PHOTONICS
Anno accademico 2018/2019 - 1° anno - Curriculum CONDENSED MATTER PHYSICSCrediti: 6
SSD: FIS/03 - FISICA DELLA MATERIA
Organizzazione didattica: 150 ore d'impegno totale, 108 di studio individuale, 42 di lezione frontale
Semestre: 2°
Obiettivi formativi
Obiettivo formativo del corso è quello di fornire agli studenti i fondamenti della fotonica - la scienza alla base della emissione, controllo e rivelazione dei quanti di luce - nonchè le sue principali applicazioni.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Il corso verrà svolto attraverso lezioni frontali in aula.
Prerequisiti richiesti
Nozioni di elettromagnetismo, nozioni di meccanica quantistica, conoscenze base sui semiconduttori
Frequenza lezioni
La frequenza è obbligatoria.
Contenuti del corso
Amplificazione Ottica e Laser Atomici
Interazione Radiazione-Materia - Assorbimento, Emissione spontanea e stimolata – Trattazione di Einstein del Corpo Nero – Larghezza naturale di riga – Guadagno ottico - Inversione di popolazione – Processo di saturazione del guadagno – Principi base di amplificazione ottica - Sistemi a 3 e 4 livelli - Cavità di Fabry-Perot – Modi di cavità – Finesse – Laser - Funzionamento di alcuni specifici tipi di laser: il maser ad ammoniaca, il laser al rubino, il laser al neodimio, il laser ad elio-neon – Raffreddamento laser – laser annealing
Guide d’onda
Guide con specchi planari: modi di guida, costante di propagazione, distribuzione di campo, velocità di gruppo – Guide in dielettrici planari: modi di guida, apertura numerica, distribuzione di campo, velocità di gruppo – Guide bidimensionali - Accoppiamento ottico – Accoppiamento fra le guide e switching – strutture Mach Zehnder e modulatori – fibre ottiche– attenuazione e dispersione – riamplificazione del segnale
Rivelatori, LED, Celle Solari e Sensori
Rivelatori di fotoni – Rivelatori a singolo fotone - LED con semiconduttori III-V e II-VI – Efficienza di estrazione – Efficienza quantica – Terre rare - LED al Si:Er – Quantum dots e quantum wires - LED a nano ed eterostruttura - Celle solari – Modulatori ottici – Sensori ottici - Raman scattering e SERS
Laser a semiconduttore
Guadagno ottico nei semiconduttori - Diodo Laser – Laser ad eterostruttura - VCSEL – Laser a cascata quantica – Laser a bassa dimensionalità
Cristalli Fotonici, Plasmonica e Metamateriali
Principi base di funzionamento di un cristallo fotonico – Nanocavità – Effetto Purcell - Laser a cristallo fotonico – Strutture fotoniche quasicristalline e disordinate – Plasmonica – Metamateriali - Applicazioni
Testi di riferimento
Saleh & Teich, Fundamentals of Photonics, John Wiley & Sons Inc.
J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson, J.N. Winn, R.D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light, Princeton University Press
S.G. Johnson, J.D. Joannopoulos, Photonic Crystals: The Road from Theory to Practice, Kluwer
V.V. Mitin, V.A. Kochelap, M.A. Stroscio, Quantum Heterostructures: Microelectronics and Optoelectronics, Cambridge University Press
O. Svelto, Principles of Lasers, Plenum Press
Programmazione del corso
| Argomenti | Riferimenti testi | |
|---|---|---|
| 1 | Gli argomenti presenti in programma, come trattati nel Saleh-Teich, sono irrinunciabili per il superamento dell'esame | Saleh & Teich, Fundamentals of Photonics, John Wiley & Sons Inc. |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
L'esame consisterà in una prova orale nella quale lo studente discuterà e approfondirà alcuni aspetti del corso.
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
Tutti gli argomenti presenti in programma, in egual misura, saranno oggetto di domanda.
Esempio di domanda 1: Descrivere il principio di funzionamento di un laser
Esempio di domanda 2: Descrivere il fenomeno della dispersione nelle fibre ottiche
Esempio di domanda 3: Descrivere i principi di funzionamento di una cella solare