ID:
511966
Durata (ore):
48
CFU:
6
SSD:
FISICA SPERIMENTALE
Anno:
2026
Dati Generali
Periodo di attività
Secondo Semestre (01/03/2027 - 09/07/2027)
Syllabus
Obiettivi Formativi
L’insegnamento introduce i principi fisici e gli strumenti di base della fotonica moderna. A partire dalle conoscenze acquisite nei precedenti insegnamenti di elettromagnetismo e fisica quantistica, sviluppa una comprensione applicativa dell’ottica ondulatoria, delle sorgenti laser, della fotonica guidata e integrata, della conversione non lineare di frequenza e di alcuni argomenti selezionati di ottica quantistica. L’enfasi è posta sul collegamento tra modelli fisici semplificati e componenti e sistemi reali per comunicazioni, sensing, spettroscopia e tecnologie fotoniche emergenti.
Risultati di apprendimento attesi (Descrittori di Dublino)
1. Conoscenza e capacità di comprensione: lo studente acquisirà conoscenza dei principi fisici che regolano la propagazione, la generazione, la manipolazione e la rivelazione della luce nei principali sistemi ottici in spazio libero, guidati e integrati. Comprenderà il funzionamento di laser, cavità ottiche, guide d’onda, fibre, dispositivi fotonici integrati, processi ottici non lineari e misure di correlazione fotonica.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione: lo studente sarà in grado di applicare modelli semplificati e stime quantitative all’analisi di semplici sistemi ottici, valutandone parametri caratteristici, prestazioni e principali limitazioni.
3. Autonomia di giudizio: lo studente svilupperà la capacità di scegliere modelli e approcci appropriati, di confrontare diverse configurazioni fotoniche e di valutarne criticamente ipotesi, validità e limiti.
4. Abilità comunicative: lo studente saprà descrivere e discutere fenomeni, dispositivi e sistemi ottici utilizzando terminologia scientifica appropriata, schemi e semplici argomentazioni quantitative.
5. Capacità di apprendimento: lo studente acquisirà gli strumenti necessari per approfondire autonomamente argomenti di fotonica moderna mediante testi avanzati, materiale didattico e letteratura scientifica introduttiva.
Risultati di apprendimento attesi (Descrittori di Dublino)
1. Conoscenza e capacità di comprensione: lo studente acquisirà conoscenza dei principi fisici che regolano la propagazione, la generazione, la manipolazione e la rivelazione della luce nei principali sistemi ottici in spazio libero, guidati e integrati. Comprenderà il funzionamento di laser, cavità ottiche, guide d’onda, fibre, dispositivi fotonici integrati, processi ottici non lineari e misure di correlazione fotonica.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione: lo studente sarà in grado di applicare modelli semplificati e stime quantitative all’analisi di semplici sistemi ottici, valutandone parametri caratteristici, prestazioni e principali limitazioni.
3. Autonomia di giudizio: lo studente svilupperà la capacità di scegliere modelli e approcci appropriati, di confrontare diverse configurazioni fotoniche e di valutarne criticamente ipotesi, validità e limiti.
4. Abilità comunicative: lo studente saprà descrivere e discutere fenomeni, dispositivi e sistemi ottici utilizzando terminologia scientifica appropriata, schemi e semplici argomentazioni quantitative.
5. Capacità di apprendimento: lo studente acquisirà gli strumenti necessari per approfondire autonomamente argomenti di fotonica moderna mediante testi avanzati, materiale didattico e letteratura scientifica introduttiva.
Prerequisiti
Calcolo differenziale e integrale di base, numeri complessi e algebra lineare. È richiesta familiarità con i fondamenti dell’elettromagnetismo e della fisica delle onde, incluse onde armoniche, interferenza e condizioni al contorno, nonché con elementi introduttivi di meccanica quantistica, inclusi stati quantistici, osservabili e misure.
Metodi didattici
L’insegnamento è erogato in lingua inglese e comprende 48 ore di attività didattica: 32 ore di didattica erogativa asincrona online, organizzate in 16 videolezioni registrate di circa due ore, e 16 ore di didattica interattiva in presenza. Le attività in presenza sono dedicate a esercizi guidati, alla discussione di sistemi fotonici rappresentativi, a chiarimenti e al ripasso integrativo. Slide, materiale didattico e indicazioni bibliografiche saranno resi disponibili sulla piattaforma e-learning.
