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 prossimi sullo spettro elettromagnetico, infrarosso e ultravioletto. La pratica dell’ingegneria ottica è antica e l’uso di specchi, cristalli sagomati e levigati o contenitori di acqua limpida per scopi come l’ingrandimento o la focalizzazione della luce solare per accendere fuochi ha più di 2,000 anni. Nei tempi moderni, questo campo è importante per una vasta gamma di tecnologie, inclusi strumenti ottici come microscopi e binocoli, laser e molti dispositivi elettronici e di comunicazione comunemente usati.
Alcune applicazioni pratiche dell’ottica possono essere fatte utilizzando un modello di radiazione elettromagnetica basato sulla fisica classica. Questo perché le previsioni della moderna meccanica quantistica divergono notevolmente dalla meccanica classica solo su scala atomica o subatomica o in condizioni estremamente insolite come temperature prossime allo zero assoluto. Molte moderne tecnologie ottiche si basano su come i singoli fotoni interagiscono con atomi e particelle, dove 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 per l’ingegneria ottica.
La progettazione di molti dispositivi che utilizzano la luce per visualizzare o analizzare gli oggetti implica l’ingegneria ottica. Gli 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 vista di chi li indossa. Pertanto, la loro creazione richiede una notevole conoscenza scientifica di come questi componenti ottici influenzeranno la luce in entrata. La progettazione di lenti ottiche di successo richiede la comprensione sia di come la composizione, la struttura e la forma di una lente influenzerà il funzionamento di un dispositivo ottico, sia di come la forma e i materiali di una lente influenzeranno fattori quali la massa, le dimensioni e la distribuzione del peso del dispositivo , così come la sua capacità di operare in diverse condizioni.
La progettazione di dispositivi chiamati spettrometri non può essere eseguita senza l’ingegneria ottica. Uno spettrometro utilizza le proprietà dei fotoni in ingresso per scoprire informazioni sulla composizione chimica o su altri tratti della materia da 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 della lavorazione dei metalli allo studio del movimento di altre galassie.
L’ingegneria ottica è altrettanto essenziale per la tecnologia in fibra ottica, che trasmette informazioni tramite cavi utilizzando 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 incanalata nel nucleo della fibra. La progettazione delle fibre ottiche richiede la comprensione di come la luce viene rifratta mentre si muove attraverso diversi mezzi, insieme alle qualità rifrattive dei diversi materiali. Le fibre ottiche sono essenziali per le moderne tecnologie di comunicazione, come telefoni, Internet ad alta velocità e televisione via cavo, a causa della loro enorme capacità.
Anche la progettazione dei laser, che producono fasci stretti di luce coerente, si basa molto sull’ingegneria ottica. I laser funzionano eccitando energeticamente 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 che dei diversi materiali che possono essere utilizzati come mezzi di guadagno per creare fotoni con le qualità necessarie per l’uso previsto del laser e di come le apparecchiature ottiche come lenti e specchi possono mettere a fuoco 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 e raggio di luce) e in molte applicazioni industriali.