પ્રકાશશાસ્ત્ર (optics)

પ્રકાશની ઉત્પત્તિ, સંચારણ (પ્રેષણ), શોષણ, માપન અને ગુણધર્મોના અભ્યાસને લગતી ભૌતિકવિજ્ઞાનની શાખા. પ્રકાશશાસ્ત્રમાં ર્દશ્ય (visible) પ્રકાશ અને અર્દશ્ય એવા અધોરક્ત (infrared) અને પારજાંબલી (ultraviolet) વિકિરણનો સમાવેશ થાય છે. પ્રકાશશાસ્ત્રને મુખ્ય ત્રણ શાખાઓમાં વિભાજિત કરી શકાય છે : (1) ભૂમિતીય (geometrical) પ્રકાશશાસ્ત્ર; જેમાં પ્રકાશનું કિરણ વડે નિરૂપણ કરવામાં આવે છે. આ શાખામાં પરાવર્તન (reflection), વક્રીભવન (refraction), પ્રકાશીય વિકિરણો, પ્રકાશનો વેગ અને પ્રકાશમિતિ(photometry)નો સમાવેશ થાય છે. (2) ભૌતિક પ્રકાશશાસ્ત્ર (physical optics) – જેમાં પ્રકાશની સમજૂતી પ્રત્યક્ષ ઘટનાઓ દ્વારા આપવામાં આવે છે. પ્રકાશની પ્રકૃતિ, વ્યતિકરણ (interference), વિવર્તન (diffraction), ધ્રુવીભવન (polarisation), વર્ણપટ (spectrum) અને અન્ય ઘટનાઓનો ભૌતિક પ્રકાશશાસ્ત્રમાં સમાવેશ થાય છે. (3) ક્વૉન્ટમ પ્રકાશશાસ્ત્ર (quantam optics); જેમાં પ્રકાશના વ્યક્તિગત કણ એટલે કે ફોટૉનને લગતો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. સંદીપ્તિ (luminescence), પ્રસ્ફુરણ (fluorescence), લેસર(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation–LASER)નો ક્વૉન્ટમ પ્રકાશશાસ્ત્રમાં સમાવેશ થાય છે.

સત્તરમી સદીના ઉત્તરાર્ધમાં પ્રકાશની પ્રકૃતિને લગતા અભ્યાસના શ્રીગણેશ થયા. તે સમય દરમિયાન તેને લગતા પાયાના સિદ્ધાંત સૂત્રબદ્ધ થઈ શક્યા. આ સમય પહેલાં તો પ્રકાશનું કિરણ એ કણોની ધારારેખાનો ખ્યાલ ધરાવતું હતું. મીણબત્તી, વિદ્યુત-દીવા અને સળગતા પદાર્થોમાંથી પ્રકાશના કણો બહાર પડતા હોય છે તેવું મનાતું હતું. આવા કણો પ્રચંડ વેગથી સુરેખ ગતિ કરતા હોય છે. બ્રિટિશ ભૌતિકવિજ્ઞાની સર આઇઝેક ન્યૂટને (1642–1727) પ્રકાશના કણવાદ(corpuscular theory)નો ખ્યાલ મૌલિક રીતે આપ્યો. આ વાદ મુજબ, પ્રકાશિત વસ્તુ સૂક્ષ્મ, હલકા અને સ્થિતિસ્થાપક કણોનું બધી દિશામાં ઉત્સર્જન કરે છે. પ્રકાશના આ કણો એટલા બધા નાના હોય છે કે દ્રવ્યમય પદાર્થની ફાટ(interstice)માં થઈને સડસડાટ નીકળી જાય છે. તેમનો વેગ પ્રકાશના વેગ જેટલો હોય છે. ચળકતી સપાટી આગળ આવા કણો પરાવર્તન પામે છે, જ્યારે પારદર્શક માધ્યમમાંથી આરપાર નીકળી જાય છે. આવા કણો આંખના ર્દષ્ટિપટલ પર પડે છે ત્યારે ર્દશ્યની સંવેદના પેદા કરે છે. કણવાદની આ ઘટના મુજબ પ્રકાશનું સુરેખ પ્રસરણ, પરાવર્તન અને પારગમન સંતોષકારક રીતે સમજાવી શકાય છે. આવા કણો પ્રકાશિત વસ્તુમાંથી ઉત્સર્જિત થઈ પ્રચંડ વેગે ગતિ કરતા હોઈ, બીજાં બળોની ગેરહાજરીમાં, તે ન્યૂટનના ગતિના બીજા નિયમ મુજબ સુરેખ ગતિ કરે છે. આથી પ્રકાશનું સુરેખ પ્રસરણ સ્પષ્ટ થાય છે.

