PHOTONICS

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.

Amplificazione Ottica e Laser Atomici (10h)

Interazione radiazione-materia - Assorbanza, emissione spontanea e stimolata - Coefficienti di Einstein e radiazione di corpo nero; Guadagno ottico e equazione della velocità – Amplificazione e saturazione ottica in sistemi a 3 e 4 livelli; Principi di Lasing - Cavità di Fabry-Perot – Finezza e modi ottici; Laser di tipo atomico: maser NH3 - Laser Ruby – Laser Nd – Laser He-Ne.

Guide d'onda e fibre ottiche (8h)

Guide d'onda ideali e guide d'onda planari dielettriche - Accoppiamento ottico, commutazione, interferometri e modulatori Fibre ottiche - attenuazione e dispersione - amplificazione in fibre ottiche Materiali per comunicazioni ottiche e applicazioni biofotoniche

Laser e LED a semiconduttore e principali materiali fotonici (8h)

Guadagno ottico nei semiconduttori - Diodi laser – Laser eterostrutturati – Laser a cascata quantistica Principi e fondamenti di funzionamento dei diodi a emissione di luce (LED); Materiali Lasing: Laser e LED basati su semiconduttori III-V e II-VI; Terra rara; nanodispositivi optoelettronici basati su punti quantici, fili quantistici ed eterostrutture, cristalli ottici per oscillatori di parametri ottici (OPO) per quasi continui e laser sintonizzabili. Laser impulsati e ultraveloci, Q switching - Mode-locking.

Rivelatori, LED, Celle Solari e Sensori (10h)

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

 Propagazione della luce in cristalli fotonici, metamateriali e strutture disordinate (6h)

Principi di funzionamento della propagazione della luce in strutture periodiche ordinate di diversa dimensionalità – Nanocavità – Effetto Purcell – Laser a Cristallo Fotonico – Metamateriali; Strutture fotoniche quasiperiodiche e disordinate: trasporto della luce ed effetto di interferenza; Materiali per la biofotonica e applicazioni nel calcolo ottico.

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

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.

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