રેસા પ્રકાશિકી (fiber optics)

રેસા પ્રકાશિકી (fiber optics) : ટેલિવિઝન અને રેડિયો-સંકેતો લઈ જતા પ્લાસ્ટિક કે કાચના કેબલ અથવા પ્રકાશના નિર્દેશક કે પ્રતિબિંબો મોકલનાર એક જ કે સંખ્યાબંધ પ્લાસ્ટિક કે કાચના રેસાવાળું પ્રકાશીય તંત્ર. યોગ્ય પ્રકારના પારદર્શક પદાર્થના પાતળા રેસા પ્રકાશ-કિરણનું તેમની અંદર એવી રીતે વહન કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે કે જે દરમિયાન (આદર્શ સંયોગોમાં) આ કિરણના સહેજ પણ અંશનું આ રેસાની બહાર નિર્ગમન ન થાય. મિલિમીટરના લગભગ દસમા ભાગ જેવી જાડાઈ ધરાવતા આવા રેસાઓમાં પ્રસરતો પ્રકાશ, રેસાના વળાંકો સાથે જ વળાંકો પણ લેતો રહે છે. આ કારણથી વિવિધ ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રે તેમજ ચિકિત્સાક્ષેત્રે આવા પ્રકાશી રેસાઓ (optical fibers) ઘણા જ ઉપયોગી નીવડ્યા છે અને આવા રેસાઓના ગુણધર્મો પરત્વેનું એક આગવું વિજ્ઞાન ત્રીસેક વર્ષમાં વિકસ્યું છે, જે રેસા પ્રકાશિકી એટલે કે fiber optics તરીકે ઓળખાય છે.

આ પ્રકારના રેસાઓમાં પ્રકાશ-કિરણનું ક્ષતિરહિત થતું વહન, પ્રકાશના પૂર્ણ આંતરિક પરાવર્તન (total internal reflection) અનુસાર થાય છે. રેસાની અંદર પ્રસરતું પ્રકાશ-કિરણ જ્યારે જ્યારે રેસાની સપાટી પર આપાત થાય, ત્યારે તેનું રેસાની અંદર પૂર્ણ આંતરિક પરાવર્તન થતું રહેતું હોવાથી આ કિરણની તેજસ્વિતામાં ઘટાડો નથી થતો (રેસા શોષણરહિત પદાર્થના બનેલા હોય છે.) અને લાંબાં અંતરો સુધી પ્રકાશ-કિરણ રેસાની અંદર પ્રસરતું રહે છે. (આ પ્રસરણ સૂક્ષ્મ તરંગોમાં વપરાતા ઉપકરણ waveguideના પ્રકારનું હોય છે). વધુ વક્રીભવનાંક (μ₁) ધરાવતા માધ્યમમાં પ્રસરતું કિરણ જ્યારે ઓછા વક્રીભવનાંક (μ₂) ધરાવતા માધ્યમની સપાટી પર આપાત થાય ત્યારે, જો આપાતકોણ θ₁ માટે sin θ₁નું મૂલ્ય  કરતાં વધુ હોય તો આ કિરણનું ઓછા વક્રીભવનાંકવાળા માધ્યમમાં નિર્ગમન શક્ય નથી, એટલે તેનું પ્રથમ માધ્યમમાં પૂર્ણ પરાવર્તન થાય છે. (Snellના નિયમ અનુસાર હવે જો થાય તો θ₂ અશક્ય બને.) પ્રકાશીય રેસામાં પ્રસરતું કિરણ, રેસાની સપાટી પરથી તેના પરાવર્તન સમય દરમિયાન હમેશાં આ શરત પરિપૂર્ણ કરતું  રહે છે.

પાતળી નળીમાંથી બહાર પડતા પાણીના પ્રવાહ(jet)ની અંદર થતું પ્રકાશનું વહન આ પ્રકારની ઘટનાના ઉદાહરણરૂપ છે અને fountain experiment તરીકે જાણીતો આ પ્રયોગ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં નિર્દેશન પ્રયોગ તરીકે સારો એવો જાણીતો છે. કેટલાંક રંગીન પ્રકાશી સુશોભન-સાધનો (show pieces) પણ પ્લાસ્ટિકના રેસાઓ દ્વારા પ્રકાશની આ પ્રકારની ઘટના પર આધારિત છે.