પ્રકાશના કણવાદ પ્રમાણે પ્રકાશના પરાવર્તનની ઘટના સફળતા-પૂર્વક સમજાવી શકાય છે; પણ વક્રીભવનની ઘટના સમજાવવામાં તે નિષ્ફળ જાય છે. કણવાદ મુજબ સ્નેલનો નિયમ   તારવી તો શકાય છે. અહીં  એ પહેલા માધ્યમની સાપેક્ષ બીજા માધ્યમનો વક્રીભવનાંક i  અને r અનુક્રમે આપાત અને વક્રીભવન-કોણ છે. આ નિયમ મુજબ ઘટ્ટ માધ્યમમાં પ્રકાશનો વેગ વધુ અને પાતળા માધ્યમમાં વેગ ઓછો મળે છે, જે પ્રાયોગિક પરિણામની વિરુદ્ધ છે.

ફ્રેન્ચ ભૌતિકવિજ્ઞાની બર્નાર્ડ લેયૉન ફૂકો (1819–1868) અને જન્મે જર્મન પણ અમેરિકન નાગરિકત્વ ધરાવતા ભૌતિકવિજ્ઞાની માઇકલસને (1852–1931) પ્રકાશનો વેગ નક્કી કરવા શ્રેણીબદ્ધ પ્રયોગો કર્યા. તેમને પ્રાયોગિક રીતે જાણવા મળ્યું કે પ્રકાશનો વેગ ઘટ્ટ માધ્યમમાં ઓછો અને પાતળા માધ્યમમાં વધુ હોય છે. આ રીતે સૈદ્ધાંતિક અને પ્રાયોગિક પરિણામો એકબીજાંથી વિરુદ્ધ જોવા મળે છે એટલે કે વક્રીભવનની ઘટના સમજાવવા માટે ન્યૂટનનો કણવાદ અસમર્થ પુરવાર થાય છે.

ટૉમસ યંગ (1773–1829) નામના બ્રિટિશ ભૌતિકવિજ્ઞાનીએ 1801માં વ્યતિકરણની ઘટના શોધી કાઢી. સમાન આવૃત્તિ અને સમય સાથે કલાનો તફાવત (phase difference) અફર રહેતો હોય તેવા બે તરંગો કોઈ એક બિંદુ ઉપર એકસાથે સંપાત થતાં તે બિંદુ આગળ ઉદભવતી ભૌતિક અસરને વ્યતિકરણ કહે છે. તે બિંદુ આગળ બે તરંગો વચ્ચે પથ-તફાવત nλ જેટલો હોય તો સહાયક અને (2n + 1) λ/2 જેટલો હોય તો વિનાશક વ્યતિકરણ મળે છે, જ્યાં λ પ્રકાશની તરંગલંબાઈ અને n પ્રાકૃતિક પૂર્ણગુણાંક છે. સહાયક વ્યતિકરણ થતાં તે જગ્યાએ પ્રકાશિત અને વિનાશક વ્યતિકરણ થતાં તે જગ્યાએ અપ્રકાશિત પટ્ટા મળે છે.

યંગે પ્રાયોગિક રીતે પુરવાર કર્યું કે અમુક સંજોગોમાં [પથ-તફાવત (2n + 1) λ/2 થાય ત્યારે] પ્રકાશ ઉપર પ્રકાશ આપાત કરતાં અંધકાર પેદા થાય છે. આવી ઘટના ન્યૂટનના કણવાદ મુજબ સમજાવી શકાતી નથી; કારણ કે તેમાં પ્રકાશને દ્રવ્યમય કણ તરીકે ગણવામાં આવે છે અને બે કે વધુ કણો એકબીજાના સંપર્કમાં આવતાં એકબીજાનો નાશ કરતા નથી.

