Was ist optische Technik?
Optische Technik ist die technische Disziplin, die sich auf das Design von Geräten und Vorrichtungen konzentriert, die mit Licht funktionieren. Es basiert auf der Wissenschaft der Optik, einem Gebiet der Physik, das die Eigenschaften und Verhaltensweisen des sichtbaren Lichts und seiner beiden nächsten Nachbarn im elektromagnetischen Spektrum, Infrarot und Ultraviolett, untersucht. Die Praxis der optischen Technik ist uralt, und die Verwendung von Spiegeln, geformten und polierten Kristallen oder Behältern mit klarem Wasser für Zwecke wie Vergrößerung oder Fokussierung des Sonnenlichts zum Auslösen von Bränden ist mehr als 2.000 Jahre alt. In der heutigen Zeit ist dieses Gebiet für eine Vielzahl von Technologien wichtig, einschließlich optischer Instrumente wie Mikroskope und Ferngläser, Laser und vieler häufig verwendeter elektronischer Geräte und Kommunikationsgeräte.
Einige praktische Anwendungen der Optik können unter Verwendung eines auf der klassischen Physik basierenden elektromagnetischen Strahlungsmodells durchgeführt werden. Dies liegt daran, dass die Vorhersagen der modernen Quantenmechanik nur auf atomarer oder subatomarer Ebene oder unter äußerst ungewöhnlichen Bedingungen wie nahezu absoluten Nulltemperaturen deutlich von der klassischen Mechanik abweichen. Viele moderne optische Technologien basieren darauf, wie einzelne Photonen mit Atomen und Partikeln interagieren, wobei die Vorhersagen der klassischen Mechanik keine nützliche Annäherung mehr an die Realität darstellen. Daher ist die Wissenschaft der Quantenoptik erforderlich, um diese Phänomene zu verstehen und zu beherrschen. Die Materialwissenschaft ist auch ein wichtiges Wissen für die Optik.
Das Design vieler Geräte, die Licht zum Betrachten oder Analysieren von Objekten verwenden, erfordert optische Technik. Zum Betrachten von Instrumenten wie Ferngläsern, Teleskopen und Mikroskopen werden Linsen und Spiegel zum Vergrößern von Bildern verwendet, während Korrekturlinsen für Brillen und Kontaktlinsen das einfallende Licht brechen, um Sehstörungen des Trägers auszugleichen. Ihre Entstehung erfordert daher ein beachtliches wissenschaftliches Wissen darüber, wie diese optischen Komponenten das einfallende Licht beeinflussen. Für ein erfolgreiches optisches Linsendesign muss bekannt sein, wie sich die Zusammensetzung, Struktur und Form einer Linse auf die Funktion eines optischen Geräts auswirkt und wie sich die Form und die Materialien einer Linse auf Faktoren wie Masse, Größe und Gewichtsverteilung des Geräts auswirken sowie seine Fähigkeit, unter verschiedenen Bedingungen zu arbeiten.
Der Entwurf von Geräten, die als Spektrometer bezeichnet werden, kann nicht ohne optische Technik erfolgen. Ein Spektrometer nutzt die Eigenschaften einfallender Photonen, um Informationen über die chemische Zusammensetzung oder andere Merkmale der Materie zu ermitteln, von der das Licht emittiert wurde oder mit der es interagiert hat. Spektrometer gibt es in einer Vielzahl unterschiedlicher Typen und sie sind für die moderne Wissenschaft und Industrie von enormer Bedeutung. Sie reichen von der Identifizierung der Zusammensetzung von Mineralien über die Qualitätskontrolle in der metallverarbeitenden Industrie bis zur Untersuchung der Bewegung anderer Galaxien.
Die optische Technik ist ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil der Glasfasertechnologie, die Informationen über Kabel mit Lichtimpulsen anstelle von Elektrizität überträgt. Optische Fasern sind flexible Materialien, die als Wellenleiter verwendet werden können, Materialien, die die Lichtrichtung leiten können. Sie leiten das Licht auf seinem Weg, indem sie das Phänomen der Totalreflexion ausnutzen, das das Licht durch den Kern der Faser leitet. Das Design von Lichtleitfasern erfordert das Verständnis, wie Licht gebrochen wird, wenn es sich durch verschiedene Medien bewegt, zusammen mit den Brechungsqualitäten verschiedener Materialien. Glasfasern sind aufgrund ihrer enormen Kapazität für moderne Kommunikationstechnologien wie Telefone, Hochgeschwindigkeitsinternet und Kabelfernsehen unverzichtbar.
Das Design von Lasern, die schmale Strahlen kohärenten Lichts erzeugen, beruht ebenfalls stark auf der optischen Technik. Laser arbeiten, indem sie ein Material, das als Verstärkungsmedium bezeichnet wird, energetisch anregen, bis es beginnt, Energie in Form von Photonen freizusetzen. Das Entwerfen eines Arbeitslasers erfordert das Wissen über die Quanteneigenschaften von Licht und über verschiedene Materialien, die als Verstärkungsmedien verwendet werden können, um Photonen mit den für die beabsichtigte Verwendung des Lasers erforderlichen Eigenschaften zu erzeugen und darüber, wie optische Geräte wie Linsen und Spiegel fokussieren können dieses Licht. Die Lasertechnologie ist im modernen Leben weit verbreitet. Es ist die Basis für optische Datenträgerformate wie CDs und DVDs, die Erkennungstechnologie LIDAR (Light Detection and Ranging) sowie für viele industrielle Anwendungen.