Didattica - Università degli Studi di Padova

Syllabus

Prerequisiti:	Il Corso richiede come prerequisiti i concetti contenuti nel Corso di Fisica Generale 1 e 2. Sono di aiuto le conoscenze fornite nei Corsi che trattano di Onde Elettromagnetiche e di Struttura della Materia.
Conoscenze e abilita' da acquisire:	Le proprietà della luce sono al centro di tecnologie affermate quali la Fotonica per le Telecomunicazioni o i processi laser in Medicina e nell'Industria, come sono cruciali per settori emergenti come la generazione Fotovoltaica dell'energia o le Comunicazioni Quantistiche. Risulta quindi strategica la conoscenza di un linguaggio per comprendere come generare ed applicare la luce, su quali principi operano il laser e le sorgenti termiche di radiazione, tra cui il Sole e le sorgenti convenzionali, e come si propagano i fasci ottici, come si possono trasformare e impiegare in molti settori. Il Corso di Ottica Quantistica e Laser ha lo scopo di avvicinare gli studenti ai concetti sui quali operano i laser, alle caratteristiche dei diversi tipi di luce, classica, coerente, quantistica, all'interazione tra radiazione e materia, a come i principi dell'azione laser si possano realizzare in modalità assai diverse e a come sfruttarli. Il Corso propone inoltre un avvicinamento ai metodi dell'Ottica Quantistica per una comprensione dell'origine dei fenomeni radiativi e un avvicinamento alle tecnologie quantistiche, attualmente di grande interesse e sviluppo.
Modalita' di esame:	Durante il Corso si tengono tre compitini che coprono sia aspetti teorici che problemi numerici e che permettono di spezzare il programma e possono sollevare dall'obbligo dalla prova orale se la valutazione finale è superiore a 23/30. In alternativa, l'esame del Corso viene superato con una prova scritta e una prova orale su tutto il programma. Viene richiesto un breve report per ogni attività di Laboratorio.
Criteri di valutazione:	Lo Studente viene valuto sotto diversi aspetti: 1) la conoscenza dei concetti chiave del programma, 2) la capacità di risolvere dei problemi numerici relativi al i temi del Corso e che rappresentino casi ed applicazioni significative per la comprensione. 3) l'elaborazione di alcune significative osservazioni fatte in Laboratorio.
Contenuti:	Oltre alle lezioni in Aula, il Corso prevede delle lezioni in Laboratorio, per comprendere con l'osservazione i fenomeni e familiarizzarsi con gli Strumenti e le Sorgenti Laser. Oltre al Laboratorio Didattico di Ottica e Laser, ove gli Studenti svolgeranno delle sperimentazioni, sono attivi anche il Laboratori di Comunicazione Quantistica e il Laboratorio di Ottica Adattiva, nei quali si svolgeranno delle dimostrazioni. Il Corso è diviso sostanzialmente nelle parti seguenti: 1. Proprietà dei quanti di luce, o fotoni, e della statistica della radiazione. Descrizione della luce classica e coerente introducendo i metodi dell'Ottica Quantistica e i principi di quantizzazione della radiazione. Laboratorio sulle statistiche del fotone e generazione di numeri casuali sulla base di processi quantistici che utilizzano rivelatori di fotoni singoli. 2. Generazione e propagazione di fasci ottici. Discussione delle proprietà dei fasci Gaussiani, e dei modi di ordine superiore, fasci con momento angolare orbitale (OAM) della luce. Risuonatori ottici. Argomenti avanzati: concetti e metodi di ottica adattiva e della fotonica integrata. Laboratorio sulla stima dei parametri di un fascio e sugli effetti di diffrazione. Dimostrazione di modi di alto ordine con OAM. Laboratorio di ottica adattiva. 3. Principi del laser. Generazione di radiazione con emissione spontanea e stimolate. Elettronica quantistica e luminescenza. Pompaggio ottico. Guadagno ottico. Saturazione del guadagno. Rumore di radiazione. Concetto di azione laser. Differenza di realizzazione del laser. Generazione di impulsi luminosi. Tecniche per raggiungere domini nanosecondi, pico, femto e attosecondi. Laboratorio sulle sorgenti laser. Laboratorio di generazione e misura di impulsi ultraveloci. 4. Applicazioni. Principi di interazione laser-materia. Focus sulle tecnologie laser per fotovoltaico. Introduzione ai temi della Quantum Information. Focus sulle comunicazioni Quantum. I concetti e le applicazioni saranno costantemente associati e discussi nel Corso, sia in classe che nei Laboratori. Apprendere come la conoscenza e l'elaborazione dei concetti di generazione e controllo della luce hanno già fornito nuove idee e applicazioni in molti settori viene proposto come lo stimolo per produrne di nuove.
Attivita' di apprendimento previste e metodologie di insegnamento:	Le finalità didattiche del Corso sono rivolte ad attivare aspetti diversi: 1) per sviluppare processi di apprendimento autonomi nel campo della generazione e applicazione della luce e delle sorgenti laser. Questo non solo sulla base del programma standard ma in forza anche di Focus didattici su tematiche attuali e di particolare interesse e con l'esempio di casi di successo di trasferimenti tecnologici e di spin-off. 2) di garantire un’offerta formativa personalizzabile, in particolare fornendo allo Studente si metodi prevalentemente teorici sia sperimentali come spunto per l'approfondimento. 3) di promuovere e consolidare l’interesse e la motivazione degli studenti verso il settore della Fotonica, dei laser e delle moderne tecnologie ottiche dell'Informazione, che sono cruciali per il progresso del Paese. Dei moduli Python verranno utilizzati come strumenti didattici per la l'Ottica Quantistica, fornendo una rapida accesso alla trattazione simbolica, agli esempi numerici e alle animazioni grafiche.
Eventuali indicazioni sui materiali di studio:	l Corso fornisce dei materiali di studio ausiliari al libro di testo e rivolti a coadiuvarne i contenuti e a stimolare l'interesse e la comprensione. Questi comprendono: 1) pubblicazione scientifiche e descrizioni tecniche di interesse per aspetti specifici, come ultime scoperte o articoli "classici" di un settore. 2) programmi di calcolo per la modellizzazione di equazioni e processi trattati nel Corso.
Testi di riferimento:	Saleh, Teich, Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. --: Wiley, 2007.