ન્યૂટને એકસાથે થતાં પરાવર્તન અને વક્રીભવનની ઘટના સમજાવવાનો પ્રયત્ન કર્યો હતો. તે માટે તેણે ધારી લીધું હતું કે પ્રકાશના કણને તરંગ (લહેર) હોય છે. કણના કેટલાક તરંગ પરાવર્તન માટે અનુકૂળ, તો બીજા કેટલાક પારગમન (transmission) માટે અનુકૂળ હોય છે. વ્યતિકરણ, વિવર્તન અને ધ્રુવીભવનની સમજૂતી આપવાનો પ્રયત્ન એટલા માટે કરવામાં આવ્યો ન હતો કે આ ઘટનાઓની તે સમયે બિલકુલ જાણકારી ન હતી. સપાટીને લંબ રૂપે આકર્ષણ અને અપાકર્ષણબળના ઉદગમની સમજૂતી કણવાદ વડે મળતી નથી. કોઈ પણ સિદ્ધાંત જ્યારે પ્રાયોગિક પરિણામોને બરાબર સમજાવવા સમર્થ હોય છે ત્યારે જ તે સંપૂર્ણતાની કસોટીમાંથી પાર ઊતરે છે.

સત્તરમી સદીના મધ્યે જ્યારે પ્રકાશનો કણવાદ પ્રવર્તમાન હતો તે સમયે પ્રકાશનો તરંગવાદ ક્રમશ: ક્ષિતિજ ઉપર આવી રહ્યો હતો. 1679માં ડચ ભૌતિકવિજ્ઞાની ક્રિશ્ચિયન હાઇગન્ઝે (Christiaan Huygens) (1629–1695) પ્રકાશના તરંગવાદની દરખાસ્ત કરી. તેમાં સૌપ્રથમ કલ્પના કરવામાં આવી કે અવકાશમાં ઈથર નામનું માધ્યમ સાર્વત્રિક રીતે પ્રસરેલું છે. આવા માધ્યમમાં પ્રકાશિત વસ્તુ વિક્ષોભ(disturbance)નું ઉદગમસ્થાન બની રહે છે. પ્રકાશના ઉદગમસ્થાનમાંથી વિક્ષોભ તરંગ સ્વરૂપે બધી જ દિશામાં એકસરખી રીતે પ્રસરે છે. આ દરમ્યાન ઊર્જા બધી દિશામાં એકસરખી રીતે વહેંચાઈ જાય છે. ઊર્જાનું વહન કરતા તરંગો જ્યારે આંખના ર્દષ્ટિપટલ ઉપર આપાત થાય છે ત્યારે પ્રકાશીય ચેતાતંતુઓ (optical nerves) ઉત્તેજિત થાય છે. પરિણામે ર્દશ્યની સંવેદના પેદા થાય છે. કાલ્પનિક માધ્યમમાં વિક્ષોભ જેમ આગળ વધે છે તેમ તેમાં કંપનો પેદા થાય છે. આ કંપનો ઘન અને પ્રવાહી માધ્યમમાં પેદા થતાં કંપનો જેવાં જ હોય છે. આવા માધ્યમમાં થઈને પસાર થતા તરંગો યાંત્રિક હોય છે. કાલ્પનિક ઈથર-માધ્યમ સ્થિતિસ્થાપક તરંગોને પસાર થવા દેવાનો ગુણધર્મ ધરાવે છે. આ તરંગોનો આપણે પ્રકાશ તરીકે અનુભવ કરીએ છીએ. હાઇગન્ઝે આ તરંગોને અનુદૈર્ઘ્ય (longitudinal) ધારી લીધા હતા, એટલે કે આવા તરંગોમાં કંપનો તરંગની પ્રસરણ-દિશાને સમાન્તર હોય છે.

ઊર્જા તરંગ સ્વરૂપે પ્રસરે છે  એમ સ્વીકારી લેતા હાઇગન્ઝને પરાવર્તન અને વક્રીભવનની ઘટનાઓ સમજાવવામાં સફળતા મળી. ઉપરાંત ક્વાર્ટ્ઝ અથવા કૅલ્સાઇટ જેવા સ્ફટિકમાં જોવા મળતી દ્વિવક્રીભવનની ઘટના પણ સમજાવી શકાઈ, પણ ધ્રુવીભવનની ઘટના સમજાવી શકાઈ નહિ. પ્રસરણ-દિશા(અક્ષ)ની આસપાસ સંગત તરંગોની અસમમિતીય (unsymmetrical) વર્તણૂક પણ ગળે ઊતરે તેમ નથી. કણવાદ વડે સફળતાપૂર્વક સમજાવી શકાતી પ્રકાશની સુરેખ ગતિ (પ્રસરણ) તરંગવાદ વડે સમજાવી શકાતી નથી. ફ્રેન્ચ ભૌતિક વિજ્ઞાની ફ્રેનલ (1788–1827) અને યંગે સૂચવ્યું કે પ્રકાશના તરંગો લંબગત (transverse) છે અને નહિ કે સંગત. ત્યારે ઉપરની ઘટના સાર્થક બની. લંબગત તરંગોમાં ઈથરના કણો તરંગના પ્રસરણની દિશાને લંબ રૂપે કંપન કરતા હોય છે.

