Catalogo dei Corsi di studio

Il corso ha come obiettivo di introdurre alla fisica della luce e delle onde elettromagnetiche e alla loro applicazione tecnologica. Partendo dalle equazioni di Maxwell, il corso introduce le onde elettromagnetiche e le loro soluzioni in termini di onde piane o sferiche. Particolare attenzione è data all’interpretazione dell’indice di rifrazione in chiave microscopica, come interazione attiva e reattiva dei dipoli di polarizzazione con il campo elettromagnetico. Questo approccio ha come obiettivo di spiegare il rallentamento della luce nei mezzi, dando gli strumenti culturali per comprendere tutti gli effetti lineari e nonlineari di interazione tra la luce e i materiali.

Il corso quindi analizzerà la riflessione e rifrazione della luce e tutti i fenomeni associati, parte fondamentale per la comprensione sia di come agiscono i diversi dispositivi ottici attualmente utilizzati (specchi, lenti, sistemi ottici complessi, fibre ottiche). Il corso introduce alle problematiche legate ai pannelli solari e alla conversione dell’energia solare. Gli aspetti ondosi della luce saranno analizzati sia relativamente all’interferenza e ai risonatori ottici, sia relativamente alla diffrazione, introducendo il principio di Huygens-Fresnel e le sue applicazioni in campo vicino e in campo lontano. Questi studi permetteranno di introdurre i concetti base della nano-ottica e le tecniche di simulazione associate.

La parte finale del corso introdurrà ai materiali nonlineari e ai fenomeni associati. Sarà discussa l’ottica nonlineare del secondo e del terzo ordine. Particolare attenzione sarà rivolta ai fenomeni del secondo ordine sia di natura catalitica (generazione di seconda armonica e generazione di armonica differenza) sia di natura rifrattiva (effetto Kerr e fotorifrattività). Sfruttando le nonlinearità fotorifrattive sarà mostrato come possono essere prodotti circuiti neuromorfi la cui risposta ha un comportamento simile ai neuroni biologici. Tali circuiti neurali sono in grado di riconoscere informazioni codificate otticamente (machine learning) e memorizzarle (memorie RAM e ROM). I circuiti neuromorfi sono gli elementi base per costruire una Intelligenza Artificiale Fotonica hardware.

Programma

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.

Testi adottati

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

Prerequisiti

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.

Modalità di frequenza

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.

Modalità di valutazione

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.

Data inizio prenotazione	Data fine prenotazione	Data appello
27/09/2021	07/06/2022	10/06/2022
27/09/2021	08/07/2022	11/07/2022
27/09/2021	07/09/2022	12/09/2022
23/09/2022	23/10/2022	29/10/2022