વ્યાવહારિક પ્રકાશીય રેસા : વ્યવહારમાં વપરાતા પ્રકાશીય રેસાઓ, ઉપર દર્શાવેલ સિદ્ધાંત અનુસાર જ કાર્ય કરતા હોવા છતાં, કેટલાંક વૈજ્ઞાનિક કારણોસર તેમની રચના સારી એવી જટિલ હોય છે. પ્રકાશીય રેસા, તેમની આંતરિક રચનામાં બે વિભાગ ધરાવતા હોય છે; એક તો અંદરનો તાંતણો (core) અને બીજું તેની ફરતું એક પાતળું પડ (cladding). cladding અને coreનાં દ્રવ્યો લગભગ એકસરખાં જ હોય છે, પરંતુ claddingના દ્રવ્યનો વક્રીભવનાંક, coreના દ્રવ્ય કરતાં સહેજ ઓછો હોય છે. કાચમાંથી બનાવેલ પ્રકાશીય રેસા (SiO₂ glass) માટે SiO₂ સાથે અલ્પ માત્રામાં અન્ય દ્રવ્યો (જેવા કે GeO, B₂O₃, P₂O₅) ઉમેરીને તેના વક્રીભવનાંકમાં જરૂરી ફેરફાર કરી શકાય છે અને આ રીતે જુદા જુદા મિશ્રણ દ્વારા core અને cladding સર્જવામાં આવે છે. કાચ, ઊંચા તાપમાને અર્ધપ્રવાહી સ્વરૂપ ધારણ કરીને સ્નિગ્ધ (viscos) બનતો હોવાથી તેના લાંબા રેસાઓ ખેંચી શકાય છે. જોકે સેંકડો કિલોમીટર લાંબાં યોગ્ય core અને cladding દ્રવ્યો સાથે રેસા ખેંચવાની પ્રક્રિયા ઘણી અટપટી છે અને તેની વિગતમાં નહિ ઊતરીએ. પ્રકાશી રેસાની બનાવટમાં claddingની ઉપર અંતે એક પ્લાસ્ટિક દ્રવ્યનું આવરણ, તેને રક્ષણ આપવા માટે ચઢાવાય છે. આવા પ્રકારના રેસાઓ, પ્રકાશ-કિરણ દ્વારા સંદેશાવ્યવહારના ક્ષેત્રે મોટા પ્રમાણમાં વપરાય છે; અને આવા ઉપયોગ માટે એ જરૂરી છે કે રેસામાં વહન થતા પ્રકાશનું શોષણ ઘણું જ અલ્પ હોય. આ માટે જેમાંથી રેસા ખેંચવામાં આવે છે એ SiO₂ તથા તેમાં મિશ્રિત દ્રવ્યો અત્યંત શુદ્ધ હોવાનું ખાસ જરૂરી છે. સંદેશાવ્યવહારના ક્ષેત્રે પ્રકાશીય વિસ્તારના કિરણ કરતાં નજીકનાં ઇન્ફ્રારેડ કિરણોનો વિસ્તાર (near infrared  0.8 micron) વધુ ઉપયોગી નીવડ્યો છે. અન્ય કેટલાક વ્યાવહારિક ઉપયોગો માટે, પ્રમાણમાં સસ્તા પ્લાસ્ટિક દ્રવ્યોની બનાવટના તાંતણા પણ સારા પ્રમાણમાં વપરાશમાં છે; પરંતુ આ પ્રકારના તાંતણાઓમાં અંતર સાથે પ્રકાશ-કિરણની તેજસ્વિતાનો ઘટાડો ઘણો વધુ હોય છે, એટલે લાંબાં અંતરો માટેની સંદેશાવ્યવહાર-પદ્ધતિમાં તે ખાસ ઉપયોગી નથી.