પ્રકાશના કણવાદ અને તરંગવાદ પરત્વે અઢારમી સદીના અંત સુધી વાદ-વિવાદ ચાલતા રહ્યા. એક સમયે અમુક ઘટનાઓ પ્રત્યે તરંગવાદનો તો બીજા સમયે બીજી ઘટનાઓ પ્રત્યે કણવાદનો પ્રભાવ રહેતો હતો.

સ્કૉટલૅન્ડના ભૌતિકવિજ્ઞાની જેમ્સ ક્લાર્ક મૅક્સવેલે (1831–1879) પ્રકાશ માટે વિદ્યુત-ચુંબકીય તરંગોનો સિદ્ધાંત આપ્યો. આ સાથે તેણે સમીકરણો દ્વારા વિદ્યુત, ચુંબકત્વ અને પ્રકાશને સૂત્રબદ્ધ કર્યાં. આ સિદ્ધાંત મુજબ વિદ્યુતચુંબકીય તરંગો એકબીજાને કાટખૂણે હોય તેવા વિદ્યુત અને ચુંબકીય ઘટકો (અથવા સદિશો) ધરાવે છે. આ બંને ઘટકો તરંગની પ્રસરણ-દિશાને લંબ રૂપે હોય છે. તરંગના પ્રસરણ દરમ્યાન કોઈ પણ સમયે અને કોઈ પણ બિંદુ આગળ વિદ્યુત અને ચુંબકીય સદિશોમાં એકસરખા ફેરફાર થાય છે. આવા વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોનો શૂન્યાવકાશ(અથવા હવા)માં વેગ આશરે 3 x 10⁸ મીટર/સેકન્ડ જેટલો હોય છે. પ્રકાશ આ વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોનો એક ભાગ છે; એટલે કે પ્રકાશ વિદ્યુતચુંબકીય તરંગો છે. મૅક્સવેલનો વિદ્યુતચુંબકીય સિદ્ધાંત હાઇગન્ઝના તરંગવાદને સબળ ટેકો આપે છે. વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણ આવૃત્તિ અથવા તરંગલંબાઈ આધારિત વર્ણપટ રચે છે. (જુઓ – આકૃતિ 1).

જેમ જેમ સાધનો-સુવિધાઓ ઉપલબ્ધ થતાં ગયાં તેમ તેમ પરાવર્તન, વક્રીભવન, વ્યતિકરણ, વિવર્તન અને ધ્રુવીભવન ઉપરાંત કાળા પદાર્થનું વિકિરણ, ફોટો-ઇલેક્ટ્રિક ઘટના અને કૉમ્પ્ટન ઘટનાઓની સૈદ્ધાંતિક અને પ્રાયોગિક જાણકારી મળવા લાગી. આ ઘટનાઓ સમજાવવા માટે ન્યૂટનનું યંત્રશાસ્ત્ર અથવા પ્રશિષ્ટ ભૌતિકવિજ્ઞાન અને મૅક્સવેલનો તરંગવાદ અસમર્થ પુરવાર થયાં. કાળા પદાર્થના વિકિરણ માટે મળતા ઊર્જા-વિતરણનો આલેખ સમજાવવા માટે સ્વીકારી લેવામાં આવ્યું હતું કે દોલકની ઊર્જા kT વડે મળે છે. અહીં k બોલ્ટ્ઝમાનનો અચળાંક અને T નિરપેક્ષ તાપમાન છે. આ ઘટના સમજાવવાની અસમર્થતાને પારજાંબલી-આપત્તિ (ultraviolet catastrophe) કહે છે.

