LASER E OTTICA QUANTISTICA

L’insegnamento è una delle attività formative a libera scelta del Corso di Laurea in Ingegneria Fisica e consente allo studente di acquisire la conoscenza e la comprensione dei concetti fondamentali e applicativi nell’ambito dei laser e dell’ottica quantistica.

L'obiettivo dell’insegnamento è duplice. Da un lato, fornire conoscenze sui principi di funzionamento dei laser, sia dal punto di vista fisico (con elementi di ottica quantistica), che ingegneristico, con richiami di ottica geometrica e di teoria del controllo, applicati ai tipi di laser più comuni. Dall’altro lato, di fornire i fondamenti teorici e sperimentali dell’ottica quantistica, con esempi di applicazioni nell’ambito dell’ingegneria dell’informazione.

Al termine del corso, gli studenti e le studentesse saranno in grado di descrivere e modellare il funzionamento di un laser, sia dal punto di vista fisico che ingegneristico, e avranno acquisito le basi dell’ottica quantistica nel linguaggio del formalismo di Dirac, applicandolo a realizzazioni sperimentali.

1. Conoscenza e capacità di comprensione
Conoscere e comprendere le leggi dell’ottica quantistica la loro importanza nello sviluppo tecnologico
Comprendere il metodo scientifico e la sua rilevanza nello studio dei fenomeni naturali e nel pensiero critico
Comprendere l’importanza della cultura scientifica nei processi di innovazione delle tecnologie moderne

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Usare la matematica necessaria per descrivere i fenomeni naturali
Applicare le leggi dell’ottica quantistica, per arrivare ad una comprensione dei fenomeni naturali e di raggiungere una visione organica della realtà fisica

3. Autonomia di giudizio
Saper valutare la consistenza logica dei risultati, sia in ambito teorico sia nel caso di dati sperimentali.
Saper riconoscere eventuali errori tramite un’analisi critica del metodo applicato

4. Abilità comunicative
Saper comunicare le conoscenze apprese utilizzando una terminologia appropriata, sia in ambito orale sia scritto
Saper interagire con il docente e con i colleghi di corso in modo rispettoso e costruttivo, in particolare durante i lavori realizzati in gruppo

5. Capacità di apprendimento
Saper prendere appunti, selezionando e raccogliendo le informazioni a seconda della loro importanza e priorità
Saper essere sufficientemente autonomi nella raccolta di dati e informazioni rilevanti alla problematica investigata

L'insegnamento non ha propedeuticità formali, ma dà per scontati molti dei concetti trattati nei corsi di Analisi Matematica 1 e 2 (derivate e integrali ad una e più variabili), Algebra Lineare (spazi vettoriali e operazioni tra vettori, equazioni agli autovalori), Metodi Matematici per la Fisica e l'Ingegneria (formalismo hamiltoniano), Fisica 1 (moto armonico classico), Fisica 2 (equazione delle onde), di Fondamenti di Telecomunicazioni (trasformate di Fourier) e di Automatica (stabilità di un sistema) e di Meccanica Quantistica (oscillatore armonico quantistico e formalismo di Dirac).

1. Fondamenti di fisica quantistica e principio di funzionamento del laser
Probabilità di transizione ed elementi di matrice
Struttura a modi dello spazio e quantizzazione del campo elettromagnetico
Inversione di popolazione e feedback
Equazioni dinamiche spettroscopiche

2. Risonatori ottici
Richiami di ottica geometrica
Risonatori lineari
Struttura dei modi e distribuzione di intensità
Fascio gaussiano

3. Esempi di laser e applicazioni
Laser a gas: He-Ne
Laser a stato solido: il titanio in zaffiro
Generazione di impulsi corti e ultracorti tramite Q-switching e compressione di impulso
Cenni su laser in fibra ottica

4. Quantizzazione del campo elettromagnetico
Quantizzazione di singolo modo
Quantizzazione multimodo
Fluttuazioni del vuoto ed energia di punto zero

5. Beam splitter e interferometri
Esperimenti a singolo fotone con beam splitter
Interferometria a singolo fotone
Formalismo di Heisenberg
Dualità e complementarità onda-particella

6. Applicazioni dell’ottica quantistica
Generazione quantistica di numeri casuali (QRNG)
Distribuzione di chiave quantistitca (QKD)
Entanglement quantistico: principio e applicazioni

Eichhorn, Laser Physics from Principles to Practical Work in the Lab, Springer
Gerry and Knight, Introductory Quantum Optics, Cambridge University Press

Il raggiungimento degli obiettivi di apprendimento viene valutato attraverso la partecipazione alle attività di lavoro di gruppo, alle esercitazioni assegnate in classe, un esame finale scritto ed una prova orale.

L'esame scritto finale è composto da problemi simili a quelli svolti in classe durante il lavoro di gruppo. Durante il compito non è consentito l'uso di appunti, libri e altro materiale didattico. Un fac-simile del compito sarà reso disponibile prima dell'esame scritto.

Gli studenti frequentanti le lezioni possono accumulare ulteriori punti partecipando ai quiz e alle esercitazioni proposte in classe. Il bonus verrà aggiunto al voto del compito scritto.

Seminari: limitate lezioni frontali, lavoro di gruppo (peer-teaching, problem solving)
Esercitazioni: lavoro di gruppo (peer-teaching, problem solving)

Italiano

scritto e orale

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Cambiamento climatico e energia" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile