-पास झुकता है। यहाँ ऐसी तरंग प्रसार का एक सरल प्रतिनिधित्व है:
निष्कर्ष
तरंग प्रकाशिकी हमें प्रकाश की विस्तृत और जटिल तरंग प्रकृति को समझने की अनुमति देता है। डबल स्लिट प्रयोगों में प्रकट होने वाले हस्तक्षेप पैटर्न से लेकर विवर्तन के कारण बनने वाले सुंदर इंद्रधनुषों तक, तरंग प्रकाशिकी कई प्राकृतिक और तकनीकी घटनाओं की व्याख्या करता है जो वैज्ञानिक और दैनिक दुनिया दोनों के लिए अभिन्न हैं।
अपने अंतर्निहित सिद्धांतों के साथ, तरंग प्रकाशिकी मौलिक भौतिकी और लागू प्रौद्योगिकियों दोनों में एक आवश्यक क्षेत्र बना रहता है, ऑप्टिकल डेटा भंडारण से लेकर आधुनिक संचार प्रणालियों तक सब कुछ प्रभावित करता है।
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