જર્મન ભૌતિક-વિજ્ઞાની કાર્લ અર્ન્સ્ટ મૅક્સ પ્લાંકે (1858–1947) આ આપત્તિમાંથી માર્ગ શોધી કાઢ્યો. તેણે 1900માં ક્વૉન્ટ્મ સિદ્ધાંત પ્રતિપાદિત કર્યો. આ સિદ્ધાંત મુજબ કાળો પદાર્થ અથવા દોલક વડે અર્દશ્ય ઊર્જાનું ઉત્સર્જન કે શોષણ, પ્રશિષ્ટવાદ મુજબ, સળંગ (continuous) થતું નથી; પણ ઊર્જાના નિયત જથ્થાઓ રૂપે થાય છે. ઉત્સર્જન કે શોષણ પામતા ઊર્જાના આ જથ્થાને ‘ક્વૉન્ટમ’ કહે છે. આ ક્વૉન્ટમની ઊર્જા વિકિરણની આવૃત્તિના સમપ્રમાણમાં હોય છે એટલે કે E α υ થતાં E = nhυ થાય છે; જ્યાં h પ્લાંકનો અચળાંક છે અને તેનું મૂલ્ય 6.6 x 10^–34 જૂલ-સેકન્ડ જેટલું હોય છે. υ વિકિરણની આવૃત્તિ અને n પ્રાકૃતિક પૂર્ણાંક સંખ્યા છે. પ્લાંકના સિદ્ધાંત પ્રમાણે દોલકની ઊર્જામાં થતો ફેરફાર hυ, 2hυ, 3hυ … હોય છે; એટલે કે ઊર્જાનાં પૃથક્ (discrete) મૂલ્યો જ મળે છે. ઊર્જાનું ઉત્સર્જન કે શોષણ hυના અપૂર્ણાંકમાં કદાપિ થતું નથી. hυને ઊર્જાનો ક્વૉન્ટમ અથવા ફોટૉન કહે છે. આ છે ક્વૉન્ટમવાદ.

જન્મે જર્મન પણ અમેરિકન નાગરિક આલ્બર્ટ આઇન્સ્ટાઇને (1879–1955) ફોટો-ઇલેક્ટ્રિક ઘટનાની સફળ સમજૂતી 1905માં ક્વૉન્ટમવાદને આધારે આપી. આ સમજૂતીમાં વિકિરણનું ઉત્સર્જન, પ્રસરણ અને શોષણ ક્વૉન્ટમ (ફોટૉન) સ્વરૂપે થતું સ્વીકારી લીધું છે. આ રીતે ક્વૉન્ટમવાદને આધારે ઘન પદાર્થોની વિશિષ્ટ ઉષ્મા (specific heat), વર્ણપટની સંરચના, કૉમ્પ્ટન અને સ્ટાર્ક ઘટનાઓ સફળતાપૂર્વક સમજાવી શકાઈ. આ બધામાંથી ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકીનો વિકાસ થયો. આ રીતે ક્વૉન્ટમવાદ પ્રકાશના કણવાદની વિભાવનાને ટેકો આપે છે. એટલે કે પ્રકાશ અમુક ઘટનાઓમાં તરંગ સ્વરૂપે જ્યારે બીજી કેટલીક ઘટનાઓમાં કણ સ્વરૂપે વર્તે છે. આને પ્રકાશ અથવા વિકિરણનો દ્વૈતવાદ કહે છે.

આ થઈ પ્રકાશશાસ્ત્રની સૈદ્ધાંતિક વિકાસગાથા. વ્યવહારમાં પ્રકાશશાસ્ત્રનો સારો એવો ઉપયોગ જોવા મળે છે. કેટલાંક ઉપકરણો, જેવાં કે બાઇનૉક્યુલર, કૅમેરા, વિવર્ધકો, સૂક્ષ્મદર્શક, પ્રોજેક્ટર, દૂરબીન વગેરે પ્રકાશશાસ્ત્રના સિદ્ધાંતો પર કાર્ય કરે છે. આ બધાંમાં ર્દક્કાચ (lens) અને અરીસા (mirror) જેવી પ્રકાશીય પ્રયુક્તિઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ પ્રયુક્તિઓ પ્રકાશનું સંચારણ (transmission) અને નિયંત્રણ કરે છે. પ્રકાશમાપક (light-meter) વડે પ્રકાશનાં પરખ અને માપન કરવામાં આવે છે.

