गर्मियों में समुद्र तट पर धूप का चश्मा पहनने पर आपने अनुभव किया होगा कि पानी पर चमकता चकाचौंध भरा परावर्तन मानो जादू की तरह गायब हो जाता है। लेकिन उसी चश्मे को पहने हुए सिर एक ओर झुकाने पर वह परावर्तन फिर दिखाई देने लगता है। प्रकाश वही रहता है, फिर भी दिशा के अनुसार कभी दिखाई देने और कभी गायब होने की इस घटना का रहस्य ही ‘प्रकाश का ध्रुवण (Polarization of Light)’ है।
सरल शब्दों में, ध्रुवण का अर्थ है ‘प्रकाश के कंपन का एक दिशा में व्यवस्थित होना’। प्रकाश एक ऐसी तरंग है जो अपनी संचरण दिशा के लंबवत कंपन करती है, लेकिन धूप या बिजली के बल्ब की रोशनी में अनेक दिशाओं के कंपन मिले हुए होते हैं। कंपन की इन दिशाओं को चुनने या एक सीध में व्यवस्थित करने की प्रक्रिया धूप के चश्मों और स्मार्टफोन की स्क्रीन से लेकर 3D सिनेमाघरों तक, हमारे जीवन में कई जगह चुपचाप काम कर रही है।
इस सामग्री में हम क्रम से ध्रुवण के मूल सिद्धांत, प्रकाश के ध्रुवित होने के तरीके, दैनिक जीवन में उसके उपयोग और प्रकृति द्वारा ध्रुवण का उपयोग करने के तरीकों को समझेंगे।
प्रकाश की छिपी दिशा: ध्रुवण के सिद्धांत और उपयोग
ध्रुवण क्या है?
प्रकाश एक विद्युतचुंबकीय तरंग है, जिसमें विद्युत क्षेत्र और चुंबकीय क्षेत्र एक-दूसरे के लंबवत कंपन करते हुए आगे बढ़ते हैं। ध्रुवण की चर्चा में आमतौर पर विद्युत क्षेत्र के कंपन की दिशा को आधार माना जाता है। सूर्य या तापदीप्त बल्ब से निकले प्रकाश में कंपन की दिशाएँ अलग-अलग होती हैं, इसलिए उसे ‘अध्रुवित प्रकाश’ कहते हैं।
(1) बाड़ की उपमा
कल्पना कीजिए कि आप कूदने वाली रस्सी को खड़ी दरारों वाली बाड़ के बीच से हिला रहे हैं। रस्सी को ऊपर-नीचे हिलाने पर तरंग दरार से सीधे गुजर जाती है, लेकिन दाएँ-बाएँ हिलाने पर बाड़ उसे रोक देती है। ध्रुवण फिल्टर भी इसी बाड़ की तरह केवल एक दिशा के कंपन को गुजरने देता है।
(2) मालुस का नियम
दो ध्रुवण फिल्टरों को एक-दूसरे के ऊपर रखकर उनमें से एक को धीरे-धीरे घुमाने पर प्रकाश क्रमशः मंद होता जाता है और 90 डिग्री पर लगभग पूरी तरह रुक जाता है। गुजरने वाले प्रकाश की तीव्रता दोनों फिल्टरों के बीच बने कोण के कोसाइन के वर्ग के समानुपाती होती है और इसे I = I0 × cos²θ से व्यक्त किया जाता है। इसके खोजकर्ता के नाम पर इसे मालुस का नियम कहते हैं।
(3) रैखिक ध्रुवण और वृत्तीय ध्रुवण
जब कंपन केवल एक तल में होता है, तो उसे रैखिक ध्रुवण कहते हैं, और जब कंपन की दिशा सर्पिल की तरह घूमते हुए आगे बढ़ती है, तो उसे वृत्तीय ध्रुवण कहते हैं। धूप के चश्मे मुख्यतः रैखिक ध्रुवण पर काम करते हैं, जबकि 3D सिनेमाघरों के चश्मों में अक्सर वृत्तीय ध्रुवण का उपयोग होता है।
प्रकाश के ध्रुवित होने के तीन तरीके
प्राकृतिक प्रकाश भी कुछ विशेष परिस्थितियों में अपने आप ध्रुवित हो जाता है। इसके प्रमुख तरीके निम्नलिखित हैं।
- अवशोषण (Dichroism): इसमें प्रकाश ऐसे पदार्थ से गुजरता है जो केवल एक विशेष दिशा के कंपन को अवशोषित करता है, जिससे शेष दिशाओं वाला प्रकाश ही बचता है। आज की ध्रुवण फिल्मों में इसी सिद्धांत का उपयोग होता है।
- परावर्तन (Reflection): काँच या पानी की सतह से तिरछे परावर्तित प्रकाश में पानी की सतह के समानांतर दिशा में कंपन करने वाले घटक अधिक हो जाते हैं। 1808 में फ्रांस के एतिएन-लुई मालुस ने कैल्साइट के क्रिस्टल से पेरिस के लक्ज़मबर्ग महल की खिड़की पर परावर्तित धूप को देखते हुए यह तथ्य खोजा और इसे ‘ध्रुवण’ नाम भी दिया।
- प्रकीर्णन (Scattering): जब धूप वायु के अणुओं से टकराकर बिखरती है, तब भी ध्रुवण होता है। साफ दिन में सूर्य से 90 डिग्री की दिशा में स्थित आकाश का प्रकाश सबसे अधिक ध्रुवित होता है।
