PHOTONICS

FIS/03 - 6 CFU - 2° semestre

Docenti titolari dell'insegnamento

SALVATORE MIRABELLA
Email: salvo.mirabella@dfa.unict.it
Edificio / Indirizzo: Via Santa Sofia 64
Telefono: 0953785438
Orario ricevimento: Lunedì dalle 09:00 alle 12:30 e Giovedì dalle 15:00 alle 18:00. Si consiglia di contattare il docente in anticipo. Impegni istituzionali o personali possono far slittare il ricevimento.
MARIA JOSÉ LO FARO
Email: mariajose.lofaro@ct.infn.it
Edificio / Indirizzo: Stanza 215 - 2° Piano - Edificio 6 - Dip. Fisica e Astronomia "E. Majorana", Via S. Sofia 64, CT
Telefono: 0953785341
Orario ricevimento: Martedì e Giovedì 9:00 - 11:00 al fine di ottimizzare l'uso del tempo, si consiglia comunque di contattareil docente in anticipo per verificare che impegni istituzionali o personali non lo costringano a spostare il ricevimento di un giorno specifico.


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.

Conoscenza e capacità di comprensione: Comprensione critica degli sviluppi più avanzati della Fisica Moderna sia negli aspetti teorici che di laboratorio e delle loro interconnessioni, anche in campi interdisciplinari. Adeguata conoscenza degli strumenti matematici e informatici avanzati di uso corrente nei settori della ricerca di base e applicata. Notevole padronanza del metodo scientifico, e comprensione della natura e dei procedimenti della ricerca in Fisica.

Capacità di applicare conoscenza : Capacità di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno, in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario, ed essere in grado di effettuare le approssimazioni richieste.

Autonomia di giudizio: Capacità di argomentare personali interpretazioni di fenomeni fisici, confrontandosi nell’ ambito di gruppi di lavoro. Sviluppo del senso di responsabilità attraverso la scelta dei corsi opzionali e dell'argomento della tesi di laurea.

Abilità comunicative: Capacità di comunicare in lingua italiana e in lingua inglese nei settori avanzati della Fisica.

Capacità di apprendimento : Capacità di acquisire adeguati strumenti conoscitivi per l'aggiornamento continuo delle conoscenze.Capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo prescelto che in campi scientificamente vicini. Capacità di utilizzare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarne informazioni e spunti atti a meglio inquadrare e sviluppare il proprio lavoro di studio e di ricerca. Capacità di acquisire, attraverso lo studio autonomo, conoscenze in nuovi campi scientifici.


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


Altro materiale didattico

L'eventuale materiale didattico verrà fornito a lezione e messo a disposizione sul web



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Gli argomenti presenti in programma, come trattati nel Saleh-Teich, sono irrinunciabili per il superamento dell'esameSaleh & 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




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