કેટલીક ઘટનાઓ પ્રકાશીય ભ્રમ (optical illusion) પેદા કરે તેવી હોય છે. આકૃતિ 1માં આવો ભ્રમ સ્પષ્ટ થાય છે. આ આકૃતિમાં રેખા AB અને રેખા BCની લંબાઈ બિલકુલ સરખી છે; તે છતાં બીજી રેખાઓથી બનતા ખૂણાઓને લીધે BC રેખા વધુ લાંબી દેખાય છે. રેલવેના પાટા હકીકતમાં તો સમાન્તર હોવા છતાં દૂર દૂર નજર નાખતાં મળતા હોય તેવો ભ્રમ થાય છે.

વિજ્ઞાનીઓએ પ્રકાશશાસ્ત્રના સિદ્ધાંતના અનેકવિધ ઉપયોગો કર્યા છે. પરિણામે ઘણાંબધાં ક્ષેત્રે માણસની સેવા થઈ શકી છે. વળ ચઢાવેલા તારમાં થઈને પ્રકાશનું સંચારણ કરવામાં અને વક્ર પથ પર પણ પ્રકાશને મોકલવામાં વિજ્ઞાનીઓને સફળતા મળી છે. આ રીતે પાતળા તાંતણા જેવા તારમાં થઈને પ્રકાશને પસાર કરી શકાય છે. આવા પાતળા તંતુને પ્રકાશીય તંતુ (optical fibre) કહે છે. આવો તંતુ આકૃતિ 3માં દર્શાવ્યો છે. તંતુ-પ્રકાશ ટેલિફોનમાં કેબલ તરીકે તેનો ઉપયોગ થાય છે. આવો પ્રકાશીય તંતુ તાંબાના તાર કરતાં હજારો ગણી વધારે માહિતીઓનું વહન કરે છે.

તંતુ-પ્રકાશિકી(fibre optics)માં પારદર્શક કાચ અથવા પ્લાસ્ટિકના તંતુ-ગુચ્છ(strands)નો ઉપયોગ થાય છે. આવા પ્રકાશીય તંતુઓમાં થઈને પ્રકાશનું સંચારણ કરવામાં આવે છે. આ તંતુઓ માથાના વાળ કરતાં પણ વધારે સૂક્ષ્મ હોય છે. આવા તંતુઓ પ્રકાશને આશરે 160 કિલોમીટર અંતર સુધી લઈ જઈ શકે છે. પ્રકાશીય તંતુ તરીકે કાર્ય કરવા માટે પારદર્શક કાચ અથવા પ્લાસ્ટિક ઉપર સમપટ્ટન (cladding) કરવામાં આવે છે, એટલે કે ચળકતી ધાતુ જેવા બીજા પદાર્થને તેના પર ચોંટાડવામાં આવે છે. વિદ્યુત-ગોળા અથવા લેસર જેવા પ્રકાશના સ્રોતમાંથી પ્રકાશને તંતુના એક છેડેથી દાખલ કરવામાં આવે છે અને ગુણક પરાવર્તનો(multiple reflections)ને કારણે દૂર દૂર સુધી મોકલી શકાય છે. તંતુના અંતર્ભાગ (core) ઉપર થઈને પ્રકાશ પસાર થતાં તે સમપટ્ટન અંદરની બાજુ વડે પરાવર્તન પામે છે. આમ, પ્રકાશ અનેક વખત પરાવર્તન પામ્યા બાદ પ્રકાશતંતુને બીજે છેડે આવેલ આંખ જેવા એક પ્રકારના સંવેદનશીલ સંસૂચક (detector) ઉપર પહોંચે છે.

પ્રકાશીય તંતુઓનો ભિન્ન ભિન્ન રીતે ઉપયોગ થાય છે. તબીબી ક્ષેત્રે તંતુ-પ્રકાશિકીને ભારે સફળતા મળી છે. અતિ પાતળા તંતુઓના ગુચ્છને રુધિરવાહિની, ફેફસાં અને શરીરના અન્ય ભાગોમાં દાખલ કરી જે તે અવયવનો સવિસ્તર અભ્યાસ કરી શકાય છે.

