510153 - QUANTUM ELECTRONICS AND NONLINEAR OPTICS

insegnamento

ID:

510153

Durata (ore):

94

CFU:

SSD:

FISICA DELLA MATERIA

Anno:

2024

Periodo di attività

Secondo Semestre (03/03/2025 - 13/06/2025)

Obiettivi Formativi

L'obiettivo della prima parte del corso (Elettronica quantistica) è di fornire una corretta descrizione quanto-meccanica dell'interazione radiazione-materia e di fornire gli strumenti fisici necessari per comprendere il funzionamento dei LASER. Al termine del modulo, gli studenti dovrebbero possedere gli aspetti principali dell'interazione radiazione-materia e dovrebbero essere in grado di descrivere qualitativamente e quantitativamente il funzionamento di un oscillatore LASER. L'argomento della seconda parte del corso (Ottica non lineare) è la descrizione dell'interazione non lineare del laser con la materia finalizzata alla comprensione dei principi di funzionamento dei dispositivi ottici integrati che eseguono conversione di lunghezza d'onda, modulazione e funzioni logiche. Vengono inoltre trattate le applicazioni dell'ottica non lineare all'informatica, al monitoraggio ambientale e alle scienze biomediche.

Prerequisiti

I concetti matematici e fisici forniti dalla Laurea di I livello (Meccanica ed Elettromagnetismo, Geometria e Algebra). I concetti illustrati nel corso di “Fotonica” (Fotonica) sono importanti ma non essenziali.

Metodi didattici

Lezioni (ore/anno in aula, lavagna + slide): 48
Esercitazioni pratiche (ore/anno in aula): 24
Laboratorio: 22

Verifica Apprendimento

Esame orale sugli argomenti del corso volto a valutare il grado di comprensione dello studente.

Testi

D. J. Griffiths. Introduzione alla meccanica quantistica (2a edizione). Pearson Prentice Hall.

W. Koechner. Ingegneria laser a stato solido (6a edizione). Springer.

G. New. Introduzione all'ottica non lineare. Cambridge University Press, 2011.

R. W. Boyd. Ottica non lineare. Academic Press, Londra, 2003.

A. Yariv. Elettronica quantistica. Wiley, New York, 1989.

Contenuti

ELETTRONICA QUANTISTICA

Teoria delle perturbazioni indipendenti dal tempo

Potenziali dipendenti dal tempo, metodo perturbativo

Interazione dipolo elettrico Regola d'oro di Fermi

Assorbimento, emissione spontanea e stimolata, coefficienti A e B di Einstein

Sistemi a 3 e 4 livelli, equazioni di velocità

Risonatori ottici

Funzionamento laser a corsa libera

Regimi di Q-Switching e Mode-Locking

Alcuni esempi rappresentativi di laser (laser a gas, laser a stato solido, laser a fibra, laser a semiconduttore)

OTTICA NON LINEARE

Fenomeni non lineari di secondo ordine
Propagazione non lineare nell'approssimazione parassiale. Condizioni di adattamento di fase. Generazione di seconda armonica. Amplificazione e oscillazione parametrica. Conversione della lunghezza d'onda di impulsi ultracorti: accettazione spettrale, walk-off temporale. Materiali per ottica non lineare. Tecniche di adattamento di fase.

Fenomeni non lineari di terzo ordine
Generazione di terza armonica. Effetto Kerr ottico, autofocalizzazione, automodulazione di fase. Miscelazione a quattro onde: conversione della lunghezza d'onda, coniugazione di fase ottica.

Impulsi ultracorti
Relazione tra larghezza di impulso e larghezza di banda spettrale. Propagazione non lineare di impulsi ultracorti in fibre ottiche. Solitoni temporali. Misurazione della larghezza di impulso tramite correlazioni.

Diffusione di luce spontanea e stimolata
Dispersione di Rayleigh. Dispersione Raman e Brillouin. Velocimetria Doppler. Tecniche LIDAR per il monitoraggio ambientale. Dispersione Raman e Brillouin stimolata. Amplificatori e oscillatori Raman. Tecnica CARS.