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Nanophotonics (Nanofotonica)


Denominazione del corso: Nanophotonics (Nanofotonica)
Corso di studi: I4T - Laurea magistrale in Ingegneria delle Telecomunicazioni
Quadrimestre/Semestre:
Anno:
Numero di moduli: 1
Crediti: 9
Ore: 90
Tipologia: C - Attività affini o integrative
Struttura: monodisciplinare
Settore Scientifico Disciplinare: FIS/03 (Fisica Della Materia)

Docente: Elia Palange (90 ore). Titolo copertura: cattedra (prof. associato)
Orario di ricevimento: Giovedì dalle ore 14,30 alle ore 16,30. Luogo: polo di Roio presso il laboratorio di nanofotonica - piano -1 dopo l'aula di informatica.


Programma sintetico del corso:

Principi di ottica fondamentale: riflessione, rifrazione, interferenza e diffrazione della luce. Polarizzazione della luce e suo utilizzo e modificazione mediante l'uso di cristalli anisotropi e i fenomeni legati all'effetto elettro-ottico. Il concetto di laser. Sviluppo di laser a 3 e 4 livelli. Laser a stato solido e a semiconduttore. I limiti della fisica classica e la necessità di introdurre i concetti della meccanica quantistica. Buche di potenziale singole e multiple. Fili e punti quantici. la tecnologia legata alla realizzazione delle nanostrutture.

Programma esteso del corso:

Link Programma completo (PDF)    (Aggiornato il 12-10-2017)