પ્રકાશીય સંદેશાવ્યવહાર (optical communications) : આ પદ્ધતિમાં મોકલવામાં આવતા સંદેશાને યોગ્ય સંજ્ઞાઓમાં ફેરવીને પ્રકાશ-કિરણ પર મુદ્રિત કરવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયાને સમાવર્તન કે અધિમિશ્રણ (modulation) કહેવાય. ત્યારબાદ આ રીતે મુદ્રિત થયેલ પ્રકાશ-કિરણ, પ્રકાશીય રેસા દ્વારા લાંબા અંતરનો પ્રવાસ ખેડીને જે સ્થાને સંદેશો પ્રાપ્ત કરવાનો હોય ત્યાં ઝીલવામાં આવે છે અને યોગ્ય ઉપકરણો દ્વારા અંકિત થયેલા મુદ્રણને મૂળ સંદેશાના સ્વરૂપમાં ફેરવવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયા અપમિશ્રણ (demodulation) કહેવાય. મુદ્રણ મુખ્યત્વે બે ભિન્ન પ્રકારે થઈ શકે, એક તો પ્રકાશ-કિરણની તેજસ્વિતામાં ફેરફાર સ્વરૂપે, અને બીજું અત્યંત ઝડપી સ્પંદોના સ્વરૂપે. પહેલી પદ્ધતિ કંપવિસ્તાર સમાવર્તન (amplitude modulation) કહેવાય, જ્યારે બીજી પદ્ધતિ અંકીય સ્પંદ સમાવર્તન (digital pulse modulation) કહેવાય. બીજી પદ્ધતિમાં સંદેશો ઘણી વધુ ઝડપથી મોકલી શકાય છે અને તેમાં ક્ષતિઓનું પ્રમાણ પણ ઘણું ઓછું  રહે છે. આવા ‘સ્પંદ’ સ્વરૂપે થતા વ્યવહારમાં દર સેકન્ડે મોકલી શકાતા સંદેશાના ઘટકો(bits)નું પ્રમાણ, પ્રકાશીય સંદેશાવ્યવહાર માટે પ્રતિ સેકન્ડે અબજ કરતાં પણ વધુ હોઈ શકે છે. પરંતુ આવી ત્વરા માટે ખાસ પ્રકારના પ્રકાશીય રેસા – monomode fibers વાપરવા જરૂરી બને છે. આ ઉપરાંત મુદ્રિત થતા પ્રકાશ માટે લેસર જેવો સ્રોત વાપરવાના પણ ખાસ ફાયદા છે જે અંગે વધુ સંશોધન પ્રગતિમાં છે.

પ્રકાશી કિરણ દ્વારા સંદેશાવ્યવહારના કેટલાક વિશિષ્ટ ફાયદાઓ છે. એક તો, એકીસાથે એક જ રેસા દ્વારા વિવિધ સંદેશાઓ મોકલી શકાય છે. આ પ્રકારની પદ્ધતિને multiplexing કહેવાય છે અને આ multiplexingની ક્ષમતા રેડિયો અને સૂક્ષ્મતરંગો દ્વારા સંદેશાવ્યવહાર કરતાં પ્રકાશી સંદેશાવ્યવહાર માટે અનેકગણી વધુ છે. બીજો એક ખાસ ફાયદો એ છે કે પ્રકાશી વ્યવહારમાં બાહ્ય ક્ષોભ(external disturbance)ની શક્યતા ઘણી ઓછી છે. ઉપરાંત સંદેશાની ગોપનીયતા પણ ઘણી વધુ સારી રીતે જાળવી શકાય છે. સંદેશાવ્યવહાર માટે પ્રકાશી કિરણ વધુ ઉપયોગી થાય એવી જાણ તો વૈજ્ઞાનિકોને ઘણા સમયથી હતી જ, પરંતુ મુશ્કેલી યોગ્ય ક્ષમતા ધરાવતા રેસાઓના સર્જન અંગેની હતી. આ ક્ષેત્રે છેલ્લાં ત્રીસ વર્ષમાં થયેલ પ્રગતિને કારણે સતત પ્રક્રિયા દ્વારા બનાવાતા અને ઊંચી ક્ષમતા ધરાવતા પ્રકાશી રેસાઓનું ઉત્પાદન હવે બહોળા પ્રમાણમાં થાય છે.

પ્રકાશીય રેસાઓનાં કેટલાંક પરિમાણો : પ્રકાશીય રેસાઓનાં બે અગત્યનાં પરિમાણો (parameters) : numerical aperture અને pulse dispersion છે. આપણે જોયું કે પ્રકાશીય રેસા પર આપાત થતાં કિરણ, રેસાની અક્ષ સાથે નિશ્ચિત મૂલ્ય કરતાં વધુ ખૂણે આપાત થાય તો તેનું પૂર્ણ આંતરિક પરાવર્તન નહિ થવાથી આવાં કિરણોનું રેસામાં વહન નહિ થાય. પૂર્ણ પરાવર્તન માટે આવશ્યક આપાતકોણની સીમા, રેસાના આંતરિક વિભાગ (core) અને તેના પરનાં બાહ્ય પડ(cladding)ના વક્રીભવનાંકોના તફાવત પર આધાર રાખે છે. આ પરિમાણને numerical aperture કહેવાય છે, અને જેમ આ વક્રીભવનાંકોનો તફાવત ઓછો તેમ રેસાનું N.A. ઓછું, numerical aperture a´ એટલે આપાત થતા કિરણના અક્ષ સાથે બનતા ખૂણાનો વ્યાપ. આમ, N.A. ઓછું હોય તો તે સ્રોતના પ્રકાશનું ઓછી માત્રામાં ગ્રહણ કરે.

