Propagazione in mezzi anisotropi e/o dispersivi. Propagazione di campi risonanti, interazione coerente. Equazioni del laser caso in continua e transiente. Funzionamento di laser a impulsi ultracorti. Polarizzazioni non lineari: effetti del secondo e del terzo ordine. Generazione di frequenza somma e differenza. Effetto Kerr ottico. Self phase modulation. Effetto acusto-ottico e elettro-ottico. Caratteristiche e misura di impulsi ottici. Generazione di armoniche di alto ordine
1) O.Svelto, ‘Principles of Lasers’, Springer, 1998
2) Y.R. Shen, ‘Nonlinear optics’, Wiley Interscience 1984
3) R. W. Boyd, ‘Nonlinear Optics’ Academic Press
4) Vidal: “Topics in Apllied Physics” pag 58-77
5) A. Yariv, ‘Quantum Electronics’ John Wiley & Sons
6) A. Siegman: “Lasers” University Science Books, California
Obiettivi Formativi
Conoscenza e comprensione di processi di ottica non lineare, interazione radiazione materia con particolare riguardo al LASER, propagazione della luce e sua modulazione per effetti ottici. Connessioni delle tematiche con temi di altri esami che lo studente ha incontrato ho incontrerà nel suo CdS. Capacità di applicare conoscenza e apprendimento con autonomia di giudizio. Il corso si prefigge, nei limiti di un corso universitario di laurea magistrale di stimolare le abilità comunicative e la capacità di apprendimento. Queste ultime saranno verificati in sede di esame.
Prerequisiti
Elettromagnetismo. Meccanica quantistica di base.
Metodi Didattici
Lezioni ed esercitazioni
Altre Informazioni
Contenuti didattici presenti su moodle
Modalità di verifica apprendimento
Esame solo orale di durate tipica di 50 minuti. L'orale è diviso in due parti: nella prima lo studente presenta un argomento del corso a sua scelta rispondendo a domande su particolari e approfondimenti, nella seconda viene posta una domanda principale su altre parti del corso con relative domande di approfondimento del tema sia da un punto di vista teorico che sperimentale-realizzativo.
Conoscenza degli argomenti esposti e richiesti sia da un punto di vista teorico che sperimentale/realizzativo, chiarezza di esposizione, autonomia di ragionamento e conoscenza dei saranno i principali criteri di giudizio dell'esame.
Programma del corso
Programma del corso di Elettronica Quantistica
1) Ottica non-lineare
Introduzione alla risposta non lineare.Modello di oscillatore anarmonico smorzato (2: 1.3).
Generazione non lineare come somma di oscillatori (*). Polarizzazione e risposta temporale. (*)
Trattazione dell’equazione delle onde per processi non lineari: fenomeni del secondo e terzo ordine. Caso di ampiezza costante nel tempo (2: 1.2 e 3.1).
Fenomeni del secondo ordine.
Approssimazione ampiezza lentamente variabile nello spazio (SVEA): equazioni accoppiate per la generazione di frequenza somma: caso a bassa efficienza di conversione, assorbimento, alta efficienza di conversione (2: 3.3,3.4, 6.3,6.6 ,6.7,*). Cenno alla soluzione senza SVEA. (se interessati al calcolo vedere 2: 6.4). Generazione frequenza differenza: amplificatore e oscillatore parametrico (2: 9.1, 9.4).
Ottimizzazione generazione non lineare (2: 9.1 e 9.4). Walk off spaziale. Generazione di frequenza somma in quasi accordo di fase (periodically poled crystals).
Estensione del formalismo al caso di impulsi: generazione di frequenza somma, walk off temporale (*). Misura di forma temporale di impulsi (*)
Fenomeni del terzo ordine: generazione di 3a armonica, mezzi e metodi per il raggiungimento dell’accordo di fase. Caso focheggiato. (4,*). Effetto Raman stimolato (2:10.3, 10.5 e *) Effetto Kerr ottico. Effetti spaziali nella propagazione: auto focheggiamento e defocheggiamento (*). Effetti temporali: self phase modulation (*), Optical gating.
Fenomeni non perturbativi fuori risonanza:
Generazione di armoniche di alto ordine: modello di Corkum. *
2) Propagazione e interazione radiazione materiai
Propagazioni in mezzi anisotropi. Birifrangenza e sua applicazione per lamine polarizzatori e per il raggiungimento dell’accordo di fase. (*). Propagazione in mezzo dispersivo: velocità di gruppo e sua dispersione. Effetti sulla forma temporale dell’impulso. (*)
Determinazione quantistica delle polarizzazioni non lineari (matrice densità) (2: 2.1,2.2) .
Effetto acusto-ottico e elettro-ottico e loro applicazioni (*, 5: 14.9, 3: 10.1-10.4) .
Caso non perurbativo in condizioni di risonanza.
Interazione della radiazione con un sistema a due livelli: soluzione esatta per il caso stazionario (5: 8.1,8.2). Spettro della radiazione emessa in campo forte nell’approccio di atomo vestito (*).
Propagazione di impulso in sistema risonante a due livelli: trattazione con matrice densità e equazioni delle onde (*):significato di propagazione superluminale e dei precursori. Cenni alla propagazione di impulso in presenza di un secondo campo laser: Elettromagnetically Induced Trasparency (*).
Passaggio da trattazione completa ad equazioni di bilancio (rate equations) per un sistema a due livelli. (*). Assorbimento guadagno e saturazione (*).
3) Laser
Considerazioni generali sul funzionamento del laser. Laser a tre e quattro livelli (*). Dal sistema a due alle equazioni del laser a 4 livelli: inclusione della cavità, del pompaggio e dell’emissione spontanea (1: 7.1, 7.2.1)
Funzionamento in regime continuo
Condizione di soglia, efficienza, accoppiamento ottimo (1: 7.3.1, 7.4.1, 7.5, * o 3 ). Caso di laser a soglia bassa (*). Oscillazioni su più modi: considerazione nel caso omogeneo e non omogeneo. Cenni su selezione di singolo modo e accordabilità (1: 7.6, 7.7, 7.8, *)
Comportamento transiente: oscillazioni di rilassamento (1: 8.2).
Laser impulsati
Funzionamento Q-switching (1: 8.4). Laser impulsati ultracorti: mode locking: teoria e modalità di funzionamento. Modulazione attiva: modulatore acusto ottico. Aggancio dei modi: approccio temporale e in frequenza (5: pag. 548 e seguenti e 6: 27.5-27.6 integrati in *). Modulazione passiva: assorbitore saturabile e ‘Kerr-lens mode locking’. (1). Cenni su risoluzione spettrale.
Riferimenti:
*) Appunti da lezione.
1) O.Svelto, ‘Principles of Lasers’, Springer, 1998
2) Y.R. Shen, ‘Nonlinear optics’, Wiley Interscience 1984
3) R. W. Boyd, ‘Nonlinear Optics’ Academic Press
4) Vidal: “Topics in Apllied Physics” pag 58-77
5) A. Yariv, ‘Quantum Electronics’ John Wiley & Sons
6) A. Siegman: “Lasers” University Science Books, California