સંદેશાવ્યવહારમાં પ્રકાશીય તંતુઓનો ઉપયોગ નોંધપાત્ર છે. ટેલિફોન અને ટેલિવિઝન જેવી પ્રણાલીઓમાં તેનો વ્યાપક રીતે ઉપયોગ થઈ રહ્યો છે. તાંબાના તાર પર આધારિત સંદેશાવ્યવહાર-પદ્ધતિ કરતાં પ્રકાશીય તંતુ પર આધારિત પ્રણાલી અનેકગણી વધારે ચઢિયાતી છે. પ્રકાશીય તંતુમાં સંકેતો (signals) મોકલવા લેસર-કિરણાવલીનો ઉપયોગ હિતાવહ છે. આવી લેસર-કિરણાવલી અસંખ્ય માહિતીઓનું વહન કરવા સક્ષમ છે. માહિતીઓને સંકેતો દ્વારા મોકલતી વખતે તેમને વિદ્યુત અવરોધ (interference) નડતો નથી. આવા સંકેતોનું વિવર્ધન ઓછું કરવું પડે છે. આ રીતે તાંબાના તાર કરતાં પ્રકાશીય તંતુઓ હજારોગણી વધારે સારી કામગીરી બજાવે છે.

લેસર પ્રકાશનો શક્તિશાળી સ્રોત છે. તંતુ-પ્રકાશિકીમાં તેનો ઉપયોગ વ્યાપક રીતે થાય છે. લેસર-કિરણો માટે પ્રકાશનાં સુસંબદ્ધ (coherent) ઉદગમસ્થાનોનો ઉપયોગ થાય છે. પ્રકાશનાં જે બે ઉદગમસ્થાનોમાંથી નીકળતા તરંગોની લંબાઈ સમાન હોય અને કોઈ પણ ક્ષણે કલાનો તફાવત (phase difference) અફર રહે તેવાં ઉદગમસ્થાનોને સુસંબદ્ધ કહે છે. કલાનો તફાવત બદલાતો હોય તો તેવા ઉદગમોને અસુસંબદ્ધ ઉદગમસ્થાનો કહે છે (જુઓ આકૃતિ 4).

લેસર-કિરણાવલી માટે વિદ્યુત-ચુંબકીય તરંગોને વિકિરણના ફોટૉનકણ તરીકે સ્વીકારવામાં આવે છે. લેસર-કિરણાવલીના બધા જ ફોટૉનની ઊર્જા એકસરખી હોય છે. ઉપરાંત, આ બધા ફોટૉન એક જ સમયે ઉત્સર્જન પામતા હોઈ તેમની કલા એકસરખી હોય છે. બધા ફોટૉન તાલમાં (in step) હોઈ તે પ્રકાશની પ્રબળ કિરણાવલી આપે છે. આથી કહેવાય છે કે લેસર એવી પ્રયુક્તિ છે, જે પ્રકાશનું વિવર્ધન (amplification) કરે છે. લેસર-કિરણો એટલાં બધાં પ્રબળ હોય છે કે ધાતુને કાપી શકે છે તથા હીરામાં કે તેવા કોઈ કઠણ પદાર્થમાં છિદ્રો પાડી શકે છે.

સામાન્ય પ્રકાશનાં કિરણો અને લેસર-કિરણો વચ્ચે પાયાના તફાવત છે : (1) વિદ્યુત કે પ્રસ્ફુરક ગોળા જેવા સ્રોતમાંથી નીકળતો સામાન્ય પ્રકાશ બધી દિશામાં પ્રસરે છે; જ્યારે લેસરનો પ્રકાશ ચુસ્ત રીતે એક જ દિશામાં ગતિ કરે છે. લેસરનો પ્રકાશ સાંકડી કિરણાવલી રૂપે આગળ ધપે છે. 1.3 સેન્ટિમીટર પહોળાઈની લેસર-કિરણાવલી 1 કિમી. અંતર કાપ્યા બાદ પ્રસરીને માત્ર 4.5 સેન્ટિમીટર જેટલી થાય છે. (2) સામાન્ય સ્રોતમાંથી નીકળતો પ્રકાશ અનેકવિધ આવૃત્તિઓ ધરાવે છે, જ્યારે લેસરનો પ્રકાશ એક અથવા થોડીક જ વધારે (બે કે ત્રણ) આવૃત્તિઓ ધરાવે છે. લેસર-પ્રકાશ ઘણી ઓછી આવૃત્તિઓ ધરાવતો હોઈ તેનો વિદ્યુતચુંબકીય વર્ણપટ સાંકડો હોય છે. તેનો વર્ણપટ ખાસ તો ર્દશ્ય (visible) વિભાગમાં જ જોવા મળે છે. આવા વર્ણપટનો થોડોક જ ભાગ પારજાંબલી અને અધોરક્ત જેવા અર્દશ્ય વિભાગમાં રહેલો હોય છે. (3) સામાન્ય પ્રકાશ અસુસંબદ્ધ હોય છે, જ્યારે લેસરનો પ્રકાશ સુસંબદ્ધ હોય છે.

