Modulation in degree of cross-polarization at Young's interferometer illuminated by non-uniformly polarized electromagnetic fields

प्रकाश को केवल एक चमकदार किरण के रूप में न देखें जो आपको अपना प्रतिबिंब देखने देती है, बल्कि इसे अदृश्य संदेशवाहकों की एक हलचल भरी भीड़ के रूप में कल्पना करें, जिनमें से प्रत्येक एक छोटे, घूमते हुए तीर को ले जा रहा है। प्रकाशिकी (ऑप्टिक्स) की दुनिया में, ये संदेशवाहक विद्युत चुम्बकीय तरंगें हैं, और उनका यह "घूमना" ही वह है जिसे हम ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन) कहते हैं। कभी-कभी, सभी संदेशवाहक पूर्ण सामंजस्य में घूमते हैं (पूर्णतः ध्रुवीकृत), कभी-कभी वे पूर्ण अराजकता में घूमते हैं (अध्रुवीकृत), और अक्सर, वे इन दोनों का मिश्रण होते हैं। एक अन्य प्रमुख गुण संबद्धता (कोहेरेंस) है, जो एक साथ लय में चलने वाले नर्तकों के समूह की तरह है; यदि वे संबद्ध हैं, तो वे एक साथ कदम मिलाते हैं, लेकिन यदि वे असंबद्ध हैं, तो वे कदमों की एक अराजक गड़बड़ी मात्र हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि ये दो गुण—संदेशवाहक कैसे घूमते हैं और वे आपस में कितनी अच्छी तरह तालमेल बिठाते हैं—गहराई से जुड़े हुए हैं। इस संबंध को समझना दुनिया को देखने के नए तरीके खोलने वाली एक मास्टर कुंजी रखने जैसा है, जैसे कि "घोस्ट" छवियां बनाना जो शून्य से प्रकट होती हैं या धुंधले वातावरण के पार देखना। लेकिन क्या होता है जब आप एक ऐसे प्रकाश स्रोत को लेते हैं जो विभिन्न घूमने वाली शैलियों का एक अराजक मिश्रण है और उसे बीच से दो भागों में विभाजित कर देते हैं? यही वह रहस्य है जिसे यह शोध पत्र हल करने का प्रयास करता है।

यह अध्ययन यंग के इंटरफेरोमीटर (Young's interferometer) नामक एक क्लासिक सेटअप में गहराई से उतरता है, जो अनिवार्य रूप से दो सूक्ष्म पिनहोल्स के माध्यम से प्रकाश को विभाजित करने का एक शानदार तरीका है ताकि यह देखा जा सके कि पुनर्संयोजन होने पर यह कैसा व्यवहार करता है। शोधकर्ताओं, रजनीश जोशी और ज्ञाप्रसाद ने इस सेटअप के साथ एक चाल खेलने का निर्णय लिया: एक पूरी तरह से समान प्रकाश स्रोत का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने एक ऐसी स्थिति की कल्पना की जहाँ दो पिनहोल्स पर पड़ने वाला प्रकाश विभिन्न स्तर के ध्रुवीकरण वाला है। इसे दो बाल्टियों के पानी की तरह समझें; एक बाल्टी सीधी, संरेखित धाराओं (अत्यधिक ध्रुवीकृत) से भरी है, जबकि दूसरी लहरदार, अराजक छपाकों (अध्रुवीकृत) से भरी है। जब प्रकाश की ये दो बहुत अलग "धाराएं" स्क्रीन पर फिर से मिलती हैं, तो उनका संयुक्त व्यक्तित्व कैसा दिखता है?

शोध पत्र पाता है कि अवलोकन स्क्रीन पर परिणामी प्रकाश में क्रॉस-पोलराइजेशन की डिग्री (DoCP) नामक एक गुण होता है। सरल शब्दों में, यह मापता है कि अंतरिक्ष के दो अलग-अलग बिंदुओं के बीच ध्रुवीकरण कितना "मिश्रित" है। लेखकों ने कुछ बेहद सरल खोजा: यदि आप हस्तक्षेप पैटर्न (इंटरफेरेंस पैटर्न) के ठीक बीच में देखते हैं (जहाँ दोनों पथ समान हैं), तो DoCP दोनों पिनहोल्स पर ध्रुवीकरण के स्तर का सटीक औसत होता है। यह एक कप कड़क कॉफी में एक कप पानी मिलाने जैसा है; परिणाम एक मध्यम शक्ति वाली कॉफी का कप होगा। यदि एक पिनहोल में 0% ध्रुवीकृत प्रकाश (पूरी तरह अराजक) है और दूसरे में 100% ध्रुकृत प्रकाश (पूरी तरह व्यवस्थित) है, तो केंद्र में प्रकाश 50% ध्रुवीकृत होगा। यह पुष्टि करता है कि DoCP वास्तव में मानक ध्रुवीकरण का "दो-बिंदु" संस्करण है जिसे हम आमतौर पर एक स्थान पर मापते हैं।