પ્રકાશીય રેસામાં વહન થતા કિરણનું સ્વરૂપ વધુ ચોકસાઈપૂર્વક સમજવા માટે પ્રકાશનું તરંગ-સ્વરૂપ ખ્યાલમાં રાખવું જરૂરી છે અને તે અનુસાર કિરણ સાથે સંકળાયેલ વીજચુંબકીય તરંગો, વીજચુંબકીય ક્ષેત્રના નિશ્ચિત પ્રકારો – જેને modes કહેવાય – તે પ્રકારે જ પ્રસરી શકે છે. જો numerical aperture વધુ હોય તો આવા modesની સંખ્યા પણ વધુ હોય; પરંતુ અલગ અલગ modesમાં પ્રસરતા તરંગો માટે રેસામાં વાસ્તવિક પથ જુદા હોય છે. આ કારણથી અલગ અલગ modesમાં પ્રસરતા કિરણ માટે લાંબા રેસાના એક છેડેથી બીજા છેડે પ્રવાસ માટેનો સમય પણ અલગ હોય. આમ એક અત્યંત સાંકડા સ્પંદ (pulse) સ્વરૂપે આપાત થતા પ્રકાશનું જ્યારે રેસાના બીજા છેડે નિર્ગમન થશે ત્યારે સ્પંદ વિસ્તૃત થયેલ જણાશે. આને સ્પંદ-વિસ્તૃતીકરણ (pulse dispersion) કહેવાય છે. તે પ્રકાશીય રેસા કેટલી ત્વરાથી સંદેશાનું વહન કરી શકશે તેની સીમા નક્કી કરે છે.

પ્રકાશ-કિરણ પર મુદ્રિત થયેલા સંદેશાના વહનની ત્વરા, આ મુદ્રણ માટે વપરાતા સ્પંદોની પ્રતિ સેક્ધડ સંખ્યા (bit rate) પર આધાર રાખે છે. જેમ સંખ્યા વધુ તેમ વધુ ઝડપી સંદેશો શક્ય બને; પરંતુ જો રેસામાં વહન દરમિયાન આ સ્પંદો વિસ્તૃત થયેલા હોય તો, ઘણી ઝડપથી આવતા સ્પંદો એકબીજાથી અલગ તારવી શકાય નહિ એટલે સંદેશો ઝીલતા સ્થાને, શક્ય bit rate ઘટી જાય અને સંદેશાવ્યવહારની ત્વરા ઘટે છે. આ જ કારણથી, અત્યંત ઊંચા bit rate(પ્રતિ સેકન્ડ સ્પંદ સંખ્યા)ના સંદેશાવ્યવહાર માટે monomode fiber વપરાય છે. monomode fiberમાં સ્પંદનું વિસ્તરણ ઘણું ઓછું હોય છે.

આ સ્પંદ-વિસ્તરણ (pulse dispersion) પ્રકાશીય રેસાનું બીજું અગત્યનું પરિમાણ છે.

પ્રકાશીય રેસાના અન્ય ઉપયોગો : તેમની વળાંક લઈને પ્રકાશનું વહન કરવાની ક્ષમતાને કારણે આ પ્રકારના રેસાઓ સંદેશાવ્યવહાર ઉપરાંત પણ અનેક ક્ષેત્રોમાં ઘણા ઉપયોગી નીવડ્યા છે. આવા અનેક રેસાઓની જૂથસ્વરૂપની યોગ્ય રચના દ્વારા કોઈ પદાર્થના પ્રતિબિંબનું પણ વહન થઈ શકે છે. અનેક રેસાઓના જૂથના આડછેદ પર પડતાં પ્રતિબિંબનું જૂથના પ્રત્યેક રેસા દ્વારા ઘટકોને સ્વરૂપે વિઘટન થાય છે અને પ્રત્યેક રેસો પ્રતિબિંબના તેના પર પડતા ઘટકનું વહન કરે છે. જૂથના બીજા છેડે આડછેદ પર આ ઘટકો દ્વારા રચાતું પ્રતિબિંબ જોઈ શકાય છે. આકૃતિ 2 આ પ્રકારની રચનાનો સિદ્ધાંત દર્શાવે છે. પ્રતિબિંબનું કદ નાનું હોવાથી તેના નિરીક્ષણ માટે યોગ્ય નેત્રકાચ વાપરવામાં આવે છે.