Programma del Corso di Nanofotonica A.A. 2016-17 Le equazioni di Maxwell per i campi elettromagnetici (e.m.). Derivazione della soluzione dell’equazione delle onde mediante le onde piane infinite e i fasci gaussiani finiti. Condizioni al contorno per il campo elettrico di un’onda e.m. nel passaggio tra due mezzi materiali di differente indice di rifrazione. Definizione di polarizzazione della luce. Calcolo dei coefficienti di riflessione e rifrazione per il campo elettrico di un’onda e.m.. Il vettore di Poynting. Calcolo delle intensità della luce riflessa e rifratta per le polarizzazioni parallela e perpendicolare al piano di incidenza. Polarizzazione della luce per riflessione: l’angolo di Brewster. Approccio semiclassico alla interazione tra la luce e la materia: assorbimento ed emissione della luce. Natura microscopica della interazione tra la luce e la materia: teoria elementare della dispersione e la polarizzabilità atomica lineare. La dispersione cromatica. Dispersione angolare di un prisma. La riflessione totale interna: l’idea della propagazione guidata della luce e i suoi vantaggi e svantaggi. L’ottica geometrica. Gli specchi e le lenti. Definizione dei fuochi e le equazioni dei punti coniugati. Formazione delle immagini: immagini reali e virtuali. Vari tipi di lenti e l’equazione dell’ottico. Sistemi semplici di lenti: il microscopio ed il telescopio, l’espansore e il compressore di fasci di luce. Polarizzazione della luce: lineare, ellittica e circolare destrorsa e sinistrorsa. Le equazioni che descrivono la polarizzazione della luce nella loro forma più generale. Propagazione della luce in cristalli anisotropi: simmetria e variazione della polarizzazione della luce. Il tensore della suscettibilità lineare e il vettore di polarizzazione P. Diagonalizzazione del tensore della suscettibilità lineare. Il tensore della costante dielettrica: legame tra i vettori D ed E. Legame tra la costante dielettrica e la suscettività dielettrica. Il calcolo delle differenti velocità di fase in cristalli birifrangenti uniassici e biassici. Definizione della birifrangenza indotta quando un fascio di luce passa in un cristallo birifrangente. L’ellissoide degli indici di rifrazione. Indici di rifrazione ordinario e straordinario e loro reciproco legame. Il formalismo delle matrici di Jones: il polarizzatore, le lamine di ritardo a mezza onda e ad un quanto d’onda. Calcolo dello stato di polarizzazione della luce uscente da sistemi ottici birifrangenti con la presenza di polarizzatori: andamento della polarizzazione in funzione della rotazione dell’asse ottico. Luce trasmessa da sistemi contenenti elementi birifrangenti e polarizzatori: modulazione della intensità della luce trasmessa. Lamine di ritardo usate come selettori di frequenza. L’effetto elettro-ottico: determinazione del tensore dei coefficienti elettro-ottici. La forma del tensore dei coefficienti elettro-ottici e le proprietà di simmetria dei cristalli. Il cristallo KDP e LiNbO3: esempi di calcolo dell’elissoide degli indici e sua diagonalizzazione; birifrangenza indotta dalla presenza e variazione del campo elettrico applicato al cristallo. Schemi elettro-ottici per la modulazione di ampiezza e di fase. Descrizione dell’uso di modulatori elettro-ottici di ampiezza per la variazione rapida del fattore di merito Q in cavità laser. L’interferenza della luce e l’esperienza di Young. Interferenza tra due onde monocromatiche ed il concetto di coerenza di una sorgente di luce. Massimi e minimi di interferenza. Interferenza da fenditure multiple. Cambiamento di fase con luce riflessa: l’esperienza di Lloyd. Interferenza da lamine sottili. Superfici antiriflesso e totalmente riflettenti. Interferometro a singolo passaggio: l’interferometro di Michelson, differenza di fase e misura della coerenza di una sorgente di luce monocromatica. Interferometri a molti passaggi: l’interferometro di Fabry-Perot. Determinazione del coefficiente di trasmissione e riflessione in funzione della frequenza: Free-Spectral-Range e finesse. Elementi di comprensione della diffrazione della luce da fori di differente forma e dimensioni. Risoluzione di due sorgenti da parte di una lente: criterio di risoluzione di Rayleigh. La diffrazione da una serie di fenditure affiancate. Il concetto di laser. La statistica di Boltzmann. Assorbimento, emissione spontanea e stimolata. Inversione di popolazione. Sistemi a due, tre e quattro livelli. Radiazione di corpo nero all’interno di una cavità. Modi e.m. di propagazione. Numero dei possibili modi di propagazione e loro dipendenza con la frequenza. La necessità della ipotesi di Planck e l’introduzione del quanto di energia: dalla statistica di Boltzmann a quella di Fermi. Emissione stimolata, larghezza di banda e cause di allargamento di riga: allargamenti omogeneo e disomogeneo. Assorbimento e transizioni stimolate studiate mediante le equazioni di bilancio. Le equazioni di bilancio del laser nel caso di sistemi a tre e quattro livelli. Il risonatore laser: guadagno e perdite di cavità. Descrizione del funzionamento di un laser in continua a quattro livelli. Sistemi ottici in cavità per la selezione della singola frequenza laser: étalon e reticoli di diffrazione. Modi trasversi di cavità: selezione del singolo modo fondamentale gaussiano. Il sistema delle matrici per la descrizione della propagazione della luce in una cavità ottica: le matrici ABCD e la condizione di ottenimento del modo stabile di cavità. Elementi di analisi sul modo gaussiano. Laser a semiconduttore. Le condizioni per la emissione di luce da un semiconduttore. Banda di valenza e di conduzione. Semiconduttori a gap diretta e indiretta. Livello di Fermi. Livelli di quasi-Fermi in banda di valenza e conduzione. Condizioni per l’ottenimento della inversione di popolazione tramite l’uso del formalismo dei livelli di energia di quasi-Fermi. Il laser a semiconduttore usante una omo-giungione p-n. Vantaggi e svantaggi del laser a omo-giunzione. Il laser a semiconduttore a etero-giunzione p-i-n. Accenno ai problemi relativi alla crescita di etero-strutture di semiconduttori. Principio di funzionamento di un laser a etero-giunzione. Equazioni descriventi la operazione in continua di un laser a semiconduttore. Gli esperimenti che portano alla inadeguatezza della fisica classica e i principi della meccanica quantistica. Derivazione dell’equazione di Schrodinger. Sistemi di eterostrutture tra semiconduttori. Descrizione strutturale dei seguenti sistemi quantistici: quantum well, quantum wire, quantum dot. Soluzione dell’equazione di Schrodinger per una quantum well a pareti infinite e finite. Densità degli stati in tre edue dimensioni. Soluzione dell’equazione di Schrodinger per la doppia quantum well. La soluzione dell’equazione di Schrodinger per le strutture a quantum wire a sezione quadrata e circolare.


Testi consigliati:

Trasparenze delle lezioni ed appunti del docente

            
            
                         


Modalità d'esame:

Svolgimento di un tema su di un progetto specifico che utilizzi gli argomenti appresi durante il corso. Consegna di una relazione sulle attività sperimentali svolte in laboratorio Consegna di una relazione su un progetto numerico/sperimentale di gruppo.


Risultati di apprendimento previsti:

Acquisizione dell nozioni di base sui fenomeni ottici ed optoelettronici fondamentali, nonchè dei sistemim laser.Apprendimento delle nozioni fisiche e tecnologiche per la realizzazione di nanostrutture per applicazioni alla fotonica.


Link al materiale didattico:

ELearning@AQ