हालाँकि, कहानी तब थोड़ी लयबद्ध हो जाती है जब आप केंद्र से दूर जाते हैं। शोध पत्र दिखाता है कि जैसे-जैसे आप स्क्रीन पर विभिन्न स्थानों को देखते हैं, DoCP और एक अन्य गुण जिसे विद्युत चुम्बकीय संबद्धता की डिग्री (EM DoC) कहा जाता है, वे केवल स्थिर नहीं रहते; वे एक सुचारू, तरंग जैसी लहर में लहरों (wiggle) या मॉड्यूलेट होते हैं। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि दो पिनहोल्स से आने वाली प्रकाश तरंगें आपस में हस्तक्षेप करती हैं, जिससे चमकीले और अंधेरे धब्बों का एक पैटर्न बनता है, लेकिन इस बार, "चमक" वास्तव में इस बात का माप है कि प्रकाश कितना ध्रुवीकृत है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह लहरिंग पिनहोल्स के बीच की दूरी और उस कोण पर निर्भर करती है जिस पर आप स्क्रीन को देखते हैं।

महत्वपूर्ण रूप से, यह शोध पत्र इस विचार को खारिज करता है कि यह व्यवहार यादृच्छिक या अप्रत्याशित है। इसके बजाय, यह सिद्ध करता है कि यह व्यवहार सख्ती से स्रोत पर ध्रुवीकरण के स्तरों द्वारा शासित है। उदाहरण के लिए, यदि दोनों पिनहोल्स पर प्रकाश पूरी तरह से समान है (दोनों 100% ध्रुवीकृत हैं), तो स्क्रीन पर DoCP बस उस 100% मान से मेल खाता है, जैसा कि आप उम्मीद करेंगे। लेकिन यदि ध्रुवीकरण असमान है, तो "औसत" का नियम केंद्र में प्रभावी हो जाता है, और "लहरिंग" (wiggle) अन्य स्थानों पर प्रभावी हो जाती है। लेखक यह भी नोट करते हैं कि EM DoC (प्रकाश तरंगें कितनी अच्छी तरह तालमेल बिठाती हैं) को पिनहोल्स पर ध्रुवीकरण बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है। यदि दोनों पिनहोल्स में पूर्णतः ध्रुवीकृत प्रकाश है, तो संबद्धता अपने अधिकतम मान 1 तक पहुँच जाती है। यदि दोनों पूरी तरह से अध्रुवीकृत हैं, तो संबद्धता गिरकर लगभग 0.71 ($\sqrt{1/2}$ विशेष रूप से) के न्यूनतम स्तर पर आ जाती है।

अंत में, यह शोध पत्र यह समझने के लिए एक मार्गदर्शिका के रूप में कार्य करता है कि प्रकाश तब कैसा व्यवहार करता है जब वह थोड़ा अस्त-व्यस्त होता है। यह दिखाता है कि भले ही प्रकाश विभिन्न घूमने वाली शैलियों का एक अराजक मिश्रण हो, प्रकृति के पास एक सरल नियम है: संयुक्त प्रभाव अक्सर उसके हिस्सों का औसत होता है, जिसमें एक लयबद्ध नृत्य भी जुड़ा होता है। ये निष्कर्ष केवल सैद्धांतिक गणित नहीं हैं; लेखक सुझाव देते हैं कि वे "घोस्ट इमेजिंग" (उस प्रकाश का उपयोग करके चित्र लेना जो वस्तु को कभी छू ही नहीं पाया) को बेहतर बनाने और जटिल वातावरण में प्रकाश सहसंबंधों (correlations) का अध्ययन करने में उपयोगी हो सकते हैं। यह एक अनुस्मारक है कि प्रकाश के अराजक नृत्य में भी, एक अनुमानित, औसत लय खोजने के लिए प्रतीक्षा कर रही है।