PHOTONICS

FIS/03 - 6 CFU - 2° semestre

Docenti titolari dell'insegnamento

FELICE TORRISI
Email: felice.torrisi@unict.it
Edificio / Indirizzo: Secondo piano - Edificio 6 – Dipartimento di Fisica e Astronomia "E. Majorana", Via S. Sofia 64, 95123, Catania
Orario ricevimento: Martedi' e Giovedi' 9:00 - 11:00 (si consiglia comunque di contattare il docente in anticipo per verificare che impegni istituzionali o personali non lo costringano a spostare il ricevimento di un giorno specifico)
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.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.


Prerequisiti richiesti

Sono indispensabili nozioni di: elettromagnetismo e meccanica quantistica. Sono importanti conoscenze di base sulla fisica dei semiconduttori.



Frequenza lezioni

La frequenza è obbligatoria.



Contenuti del corso

Interazione Radiazione Materia

Interazione Radiazione-Materia - Assorbimento, Emissione spontanea e stimolata – Rate equation e probabilità – Larghezza naturale di riga – Trattazione di Einstein del Corpo Nero –

Amplificazione Ottica

Inversione di popolazione – Principi base di amplificazione ottica - Processo di saturazione del guadagno – Sistemi a 3 e 4 livelli – Guadagno ottico - Laser - Cavità di Fabry- Perot – Modi di cavità – Finesse

Laser Atomici

Funzionamento di alcuni specifici tipi di laser: il maser ad ammoniaca, il laser al rubino, il laser al neodimio, il laser ad elio-neon.

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

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

LED a semiconduttore

LED con semiconduttori III-V e II-VI – Efficienza di estrazione – Terre rare - LED al Si:Er – Quantum dots e quantum wires - LED a nano ed eterostruttura

Laser a semiconduttore

Guadagno ottico nei semiconduttori – Diodo Laser – Laser ad eterostruttura - VCSEL – Laser a bassa dimensionalità

Laser impulsati e ultraveloci

Q switching - Mode-locking

Altri dispositivi fotonici: Rivelatori di Luce

Rivelatori di fotoni – Rivelatori a singolo fotone - Efficienza quantica

Raman scattering e SERS

Trasporto elettronico e ottico in materiali disordinati

Regime ballistico - diffusivo - localizzato.



Testi di riferimento

  1. Saleh & Teich, Fundamentals of Photonics, John Wiley & Sons Inc.
  2. O. Svelto, Principles of Lasers, Plenum Press
  3. J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson, J.N. Winn, R.D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light, Princeton University Press
  4. S.G. Johnson, J.D. Joannopoulos, Photonic Crystals: The Road from Theory to Practice,
  5. W. Cai & V. M. Shalaev, Optical Metamaterials. Springer
  6. L. Novotny & B. Hecht, Principles of Nano-Optics, Cambridge University Press
  7. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons Inc.
  8. Kluwer V.V. Mitin, V.A. Kochelap, M.A. Stroscio, Quantum Heterostructures: Microelectronics and Optoelectronics.
  9. P. Sheng, Introduction to Wave Scattering, Localization and Mesoscopic Phenomena, Springer, New York, 2nd ed.
  10. E. Akkermans & G. Montambaux, Mesoscopic Physics of Electrons and Photon, Cambridge University Press

Altro materiale didattico

Il materiale didattico verrà tramite le pagine Studium e Microsoft Teams del corso.

http://studium.unict.it/​

Pagina di Photonics su Microsoft Teams



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Amplificazione Ottica; Laser Atomici1,2 
2Guide d’onda
3Cristalli Fotonici 3, 4  
4Plasmonica
5Metamateriali
6LED a semiconduttore Introduzione alle giunzioni di semiconduttori, giunzione p-n, LED con semiconduttori III-V e II-VI 2,7 
7LED a semiconduttore Efficienza di estrazione, Terre rare, LED al Si:Er, Quantum dots e quantum wires, LED a nano ed eterostruttura2,7 
8Laser a semiconduttore Guadagno ottico nei semiconduttori, Diodo Laser, Laser ad eterostruttura2,7 
9Laser a semiconduttore: VCSEL, Laser a bassa dimensionalità2,7 
10Laser impulsati e ultraveloci Q switching, Mode-locking
11Altri dispositivi fotonici: Celle Solari e Rivelatori di Luce Celle solari, Rivelatori di fotoni, Rivelatori a singolo fotone, efficienza quantica
12Raman scattering e SERS
13Trasporto elettronico e ottico in materiali disordinati: regime ballistico, regime diffusivo e localizzato.9,10 


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

L'esame consiste in una prova orale composta da una presentazione sviluppata dallo studente su un argomento inerente il programma del corso e concordato con i docenti. Prendendo spunto dalla presentazione sviluppata dallo studente, seguiranno domande sulla restante parte del programma. La valutazione terrà conto del livello di approfondimento dell'argomento, della conoscenza degli argomenti di base, della proprietà di linguaggio, della chiarezza espositiva, della capacità di individuare applicazioni anche interdisciplinari.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

APPELLI D’ESAME

Per la prova orale sono fissati 2 appelli nel I periodo di sessione di esami, 2 appelli nel II periodo di sessione di esami e 2 appelli nel III periodo di sessione di esami.

Sono inoltre fissati 2 appelli riservati a studenti fuori corso e ritardatari (comma 5 e 5 bis del regolamento didattico d’ateneo) durante la sospensione della attività didattica, generalmente nel periodo aprile/maggio oppure novembre/dicembre.

Non sono previsti ulteriori appelli oltre quelli approvati dalla segreteria didattica.

Consultare il Calendario di Esami al sito: https://www.dfa.unict.it/corsi/LM-17/esami.


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

Esempio di domanda 4: Discutere il trasporto in un materiale cristallino, policristallino e amorfo.




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