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FotonicaOnde radioSpettro elettromagnetico
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< 0.01 nm> 1018 Hzraggi γ
1 – 0.01 nm3 × 1017 ‐ 3 × 1019 Hzraggi X
50 – 1 nm6 × 1015 ‐ 3 × 1017 Hzraggi X molli
200 – 50 nm1500 – 6000 THzultravioletto da vuoto
0.4 – 0.2 μm750 – 1500 THzultravioletto (UV)
0.75 – 0.4 μm400 – 750 THzvisibile
100 – 0.75 μm3 – 400 THzinfrarosso
3 – 0.1 mm0.1 – 3 THzonde millimetriche
30 cm – 0.3 cm1 – 100 GHzmicroonde
1 m – 30 cm0.1 – 1 GHzfrequenze ultra‐alte (UHF)
10 – 1 m30 – 300 MHzfrequenze molto alte (VHF)
100 – 10 m3 – 30 MHzalte frequenze (HF)
1 km – 100 m0.3 – 3 MHzfrequenze radio
10 km – 1 km30 – 300 kHzbasse frequenze
> 10 km< 30 kHzfrequenze ultra‐basse
Lunghezze d’ondaFrequenzeDescrizione
Spettro elettromagnetico
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IR UV
Radiazione visibile
620 – 750 nmrosso
590 – 620 nmarancione
570 cm – 590 nmgiallo
495 m – 570 nmverde
450 – 495 nmblu
400 – 450 nmvioletto
Lunghezze d’ondaColori
Sensibilità occhio umano
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• Sorgenti di lucePrincipio di funzionamento di LED, laser e amplificatori ottici. Laser a statosolido ed a semiconduttore: strutture, caratteristiche elettriche e ottiche, proprietà geometriche e spettrali dell’emissione, fasci gaussiani, confronto tralaser e sorgenti convenzionali.
• Ottica: principi, componenti, dispositiviRiflessione e rifrazione. Strati dielettrici, prismi, interferometro di Fabry‐Perot. Diffrazione di Fresnel e Fraunhofer. Onde gaussiane. Reticoli. Anisotropia ottica: birifrangenza, potere rotatorio. Polarizzatori. Matrici di Jones
• Dispositivi optoelettroniciModulatori elettro‐ottici. Modulatori acusto‐ottici. Modulatori a elettroassorbimento. Isolatori magneto‐ottici. Cenni ai fotorivelatori
• Fibre ottichePrincipio di funzionamento, modi di propagazione, attenuazione, dispersione, classificazione per tipi, parametri descrittivi geometrici e ottici, cenno allatecnologia. Amplificatori e laser in fibra. Reticoli di Bragg in fibra. Cenno allecomunicazioni ottiche.
Programma del corso
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Onde elettromagnetiche
Onda elettromagnetica trasporta energia e quantità di moto.Le descriviamo tramite un campo elettrico e un campo magnetico che oscillano accoppiati e sono funzioni del tempo e dello spazio E(r,t) e B(r,t)
Onda sferica
E = Eocos(ωt‐kz + φ) E = Eoexp(i(ωt‐kz + φ))
B = Bocos(ωt‐kz + φ) B = Boexp(i(ωt‐kz + φ))
E = (Eo/r)exp(‐i(ωt‐kr + φ))
B = (Bo/r)exp(‐i(wt‐kr + φ))
Onda piana
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Onde elettromagnetiche piane
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Onde elettromagnetiche piane
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Come descriviamo un’onda viaggiante?
spazioAmpiezza
Lunghezza d’onda λ
Fotografia dell’onda ad un istante t1
v
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spazio
Fotografia dell’onda ad un istante t2
Come descriviamo un’onda viaggiante?
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spazio
Fotografia dell’onda ad un istante t3
Lunghezza d’onda λ
L’intervallo di tempo che tra t1 e t3 si chiama PERIODO dell’onda TIn un periodo un’onda percorre uno spazio pari alla lunghezza d’onda λ
Se chiamiamo V la velocità con cui viaggia l’onda otteniamo: λ = vT
Come descriviamo un’onda viaggiante?
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spazioAmpiezza
Lunghezza d’onda λ
Cosa succede se osserviamo per un tempo lungo l’onda in un punto dello spazio?
xo
L’andamento del punto azzurro descrive l’onda nel tempo nel punto xo
Come descriviamo un’onda viaggiante?
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tempoAmpiezza
Periodo T
Cosa succede se osserviamo per un tempo lungo l’onda in un punto dello spazio?
La frequenza dell’onda è il numero di oscillazioni che l’onda compie in 1 secondo
f = 1 /T da cui fλ = c
La frequenza si misura in Hertz (Hz)
Come descriviamo un’onda viaggiante?