Verifica Apprendimento
Non sono previste prove in itinere. La verifica finale consiste in un esame orale individuale, comprendente la discussione dei principali argomenti del corso e un semplice problema quantitativo o l’analisi di un sistema ottico. La valutazione considera la conoscenza e la comprensione dei principi fisici, la capacità di applicarli a semplici problemi, la correttezza del ragionamento e la chiarezza espositiva.
Un voto inferiore a 18/30 indica conoscenze insufficienti. I voti da 18 a 23 corrispondono a una preparazione sufficiente, da 24 a 27 a una buona preparazione e da 28 a 30 a una preparazione eccellente. All’interno di ciascuna fascia, il voto riflette le capacità di analisi critica, ragionamento e comunicazione. La lode può essere attribuita in presenza di una padronanza particolarmente completa, rigorosa e autonoma degli argomenti.
Un voto inferiore a 18/30 indica conoscenze insufficienti. I voti da 18 a 23 corrispondono a una preparazione sufficiente, da 24 a 27 a una buona preparazione e da 28 a 30 a una preparazione eccellente. All’interno di ciascuna fascia, il voto riflette le capacità di analisi critica, ragionamento e comunicazione. La lode può essere attribuita in presenza di una padronanza particolarmente completa, rigorosa e autonoma degli argomenti.
Testi
Testo principale: B. E. A. Saleh e M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, 3rd ed., Wiley, 2019.
Riferimento aggiuntivo: M. Born e E. Wolf, Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light, 7th expanded ed., Cambridge University Press, 1999.
Riferimento selezionato per l’ottica non lineare: R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 4th ed., Academic Press, 2020.
Riferimento selezionato per l’ottica quantistica: M. Fox, Quantum Optics: An Introduction, Oxford University Press, 2006.
Riferimento aggiuntivo: M. Born e E. Wolf, Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light, 7th expanded ed., Cambridge University Press, 1999.
Riferimento selezionato per l’ottica non lineare: R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 4th ed., Academic Press, 2020.
Riferimento selezionato per l’ottica quantistica: M. Fox, Quantum Optics: An Introduction, Oxford University Press, 2006.
Contenuti
Modulo 1: Teoria elettromagnetica e ottica ondulatoria
• Breve richiamo alla propagazione delle onde elettromagnetiche nei mezzi dielettrici, rappresentazione complessa del campo ed equazione di Helmholtz
• Polarizzazione della luce, calcolo di Jones, birifrangenza, lamine d’onda e polarizzatori
• Riflessione e rifrazione alle interfacce dielettriche, coefficienti di Fresnel e angolo di Brewster
• Interferenza e coerenza: interferometri di Michelson e Mach-Zehnder, visibilità delle frange e differenza di cammino ottico
• Diffrazione: diffrazione di Fraunhofer e Fresnel, reticoli di diffrazione e introduzione all’ottica di Fourier
• Lenti, ottica geometrica e sistemi di imaging; introduzione alla dispersione e alla risposta ottica lineare dei materiali
Modulo 2: Laser, fasci gaussiani e dispositivi fotonici
• Emissione spontanea e stimolata, coefficienti di Einstein e inversione di popolazione
• Guadagno ottico, soglia laser, modi del risonatore e funzionamento di base del laser
• Propagazione dei fasci gaussiani: waist, divergenza, lunghezza di Rayleigh, focalizzazione e collimazione
• Cavità ottiche, mode matching e dispositivi fotonici basati su risonatori
• Ottica guidata: guide d’onda dielettriche, fibre ottiche, accoppiamento, dispersione e principali perdite di propagazione
• Introduzione alla fotonica integrata: accoppiatori direzionali, interferometri Mach-Zehnder e risonatori microring
Modulo 3: Ottica non lineare e applicazioni
• Polarizzazione non lineare e conversione di frequenza in cristalli massivi, fibre ottiche e guide d’onda integrate
• Generazione armonica, generazione di somma di frequenza e generazione di differenza di frequenza