લેસરના મુખ્ય બે ભાગ છે : (1)  શક્તિ પૂરી પાડનાર સ્રોત અને (2) પ્રકાશનું વિવર્ધન કરનાર પદાર્થ. પ્રકાશનું વિવર્ધન કરનાર પદાર્થ ઉપર આધારિત ત્રણ પ્રકારનાં લેસર હોય છે : (1) ઘન લેસર, (2) વાયુ લેસર અને (3) પ્રવાહી લેસર.

ઘન લેસરમાં સ્ફટિક, કાચ અથવા અર્ધવાહકનો પ્રકાશ-વિવર્ધક પદાર્થ તરીકે ઉપયોગ થાય છે. સ્ફટિક-લેસરમાં માણેક (ruby) જેવા પ્રસ્ફુરક સ્ફટિકનો પ્રકાશવિવર્ધક તરીકે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ રીતે સૌપ્રથમ રૂબી લેસરની શોધ થઈ. રૂબી લેસરમાં સ્ફટિકની આસપાસ સ્ફુર (flash) નળીને વીંટાળવામાં આવે છે અને તે શક્તિ પૂરી પાડે છે. સ્ફુરનળી રૂબીના ક્રોમિયમ આયનો ઉપર જોરદાર પ્રકાશ ફેંકી તેમને ઉત્તેજિત કરે છે. આ પ્રક્રિયાને પ્રકાશીય પમ્પિંગ કહે છે. રૂબી લેસરનું આકૃતિ  5માં ચિત્રાંકન કર્યું છે. રૂબી નળીના એક છેડે અરીસો અને બીજા છેડે આંશિક રીતે રજતિત (partially silvered) અરીસો હોય છે. સ્ફુર-નળીને પ્રકાશિત કરવામાં આવતા રૂબીના પરમાણુઓ ઉત્તેજિત થઈ ઉચ્ચ ઊર્જા-અવસ્થામાં જાય છે. સ્ફુર-નળીને  બંધ કરતાં ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવસ્થા(ground state)માં પાછા આવે છે, ત્યારે પ્રકાશનું ઉત્સર્જન થાય છે. આવા પ્રકાશના તરંગોની લંબાઈ અને કલા સમાન હોય છે. તે બધા તરંગો યોગ્ય રીતે સંયોજાતાં પ્રબળ તીવ્રતાવાળી કિરણાવલી આપે છે.

વાયુ-લેસરમાં પ્રકાશવિવર્ધક પદાર્થ તરીકે હીલિયમ આયન, આર્ગન આયન અને કાર્બન ડાયૉક્સાઇડનો ઉપયોગ થાય છે. વાયુ-લેસરનો સંદેશાવ્યવહાર અને તબીબી ક્ષેત્રે વ્યાપક રીતે ઉપયોગ થાય છે.

પ્રવાહી-લેસરમાં પ્રકાશવિવર્ધક તરીકે રોડેમાઇન જેવા રંગદ્રવ્ય-(dye)નો ઉપયોગ થાય છે. વિજ્ઞાનીઓ આણ્વિક અને પારમાણ્વિક પ્રણાલીઓના અભ્યાસ માટે તેનો ઉપયોગ કરે છે.

લેસરના સુસંબદ્ધતાના ગુણધર્મને કારણે તેનો હોલોગ્રામ માટે ઉપયોગ થાય છે. હોલોગ્રામ એ ખાસ પ્રકારનો ત્રિ-પરિમાણી ફોટોગ્રાફ છે અને તે લેસર વડે ફોટોગ્રાફિક પ્લેટ અથવા ફિલ્મ ઉપર તૈયાર કરાય છે.

હરગોવિંદ બે.પટેલ