1815 में स्कॉटलैंड के डेविड ब्रूस्टर ने बताया कि जिस कोण पर परावर्तित प्रकाश पूरी तरह ध्रुवित होता है, वह पदार्थ के अपवर्तनांक से निर्धारित होता है। इस कोण को ब्रूस्टर कोण कहते हैं और यह सामान्य काँच के लिए लगभग 56 डिग्री तथा पानी के लिए लगभग 53 डिग्री होता है।
फोटोग्राफर अपने लेंस के आगे जो ध्रुवण फिल्टर लगाते हैं, वे भी इसी सिद्धांत पर काम करते हैं। फिल्टर को घुमाकर सही स्थिति में लाने पर खिड़की के काँच या पानी की सतह का परावर्तन कम हो जाता है और भीतर दिखाई देने लगता है। साथ ही, प्रकीर्णन से ध्रुवित आकाश का प्रकाश कम होने से तस्वीर में नीला आकाश अधिक गहरा और स्पष्ट दिखाई देता है।
दैनिक जीवन में ध्रुवण तकनीक के उदाहरण
सस्ती और पतली ध्रुवण पट्टिकाओं के आने से ध्रुवण का उपयोग प्रयोगशालाओं से बाहर भी होने लगा। 1929 में अमेरिका के एडविन लैंड ने सूक्ष्म क्रिस्टलों को एक दिशा में व्यवस्थित करके बनाई गई फिल्म जैसी ध्रुवण पट्टिका के लिए पेटेंट आवेदन किया और बाद में पोलरॉइड नाम की कंपनी स्थापित की।
[उदाहरण 1] ध्रुवित धूप के चश्मे
पानी और सड़क से परावर्तित चकाचौंध वाला प्रकाश मुख्यतः क्षैतिज दिशा में कंपन करता है। ध्रुवित धूप के चश्मे केवल ऊर्ध्वाधर दिशा के कंपन को गुजरने देकर इस चकाचौंध को छान देते हैं। मछुआरों को ध्रुवित चश्मा पहनने पर पानी में मछलियाँ अधिक साफ दिखाई देने का कारण भी यही है।
[उदाहरण 2] लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले (LCD)
लिक्विड क्रिस्टल स्क्रीन में दो ध्रुवण पट्टिकाएँ एक-दूसरे के समकोण पर रखी होती हैं और उनके बीच के लिक्विड क्रिस्टल अणु वोल्टेज के अनुसार प्रकाश के कंपन की दिशा मोड़ते हैं। इससे प्रत्येक पिक्सेल में प्रकाश को चालू और बंद किया जा सकता है। ध्रुवित धूप का चश्मा पहनकर स्क्रीन देखने पर कुछ कोणों पर उसका काला दिखाई देना भी इसी कारण होता है।
[उदाहरण 3] 3D फिल्में
3D सिनेमाघरों में बाईं और दाईं आँख के लिए निर्धारित दृश्यों को अलग-अलग ध्रुवण वाले प्रकाश से प्रक्षेपित किया जाता है और चश्मे के दोनों लेंस केवल अपने-अपने हिस्से के प्रकाश को गुजरने देते हैं। दोनों आँखों को थोड़े अलग दृश्य दिखाई देने पर मस्तिष्क त्रिविमीय गहराई का अनुभव पैदा करता है।
प्रकृति में ध्रुवण के उपयोग की सूझबूझ
मानव आविष्कारों से बहुत पहले से ही ध्रुवण जीवों का मार्गदर्शक रहा है। ऑस्ट्रिया के प्राणीविज्ञानी कार्ल फ़ॉन फ़्रिश ने खोजा कि मधुमक्खियाँ आकाश में ध्रुवण के पैटर्न को पढ़कर, सूर्य के बादलों से ढके होने पर भी दिशा पहचान लेती हैं। चींटियाँ, कुछ प्रवासी पक्षी और मछलियाँ भी ध्रुवण को महसूस करके रास्ता खोजने के लिए जानी जाती हैं।
वैज्ञानिक अनुसंधान में भी ध्रुवण एक महत्वपूर्ण साधन है। पारदर्शी प्लास्टिक को दो ध्रुवण पट्टिकाओं के बीच रखने पर जिन हिस्सों पर बल लगा होता है, वे इंद्रधनुषी पैटर्न में उभर आते हैं, जिससे इंजीनियर संरचनाओं में उत्पन्न प्रतिबल को आँखों से देख सकते हैं। खगोलविद तारों के प्रकाश और ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि विकिरण के ध्रुवण का विश्लेषण करके दूरस्थ ब्रह्मांड के चुंबकीय क्षेत्रों और आरंभिक ब्रह्मांड के स्वरूप का अध्ययन करते हैं।
संक्षेप में, ध्रुवण प्रकाश के कंपन की दिशा से जुड़ा एक छिपा गुण है और यह अवशोषण, परावर्तन तथा प्रकीर्णन से उत्पन्न होता है। मनुष्य इसका उपयोग धूप के चश्मों, स्क्रीन और सिनेमाघरों में करते हैं, जबकि मधुमक्खियाँ इससे आकाश का नक्शा पढ़ती हैं। एक ही सिद्धांत का इतने व्यापक क्षेत्रों को जोड़ना ध्रुवण का सबसे रोचक आकर्षण है।
भले ही आँखों को दिखाई न दे, प्रकाश में एक निश्चित दिशा छिपी होती है। धूप के चश्मे से गायब हुई चकाचौंध को याद करते हुए प्रकाश के कंपन की कल्पना करना, प्रकाश की अदृश्य व्यवस्था को समझने की दिशा में विज्ञान का पहला कदम है।