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Intensità e potenza
Intensità luminosa istantanea (Watt/m2) . Vettore di Poynting
S = E × H
Intensità mediata sul periodo I = ½ cεoEo2
Potenza (Watt): Intensità integrata sull’area
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flusso di energia
energia
onde
energia
fotonifotoniOgni fotone porta anche una
quantità di moto
L’energia trasportata nello spazio che ci circonda dalle onde elettromagnetiche in certi casi è meglio descritta come un flusso di particelle senza massa chiamati fotoni ciascuno delle quali trasporta una energia pari a :
dove h è nota come costante di Plank e ν è la frequenza dell’onda.
h = 6,62 × 10‐34 Js
Fotoni
Energia = hν = hω
p = hν/c = hk
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Spettro elettromagnetico
Onda monocromatica
Trasformata di Fourier
tempo frequenzaν
tempo
Trasformata di Fourier
frequenzaν
Onda generica
∫∞
∞−
ω−ω= )tiexp()(A)t(E
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Sorgenti termiche
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Sorgenti termiche
Uomo
ρ(ν,T) = 8πhν3
c31
exp(hν/kBT) ‐1
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Sorgenti a fluorescenza
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Sorgenti a LED
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Direzionalità: fascio altamente direzionale, avendo un diametro limitato (tipicamente 1 mm) deve necessariamente allargarsi nella propagazione (diffrazione), apertura angolare (divergenza) di frazioni di milliradiante.
Spettro di frequenza: idealmente la luce emessa dal laser dovrebbe contenere una solafrequenza (lo spettro è una delta di Dirac), in realtà c’è sempre un allargamento nonnullodovuto sia alle fluttuazioni quantistiche che al rumore ambientale. In pratica l’allargamento spettrale di un laser nel visibile può essere dell’ordine del kHz.
Coerenza: la luce emessa è coerente, nel senso che il campo elettrico oscilla con la stessa fase in tutti i punti del fronte d’onda. Questa proprietà è estremamente importante per le applicazioni, perché permette di focalizzare il fascio laser su un’area avente dimensione paragonabile alla lunghezza d’onda (lettore di CD e DVD, lavorazioni meccaniche).
Profilo di intensità: l’intensità luminosa è massima sull’asse del fascio, e decresce allontanadosi dall’asse seguendo un profilo gaussiano.
Proprietà della luce laser
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Comunicazioni ottiche
Distribuzione fibre ottiche transoceaniche
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Memorie ottiche / codici a barre
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Memorie ottiche / codici a barre
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Lavorazioni meccaniche
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The main advantages of lasers for material processing are:•Very high accuracy in the final processed products that can be obtained without the need for polishing. •No wearing of mechanical tools. Mechanical tools change their dimensions during the working process, and require constant measurements and feedback to adapt their position to original plan in computerized instrumentation.
Material processing include many kinds of processes. A partial list include:
•Cutting ‐ The laser can be a very precise cutting tool. High power lasers are used for cutting steel, while other lasers are used to cut fabrics, rubber, plastic, or any other material.
•Welding ‐ Combining (fusing) two materials together. By heating the materials near the connecting region, the materials melt locally, and fuse together.
•Hardening ‐ By heating specific areas of the material, most metals can be hardened most of the metals. Even local hardening of specific part of a tool can be done by local irradiation.
•Melting ‐ Absorption of laser beams caused a rise in temperature. Since very high power can be transferred to materials in a very short time, melting can be easily done.
•Evaporating ‐ Used to ablate material (transfer it into the gas phase).
Lavorazioni meccaniche
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•Photolithography ‐ specially in the semiconductor industry. Very delicate shapes can be created in materials which are used for masks in photolithography. Special materials respond to light at specific wavelength by changing their properties. Thus it is possible to remove parts of the material with very high precision (in micrometer range).
•3‐D Laser measurements ‐ With the help of a scanning laser, it is possible to obtain theinformation about a shape of a three‐dimensional object and put it in the computer.••3‐D Stereo lithography ‐ Similar to photolithography, but the laser is used to create three dimensional sculpture of the information stored within a computer. A combination of the last two applications enable creating 3‐D models. Even statue of people were built with high accuracy using these techniques.
Applicazioni industriali
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Laser radar: triangolazione
Tempo di voloMisure e sensoristica
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Applicazioni delle tecniche interferometriche
InterferometriaInterferometria laserlaser
s s ≈≈ 11--100 km100 km• telemetria spaziale di satelliti geodeticis s ≈≈ 100 m100 m• rilievi terrestri• vibrometria per grandi strutture edilis s ≈≈ 1 m1 m• metrologia di lunghezza (e grandezze
derivate)• gravimetri geodeticis s ≈≈ 0.1 m0.1 m• captazione motilità biologiche e flusso
sanguigno
ImpieghiImpieghi scientificiscientificiImpieghiImpieghi tecnicitecnici
AvioniciAvionici• giroscopi RLG
e FOG
IndustrialiIndustriali• interferometri per
metrologia meccanica• velocimetri Doppler• ESPI (speckle-pattern)• analisi di vibrazioni• sensori a fibra ottica
Misure e sensoristica
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Medicina e biologia
Strumenti di monitoraggio
pulsossimetro
endoscopio
chirurgia
Nuove tecniche di microscopia
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Fotovoltaico
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Circuiti otticiCircuiti otticiSCOPO:SCOPO: Sviluppo di circuiti integrati in cui l’informazione venga trasmessa tramite la luce invece che tramite la corrente elettrica. Computer e trasmissione super veloci di prossima generazione