Y yo quiero ser...Ingeniera Óptica
(Por
María Viñas Peña)
Escucha música mientras lees, vete al final.
Yo quiero ser
Ingeniera Óptica y jugar con la luz, porque básicamente es a lo que nos
dedicamos: a utilizar las propiedades de la Luz en multitud de desarrollos
científicos y tecnológicos. La Ingeniería Óptica se ocupa de las aplicaciones
de la Óptica y la Fotónica: la Óptica es la ciencia que se ocupa del estudio de
la Luz y de los fenómenos luminosos, y la Fotónica es la ciencia de la
generación, control y detección de partículas luminosas, “fotones”. La
Ingeniería Óptica, por tanto, trata de la Luz.
La Luz está
presente en todo lo que nos rodea, desde que nos levantamos hasta que nos
acostamos y, ya desde la Antigüedad, el ser humano ha sentido curiosidad
científica por la Luz y sus aplicaciones. Una de las primeras preguntas
filosóficas que se planteó el ser humano tiene que ver con la visión, con la
percepción del mundo exterior y en por qué vemos, o qué es la Luz: el ser
humano percibe el 80% de la información del mundo que le rodea gracias al
sentido de la vista, y, sin duda, esta es una de las razones que impulsó a los
primeros científicos a intentar comprender por qué ve el ser humano y qué lo
hace posible.
¿Cómo era un Ingeniero Óptico en la Antigüedad?
Existen algunas
evidencias que sugieren que los primeros ingenieros ópticos existían ya hace
4000 años y que muchas de las grandes construcciones de la Antigüedad
(Pirámides egipcias y mayas, Stonehenge, etc.) fueron construidas teniendo en
cuenta los principios básicos de la Ingeniería Óptica. Estos pioneros sabían ya
que la luz viaja en línea recta, entendían el ciclo de las estaciones y su
dependencia con el ciclo solar, y conocían algunas de las interacciones entre
la Luz y su entorno y tomaban ventaja de las mismas, creando las primeras
aplicaciones ópticas. La fabricación de lentes, de diferentes tipos y
aplicaciones, constituyó el primer paso en el desarrollo de instrumentos
ópticos, gracias a los cuales se sentaron las bases de los primeros tratados de
Óptica sobre la Luz y la Visión.
En la Grecia
clásica se produjeron avances notables en el estudio de la Luz: Euclides, en su
libro Óptica (˜siglo III a.c), ya aludía al concepto de “rayo de luz” y al
hecho de que la Luz viaja en línea recta. Las bases de la Óptica Geométrica ya
eran un hecho. Más adelante, en la Edad Media comenzó el desarrollo de la
Óptica Física y la Óptica Fisiológica, manteniendo aún unidos el estudio de la
Visión y del agente físico que la provoca, la Luz. Es en la Edad Media cuando
Alhacen (siglo X) enuncia la idea de que las fuentes de luz iluminan los
objetos y que la luz reflejada por estos llega a los ojos, permitiendo la
visión en contraposición a la escuela platónica que consideraba la visión como
una propiedad del alma, que hacía que los rayos emergían de los ojos del
observador hasta alcanzar los objetos.
La Óptica
Geométrica se basa en el concepto de rayo de Luz y se utiliza principalmente
para explicar los fenómenos de propagación de la luz, las trayectorias que
sigue esta al propagarse y la reflexión y la refracción lumínicas sobre
distintos medios materiales. Sus aplicaciones tecnológicas han sido
innumerables, sobre todo en la fabricación de instrumentos ópticos para la
formación de imágenes (por ejemplo cámaras fotográficas, microscopios,
telescopios). Sin embargo la Óptica Geométrica no era capaz de explicar toda la
casuística óptica.
En el momento
en el que aparece la Óptica Difractiva, se pasa de la Óptica Clásica a la
Óptica Moderna, ya en el siglo XX. La Óptica Ondulatoria se introdujo para
explicar fenómenos de difracción, interferencia y polarización de la luz y, en
combinación con la idea de que la Luz está compuesta por ondas
electromagnéticas, permite explicar fenómenos en los que la Luz interactúa con
la materia (dispersión de la Luz en la atmósfera o absorción de la Luz en
materiales). Esto supuso un importantísimo avance de las tecnologías ópticas
relacionadas con el procesado óptico de imágenes o la metrología óptica (por ejemplo gracias a la interferometría).
Para ir un paso más allá y explicar fenómenos de interacción de la Luz con la
materia, a nivel microscópico, se desarrolló la Óptica Cuántica, que permitió
explicar la naturaleza dual onda-partícula de la Luz: las partículas luminosas
pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en unos casos y de partículas
compactas y localizadas en otros. La Óptica Cuántica ha permitido la evolución
de la Fotónica y las tecnologías derivadas de la misma como los láseres, las
tecnologías de las comunicaciones ópticas o los detectores de radiación basados
en semiconductores.
¿Qué hace un Ingeniero Óptico hoy en día?
En la
actualidad, los Ingenieros Ópticos trabajan en
multitud de áreas relacionadas principalmente con el diseño de sistemas
ópticos, la óptica visual, la óptica de materiales y láminas delgadas, la
fabricación y los controles de calidad ópticos, así como la óptica astronómica,
aeronáutica y espacial.
