Co to jest inżynieria optyczna?
Inżynieria optyczna to dziedzina inżynierii, która koncentruje się na projektowaniu sprzętu i urządzeń, które działają za pomocą światła. Opiera się na nauce optyki, dziedzinie fizyki, która bada właściwości i zachowania światła widzialnego i jego dwóch najbliższych sąsiadów w zakresie widma elektromagnetycznego, podczerwieni i ultrafioletu. Praktyka inżynierii optycznej jest starożytna, a użycie zwierciadeł, ukształtowanych i wypolerowanych kryształów lub pojemników z czystą wodą do celów takich jak powiększenie lub skupienie światła słonecznego w celu rozpoczęcia pożarów ma ponad 2000 lat. W dzisiejszych czasach dziedzina ta jest ważna dla bardzo szerokiej gamy technologii, w tym instrumentów optycznych, takich jak mikroskopy i lornetki, lasery oraz wiele powszechnie używanych urządzeń elektronicznych i komunikacyjnych.
Niektóre praktyczne zastosowania optyki można wykonać za pomocą modelu promieniowania elektromagnetycznego opartego na fizyce klasycznej. Wynika to z tego, że przewidywania współczesnej mechaniki kwantowej zauważalnie odbiegają od mechaniki klasycznej tylko w skali atomowej lub subatomowej lub w niezwykle nietypowych warunkach, takich jak temperatury prawie absolutne zero. Wiele współczesnych technologii optycznych opiera się na tym, jak pojedyncze fotony oddziałują z atomami i cząsteczkami, gdzie przewidywania mechaniki klasycznej przestają być przydatnym przybliżeniem rzeczywistości, a zatem nauka optyki kwantowej jest niezbędna do zrozumienia i opanowania tych zjawisk. Inżynieria materiałowa jest również ważną wiedzą dla inżynierii optycznej.
Projektowanie wielu urządzeń wykorzystujących światło do oglądania lub analizy obiektów wymaga inżynierii optycznej. Przyrządy do oglądania, takie jak lornetki, teleskopy i mikroskopy, używają soczewek i luster do powiększania obrazów, natomiast soczewki korekcyjne do okularów i soczewek kontaktowych załamują światło przychodzące, aby skompensować wady wzroku użytkownika. Dlatego ich stworzenie wymaga znacznej wiedzy naukowej na temat tego, w jaki sposób te elementy optyczne wpłyną na przychodzące światło. Pomyślne zaprojektowanie soczewki optycznej wymaga zrozumienia zarówno wpływu składu, struktury i kształtu soczewki na funkcjonowanie urządzenia optycznego, jak i kształtu i materiałów soczewki na takie czynniki, jak masa, rozmiar i rozkład ciężaru urządzenia , a także jego zdolność do działania w różnych warunkach.
Projektowanie urządzeń zwanych spektrometrami nie może być wykonane bez inżynierii optycznej. Spektrometr wykorzystuje właściwości nadchodzących fotonów, aby odkryć informacje o składzie chemicznym lub innych cechach materii, z którą światło było emitowane lub z którą wchodziło w interakcje. Spektrometry istnieją w wielu różnych typach i są niezwykle ważne dla współczesnej nauki i przemysłu, w zastosowaniach od identyfikacji składu minerałów do kontroli jakości w przemyśle metalowym do badania ruchu innych galaktyk.
Inżynieria optyczna jest również niezbędna w technologii światłowodowej, która przesyła informacje za pomocą kabli za pomocą impulsów światła zamiast elektryczności. Włókna światłowodowe to elastyczne materiały, które można wykorzystać jako falowody, które mogą kierować kierunek światła. Kierują światłem podczas podróży, wykorzystując zjawisko zwane całkowitym odbiciem wewnętrznym, które utrzymuje światło kierowane w dół do rdzenia światłowodu. Konstrukcja światłowodów wymaga zrozumienia, w jaki sposób załamuje się światło, gdy przemieszcza się ono przez różne media, wraz z właściwościami refrakcyjnymi różnych materiałów. Światłowody są niezbędne w nowoczesnych technologiach komunikacyjnych, takich jak telefony, szybki Internet i telewizja kablowa, ze względu na ich ogromną pojemność.
Konstrukcja laserów, które wytwarzają wąskie wiązki spójnego światła, również w dużej mierze opiera się na inżynierii optycznej. Lasery działają poprzez wzbudzanie energetyczne materiału, zwanego ośrodkiem wzmocnienia, dopóki nie zacznie uwalniać energii w postaci fotonów. Projektowanie działającego lasera wymaga znajomości zarówno kwantowych właściwości światła, jak i różnych materiałów, które można wykorzystać jako środki wzmacniające w celu wytworzenia fotonów o właściwościach niezbędnych do zamierzonego zastosowania lasera oraz o tym, w jaki sposób mogą się skupiać urządzenia optyczne, takie jak soczewki i lustra to światło. Technologia laserowa jest szeroko stosowana we współczesnym życiu. Jest to podstawa formatów dysków optycznych, takich jak dyski CD i DVD, technologia detekcji LIDAR (wykrywanie światła i określanie odległości) oraz w wielu zastosowaniach przemysłowych.