પ્રતિબિંબનું વહન કરી શકતા પ્રકાશીય રેસાઓના જૂથની આ પ્રકારની રચનાને endoscope કહેવાય છે અને આવાં ઉપકરણો ચિકિત્સાક્ષેત્રે ઘણાં ઉપયોગી નીવડ્યાં છે. આવા ઉપકરણને શરીરની અંદરના ભાગમાં ઉતારીને, અંદરના અવયવોની પરિસ્થિતિ બહારથી ચકાસી શકાય છે. સાથે સાથે, શરીરની અંદર ઉતારાયેલા એક અન્ય પ્રકાશીય રેસાઓના જૂથ દ્વારા બહારથી ફેંકાતા પ્રકાશનું અંદર વહન કરીને તપાસવામાં આવતા અવયવને પ્રકાશિત પણ કરી શકાય છે. આ ઉપરાંત આ પ્રકારના જૂથ દ્વારા પ્રબળ લેસર-કિરણ મોકલીને શરીરની અંદર વાઢકાપ વગર સર્જરી પણ કરી શકાય છે.

ચિકિત્સાક્ષેત્ર ઉપરાંત અનેક જટિલ ઔદ્યોગિક સાધનોમાં પણ તેમની આંતરિક પરિસ્થિતિ પર આ પ્રકારનાં સાધનોથી નજર રાખી શકાય છે.

ખગોળવિજ્ઞાનમાં આ પ્રકારના ઉપયોગ માટે ખાસ ઉપકરણો રચાયાં છે. સામાન્ય રીતે એમ માનવામાં આવે છે કે કોઈ દૂરબીન દ્વારા એક સમયે એક જ ખગોળીય પદાર્થનું અવલોકન થતું હોય છે. પરંતુ, જો નાના દૃષ્ટિક્ષેત્રમાં મોટી સંખ્યામાં આવેલ તારાઓના જૂથ (star clusters) કે પછી તારાવિશ્વોનાં જૂથ(galaxy clusters)ના સભ્યોનું અવલોકન કરવું હોય તો આ પ્રકારના સિદ્ધાંત પર રચાયેલ ઉપકરણો દ્વારા એકીસાથે આવા અનેક પદાર્થોનો અભ્યાસ કરી શકાય છે. અલબત્ત, સામાન્ય endoscope કરતાં આવા ઉપકરણની રચના ઘણી વધુ જટિલ હોય છે. આ પ્રકારનાં ઉપકરણો માટે ખગોળવિજ્ઞાનીઓએ Medusa, Octopus જેવાં નામો આપ્યાં છે ! (Medusa અનેક માથાવાળી દંતકથાની રાક્ષસી હતી. Octopusને અનેક પગ હોય છે.) આ પ્રકારના ખગોળીય અભ્યાસને બહુપદાર્થ વર્ણપટશાસ્ત્ર (multi object spectroscopy) અને બહુપદાર્થ પ્રકાશમિતિ (multi object photomtry) કહેવાય છે.

અન્ય ઉપયોગો : ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રે, સહેલાઈથી પહોંચી ન શકાય એવા વિસ્તારમાં તાપમાન, દબાણ જેવી પરિસ્થિતિ પર નિયંત્રણ રાખવા માટે પણ આવા રેસાઓ ઉપયોગી છે. આ પ્રકારના ઉપયોગ માટે, પ્રકાશીય રેસા દ્વારા થતા પ્રકાશના વહનમાં દબાણ, તાપમાન ઇત્યાદિ સાથે નાની માત્રામાં થતા ફેરફારો નોંધવામાં આવે છે અને તેના પરથી વિસ્તારની ભૌતિકી પરિસ્થિતિ તારવવામાં આવે છે. આ પ્રકારે થતા તેમના ઉપયોગને optical fiber transducers કહેવાય છે. કન્ટ્રોલ એન્જિનિયરિંગનાં વિવિધ ક્ષેત્રોમાં અત્યંત સીમિત વિસ્તાર હોય; જ્યાં અન્ય પ્રકારના transducerને ગોઠવવાનું શક્ય ના હોય, ત્યાં આવા fiber optic transducers તેમના નાના કદને કારણે ઘણાં ઉપયોગી નીવડે છે.

જ્યોતીન્દ્ર ન. દેસાઈ