Ingegneria Elettronica - Electronics Engineering

EUGENIO FAZIO

Il corso ha come obiettivo di far acquisire conoscenze approfondite sulla luce, sul suo comportamento e sui principali componenti e dispositivi ottici atti alla sua elaborazione.
Le lezioni sono quindi rivolte ad approfondire la conoscenza della propagazione della luce come onde, analizzando i fenomeni dell'interferenza e della diffrazione.
Saranno analizzati, in regime di ottica geometrica, i principali componenti ottici ed attivi nonchè le proprietà dell'ottica guidata. Saranno dati elementi per effettuare una progettazione ottica avanzata.

I frequentanti il corso di Optics impareranno la fisica della luce e la dipendenza dei fenomeni luminosi dalla natura ondulatoria del campo elettro-magnetico.
Lo studente dovrà essere in grado di:
Comprendere in modo approfondito i principi fondamentali dell’ottica geometrica e fisica. Conoscere le leggi che governano la propagazione, interferenza, diffrazione e polarizzazione della luce. Avere familiarità con i materiali ottici, inclusi cristalli non lineari, fibre ottiche.
Comprendere i principi di funzionamento dei principali strumenti e sistemi ottici, sia classici sia moderni (microscopi, spettrometri, interferometri).

Gli allievi devono conoscere la fisica dell'elettricità e del magnetismo così come viene svolto nei corsi di Fisica 2. Il corso viene erogato in inglese quindi devono conoscere bene la lingua inglese.

Onde elettromagnetiche e luce
Equazioni di Maxwell ed equazione delle onde EM. Onde sferiche e piane. Frequenze e lunghezze d'onda delle onde EM. Interpretazione microscopica dell'indice di rifrazione. Polarizzazione attiva e reattiva e indice di rifrazione complesso. Equazione di Sellmeyer per la dispersione dell'indice di rifrazione. Numero di Abbe e spazio di Abbe per i vetri. Vettore di Poynting ed energia luminosa. Quantità illuminotecniche.
Riflessione e rifrazione
Principio di Fermat di "minima azione " e leggi di Snell. Coefficienti di Fresnel. Angolo critico e regime di riflessione totale. Onde evanescenti e sfasamento di Goos-Hänchen. Interpretazione geometrica di fibre ottiche e guide d'onda.
Ottica geometrica
Approssimazione della lunghezza d'onda corta. Riflessione e specchi. Rifrazione e superfici diottriche. Lenti sottili. Lenti spesse e piani principali. Sistemi ottici centrati. Pupille / stop / numero f / apertura numerica. Vignettatura e legge del coseno alla quarta potenza. Principali aberrazioni ottiche. Aberrazione cromatica e doppietto acromatico. Sistemi rifrattivi fondamentali. Tracciamento dei raggi e matrici ABCD.
Interferenza e interferometri
Interferenza di 2 onde co-propaganti. Onde battenti. Onde e impulsi continui. Velocità di fase e di gruppo. Interferenza spaziale e temporale. L'esperimento di Young. Interferenza di 2 onde contro-propaganti: onde stazionarie e risonatori. Risonatore Fabry-Perot. Fibre ottiche come risonatori trasversali. Sistemi interferenti multistrato. Progettazione di specchi dielettrici e filtri passa banda. Interferometri di Michelson e MachZehnder.
Diffrazione
Principio e integrale di Huygens-Fresnel. Regime di campo vicino e Integrale di Fresnel. Campo lontano e integrale di Fraunhofer. Diffrazione da una fenditura. Limite di focalizzazione di una lente. Diffrazione da uno stop. Diffrazione da un reticolo. Reticoli armonici e anarmonici. Nano-ottica.
Ottica dei mezzi anisotropi
Cristalli anisotropi. Indice ellissoide. Cristalli uniassiali e biassiali. Dicroismo. Lamine di ritardo.
Ottica nonlineare
Risposta nonlineare. Oscillatore anarmonico. Effetti del secondo ordine. Il tensore ottico nonlineare. Generazione di armonica ottica. Effetti parametrici. L'effetto elettro-ottico di Pockels. Modulatori elettro-ottici. Fotorefrattività e strutture ottiche autoassemblanti. Solitoni spaziali e guide d'onda solitoniche. Sistemi intelligenti, machine learning e intelligenza artificiale fotonica.

M. Born & E. Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press
F. Gori, Elementi di Ottica, Accademia
K.D. Moller, Optics, Springer
G. Chartier, Introduction to Optics, Springer

Il corso si tiene sia in presenza che a distanza.
Le informazioni generali sul corso sono pubblicate nel sito web del Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria (SBAI) alla pagina del docente.
Di anno in anno il docente attiverà anche una pagina GOOGLE CLASSROOM del corso a cui gli studenti dovranno registrarsi con l’indirizzo di posta elettronica istituzionale Sapienza. Sulla pagina del corso saranno pubblicate tutte le comunicazioni tra docente e allievi, i link per la didattica a distanza nonché il materiale didattico che durante le lezioni sarà prodotto (copia di quanto scritto o proiettato durante le lezioni ed eventuali registrazioni video delle lezioni).
Il primo giorno di lezione a tutti i partecipanti sarà dato e spiegato il corso che sarà seguito.

la frequenza non è obbligatoria anche se è caldamente consigliata per poter comprendere pienamente gli argomenti del programma. Durante le lezioni è fatto uno sforzo particolare per spiegare tutti i passaggi matematici necessari per lo svolgimento dell'argomento.

Sarà valutata la capacità dello studente di ragionare sulle onde elettromagnetiche, di aver compreso i principali fenomeni della luce e saper discriminare tra loro in un caso reale presentato. La prova valutativa è composta da un colloquio orale.

Diffrazione della luce; Principio di Huygens-Fresnel; lenti sottili; materiali anisotropi