• Processi parametrici ottici: amplificazione e oscillazione parametrica ottica
• Phase matching, quasi-phase matching ed enhancement risonante, con applicazioni a sorgenti accordabili e conversione di lunghezza d’onda
• Modulazione ottica: effetti elettro-ottico e acusto-ottico; modulazione di ampiezza, fase e frequenza per comunicazioni e controllo laser
• Elementi di ottica ultrafast: dispersione della velocità di gruppo, non linearità Kerr, impulsi ultracorti e mode locking
• Concetti di solitone in fibre e risonatori; applicazioni a frequency combs, spettroscopia, sensing e comunicazioni ottiche
Modulo 4: Ottica quantistica e argomenti avanzati
• Statistica dei fotoni, coerenza del secondo ordine e funzioni di correlazione del secondo ordine
• Esperimento di Hanbury Brown-Twiss, correlazioni fotoniche, misure di coincidenza, bunching e antibunching dei fotoni
• Introduzione all’interferenza a due fotoni e all’effetto Hong-Ou-Mandel
• Spontaneous parametric down-conversion (SPDC) come sorgente di coppie di fotoni correlati e luce non classica
• Breve richiamo alla propagazione delle onde elettromagnetiche nei mezzi dielettrici, rappresentazione complessa del campo ed equazione di Helmholtz
• Polarizzazione della luce, calcolo di Jones, birifrangenza, lamine d’onda e polarizzatori
• Riflessione e rifrazione alle interfacce dielettriche, coefficienti di Fresnel e angolo di Brewster
• Interferenza e coerenza: interferometri di Michelson e Mach-Zehnder, visibilità delle frange e differenza di cammino ottico
• Diffrazione: diffrazione di Fraunhofer e Fresnel, reticoli di diffrazione e introduzione all’ottica di Fourier
• Lenti, ottica geometrica e sistemi di imaging; introduzione alla dispersione e alla risposta ottica lineare dei materiali
Modulo 2: Laser, fasci gaussiani e dispositivi fotonici
• Emissione spontanea e stimolata, coefficienti di Einstein e inversione di popolazione
• Guadagno ottico, soglia laser, modi del risonatore e funzionamento di base del laser
• Propagazione dei fasci gaussiani: waist, divergenza, lunghezza di Rayleigh, focalizzazione e collimazione
• Cavità ottiche, mode matching e dispositivi fotonici basati su risonatori
• Ottica guidata: guide d’onda dielettriche, fibre ottiche, accoppiamento, dispersione e principali perdite di propagazione
• Introduzione alla fotonica integrata: accoppiatori direzionali, interferometri Mach-Zehnder e risonatori microring
Modulo 3: Ottica non lineare e applicazioni
• Polarizzazione non lineare e conversione di frequenza in cristalli massivi, fibre ottiche e guide d’onda integrate
• Generazione armonica, generazione di somma di frequenza e generazione di differenza di frequenza
• Processi parametrici ottici: amplificazione e oscillazione parametrica ottica
• Phase matching, quasi-phase matching ed enhancement risonante, con applicazioni a sorgenti accordabili e conversione di lunghezza d’onda
• Modulazione ottica: effetti elettro-ottico e acusto-ottico; modulazione di ampiezza, fase e frequenza per comunicazioni e controllo laser
• Elementi di ottica ultrafast: dispersione della velocità di gruppo, non linearità Kerr, impulsi ultracorti e mode locking
• Concetti di solitone in fibre e risonatori; applicazioni a frequency combs, spettroscopia, sensing e comunicazioni ottiche
Modulo 4: Ottica quantistica e argomenti avanzati
• Statistica dei fotoni, coerenza del secondo ordine e funzioni di correlazione del secondo ordine
• Esperimento di Hanbury Brown-Twiss, correlazioni fotoniche, misure di coincidenza, bunching e antibunching dei fotoni
• Introduzione all’interferenza a due fotoni e all’effetto Hong-Ou-Mandel
• Spontaneous parametric down-conversion (SPDC) come sorgente di coppie di fotoni correlati e luce non classica
Lingua Insegnamento
INGLESE
Altre informazioni
Ricevimento su appuntamento, da concordare via e-mail con il docente.
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