Che cos'è l'ingegneria ottica?
L'ingegneria ottica è la disciplina ingegneristica che si concentra sulla progettazione di apparecchiature e dispositivi che funzionano utilizzando la luce. Si basa sulla scienza dell'ottica, un campo della fisica che studia le proprietà e i comportamenti della luce visibile e dei suoi due vicini più vicini sullo spettro elettromagnetico, l'infrarosso e l'ultravioletto. La pratica dell'ingegneria ottica è antica e l'uso di specchi, cristalli sagomati e lucidati o contenitori di acqua limpida per scopi come l'ingrandimento o la messa a fuoco della luce solare per accendere fuochi ha più di 2000 anni. Nei tempi moderni, questo campo è importante per una vasta gamma di tecnologie, compresi strumenti ottici come microscopi e binocoli, laser e molti dispositivi elettronici e di comunicazione comunemente usati.
Alcune applicazioni pratiche dell'ottica possono essere fatte usando un modello di radiazione elettromagnetica basato sulla fisica classica. Questo perché le previsioni della moderna meccanica quantistica differiscono notevolmente dalla meccanica classica solo su scala atomica o subatomica o in condizioni estremamente insolite come temperature zero quasi assolute. Molte moderne tecnologie ottiche si basano sul modo in cui i singoli fotoni interagiscono con gli atomi e le particelle, in cui le previsioni della meccanica classica cessano di essere un'utile approssimazione della realtà, e quindi la scienza dell'ottica quantistica è necessaria per comprendere e padroneggiare questi fenomeni. La scienza dei materiali è anche una conoscenza importante dell'ingegneria ottica.
La progettazione di molti dispositivi che utilizzano la luce per visualizzare o analizzare oggetti comporta l'ingegneria ottica. Strumenti di visualizzazione come binocoli, telescopi e microscopi utilizzano lenti e specchi per ingrandire le immagini, mentre le lenti correttive per occhiali e lenti a contatto rifrangono la luce in entrata per compensare i difetti della visione di chi lo indossa. Pertanto, la loro creazione richiede una notevole conoscenza scientifica di come questi componenti ottici influenzeranno la luce in arrivo. La progettazione di obiettivi ottici di successo richiede la comprensione sia di come la composizione, la struttura e la forma di un obiettivo influenzeranno il funzionamento di un dispositivo ottico, sia di come la forma e i materiali di un obiettivo influenzeranno fattori come la massa, le dimensioni e la distribuzione del peso del dispositivo , nonché la sua capacità di operare in condizioni diverse.
La progettazione di dispositivi chiamati spettrometri non può essere eseguita senza ingegneria ottica. Uno spettrometro utilizza le proprietà dei fotoni in entrata per scoprire informazioni sulla composizione chimica o altri tratti della materia con cui la luce è stata emessa o con cui ha interagito. Gli spettrometri esistono in una vasta gamma di tipi diversi e sono estremamente importanti per la scienza e l'industria moderne, in applicazioni che vanno dall'identificazione della composizione dei minerali al controllo di qualità nell'industria metalmeccanica allo studio del movimento di altre galassie.
Anche l'ingegneria ottica è essenziale per la tecnologia a fibra ottica, che trasmette informazioni attraverso i cavi usando impulsi di luce anziché elettricità. Le fibre ottiche sono materiali flessibili che possono essere utilizzati come guide d'onda, materiali che possono guidare la direzione della luce. Guidano la luce mentre viaggia sfruttando un fenomeno chiamato riflessione interna totale, che mantiene la luce canalizzata lungo il nucleo della fibra. Il design delle fibre ottiche richiede una comprensione di come la luce viene rifratta mentre si muove attraverso diversi media, insieme alle qualità di rifrazione di diversi materiali. Le fibre ottiche sono essenziali per le moderne tecnologie di comunicazione, quali telefoni, Internet ad alta velocità e televisione via cavo, a causa della loro enorme capacità.
Il design dei laser, che producono fasci stretti di luce coerente, si basa fortemente sull'ingegneria ottica. I laser funzionano eccitando energicamente un materiale, chiamato mezzo di guadagno, fino a quando non inizia a rilasciare energia sotto forma di fotoni. La progettazione di un laser funzionante implica la conoscenza sia delle proprietà quantistiche della luce sia dei diversi materiali che possono essere utilizzati come mezzi di guadagno al fine di creare fotoni con le qualità necessarie per l'uso previsto del laser e di come possono focalizzare apparecchiature ottiche come lenti e specchi quella luce. La tecnologia laser è ampiamente utilizzata nella vita moderna. È la base per formati di supporti per dischi ottici come CD e DVD, la tecnologia di rilevamento LIDAR (rilevamento della luce e gamma) e in molte applicazioni industriali.