El diseño de
sistemas ópticos comprende el diseño de componentes de instrumentos ópticos
como lentes, espejos, cámaras fotográficas, microscopios, telescopios y otros
instrumentos más complejos basados en las tecnologías de la Luz, como sensores
ópticos y sistemas de medición, láser, sistemas de comunicación de fibras
ópticas, o sistemas de almacenamiento de datos. La complejidad de los sistemas
ópticos depende en gran medida de la finalidad de los mismos y de la tarea a
llevar a cabo.
La Ingeniería
Óptica es imprescindible en el diseño de sistemas complejos que permitan
estudiar la Óptica/Física de la visión, muy similar a la de un sistema de
fotografía, y la interpretación que hace el cerebro de la información que
recibimos del exterior, el procesado neuronal. La Óptica y la Visión permanecen
igual de unidas que en la Antigüedad, inherentes una a la otra, con la ventaja
de que las tecnologías ópticas existentes permiten un estudio más detallado de
las mismas. De hecho, algunas tecnologías ópticas utilizadas en Astronomía
(Óptica Adaptativa) o Metrología (Interferometría), se utilizan de manera
convencional para estudiar el sistema visual humano.
Uno de los
temas candentes en Ingeniería Óptica tiene que ver con la selección, diseño y
desarrollo de material con nuevas propiedades ópticas y físicas, la Óptica de
materiales y láminas delgadas. Cuanto más complejos son los sistemas ópticos,
mayores las exigencias en cuanto a las características de los materiales
empleados: transparencia, dureza, índice de refracción, biocompatibilidad,
propiedades cromáticas, entre otros.
En esa línea, la Ingeniería
Óptica de materiales está muy relacionada con la fabricación de nuevos
materiales, pero también en técnicas ópticas de control de calidad, como por
ejemplo las que utilizan patrones de interferencia de Moiré para detectar
fallos estructurales en sistemas complejos (por ejemplo controles de calidad en
la fabricación de fuselajes de aviones).
Por supuesto,
un campo clásico de aplicación de la Ingeniería Óptica es la Óptica
Astronómica, Aeronáutica y Espacial. ¿Quién no ha oído hablar de las misiones
de la NASA a diferentes planetas? ¿Y los grandes telescopios astronómicos como
el Hubble? ¿Habéis ido a un planetario? En todas esas áreas de trabajo,
exploración e investigación es imprescindible la Ingeniería Óptica.
En resumen, la
Luz y la Óptica están en todas partes y, por tanto los trabajos relacionados
con ellas también.
Fig. 1. Fuente laser de
supercontinuo del Sistema Óptica Adaptativa policromático del Grupo de Óptica
Visual y Biofotónica del Instituto de Óptica “Daza de Valdés” del Consejo
Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).
Tesis doctoral “Polychromatic
Adaptive Optics to evaluate the impact of manipulated optics on vision”, M. Viñas.
¿Cómo llegar a ser un Ingeniero Óptico?
El diseño y
construcción de dispositivos para aprovechar las propiedades de la luz es una
tarea compleja que requiere conocimientos extensos de Óptica y Física. Sin embargo,
debido a la complejidad de los sistemas ópticos otros conocimientos son también
necesarios.
Las fuentes de
luz utilizadas en este tipo de sistemas pueden ser de múltiples tipos y
capacidades (principalmente fuentes láser) por lo que son necesarios conocimientos
de Fotometría y Radiometría, así como de Seguridad y protección láser.
El diseño de
sistemas tan complejos requiere a menudo el conocimiento de software de diseño
óptico (Zemax, Oslo) que permite conocer las capacidades teóricas del sistema
antes de su desarrollo.
Muchos
sistemas ópticos incluyen fuentes de luz (láseres, fuentes de fibra), sistemas
optomecánicos, microprocesadores, fibras ópticas, detectores, cámaras
científicas, sistemas de proyección de imagen, y/o sistemas de medida (intensidades,
potencias) entre otros. Son imprescindibles conocimientos de programación
(Matlab, C#) que permitan el control de semejantes dispositivos.
Pero lo más
apasionante de ser Ingeniero Óptico es que, puesto que la Óptica tiene
infinidad de aplicaciones, durante tu carrera profesional tienes la oportunidad
de aprender y desarrollar multitud de proyectos de temáticas muy alejadas entre
sí: desde desarrollar un telescopio para observar las estrellas hasta diseñar
un sistema para mejorar la óptica del ojo humano.
Bibliografía:
[1]
Unidad Didáctica Ciencia con luz propia. Aplicaciones tecnológicas de la luz:
Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECyT) M-26468-2015
[2]
Optical engineering. R. M. Scott. Applied optics, 1962 (1) 4
[3]
Optical engineering and the Optical Society of America. Jay M.J.M. Eastman.
Appliedoptics, 1982 (21) 22
María Viñas Peña
Doctor
en Ciencias Físicas, Máster Ingeniería Óptica, Grado en Óptica
Investigador
Postdoctoral, Laboratorio de Óptica Visual y Biofotónica, Instituto
de Óptica, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IO-CSIC)
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