光工学とは？

光学工学は、光を使用して機能する機器やデバイスの設計に焦点を当てた工学分野です。 これは、可視光の特性と動作、および電磁スペクトル（赤外線と紫外線）の2つの最近傍の光学分野の科学に基づいています。 光学工学の慣習は古く、拡大、太陽光の集中などの目的での鏡、成形および研磨された結晶、または澄んだ水の容器の使用は2,000年以上前です。 現代では、この分野は、顕微鏡や双眼鏡などの光学機器、レーザー、一般的に使用される多くの電子機器や通信機器など、非常に幅広い技術にとって重要です。

光学のいくつかの実用的なアプリケーションは、古典的な物理学に基づいた電磁放射のモデルを使用して行うことができます。 これは、現代の量子力学の予測が、原子スケールまたは亜原子スケールでのみ、またはほぼ絶対零度のような非常に異常な条件下でのみ、古典力学から著しく異なるためです。 多くの現代の光学技術は、個々の光子が原子や粒子と相互作用する方法に基づいており、古典力学の予測は現実の有用な近似ではなくなるため、これらの現象を理解し習得するには量子光学の科学が必要です。 材料科学は、光学工学にとっても重要な知識です。

オブジェクトを表示または分析するために光を使用する多くのデバイスの設計には、光学工学が含まれます。 双眼鏡、望遠鏡、顕微鏡などの観察器具は、レンズとミラーを使用して画像を拡大しますが、眼鏡とコンタクトレンズの補正レンズは、入射光を屈折させて、着用者の視力の欠陥を補正します。 したがって、それらを作成するには、これらの光学部品が入射光にどのように影響するかについて、かなりの科学的知識が必要です。 光学レンズの設計を成功させるには、レンズの構成、構造、形状が光学デバイスの機能にどのように影響するか、レンズの形状と材料がデバイスの質量、サイズ、重量分布などの要因にどのように影響するかを理解する必要があります、およびさまざまな条件で動作する能力。

分光計と呼ばれるデバイスの設計は、光学工学なしでは行えません。 分光計は、入ってくる光子の特性を使用して、光が放出または相互作用した物質の化学組成またはその他の特性に関する情報を発見します。 分光計は多種多様な種類で存在し、鉱物の組成の特定から金属加工業界の品質管理、他の銀河の動きの研究に至るまでの用途において、現代の科学と産業にとって非常に重要です。

同様に、光工学は、電気ではなく光のパルスを使用してケーブルを介して情報を伝送する光ファイバー技術にとって不可欠です。 光ファイバは、光の方向を導くことができる導波管として使用できる柔軟な材料です。 全反射と呼ばれる現象を利用して、光が進むにつれて光を導きます。この現象は、光をファイバのコアに導き続けます。 光ファイバの設計では、光が異なる媒体を通過する際にどのように屈折するか、および異なる材料の屈折特性を理解する必要があります。 光ファイバーは、その膨大な容量のため、電話、高速インターネット、ケーブルテレビなどの現代の通信技術に不可欠です。

コヒーレント光の細いビームを生成するレーザーの設計も、光学工学に大きく依存しています。 レーザーは、光子の形でエネルギーを放出し始めるまで、ゲイン媒体と呼ばれる材料をエネルギー的に励起することによって機能します。 ワーキングレーザーの設計には、光の量子特性と、レーザーの使用目的に必要な品質の光子を生成するためのゲインメディアとして使用できるさまざまな材料の両方の知識と、レンズやミラーなどの光学機器の焦点合わせ方法が含まれますその光。 レーザー技術は現代生活で広く使用されています。 これは、CDやDVDなどの光ディスクメディアフォーマット、LIDAR（光検出および測距）検出技術、および多くの産業用アプリケーションの基盤です。