Fotonica

Ilaria Cristiani

Ilaria.cristiani@unipv.it

Studio piano F – dip elettronica

FotonicaOnde radioSpettro elettromagnetico

< 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

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

• 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

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

Onde elettromagnetiche piane

Onde elettromagnetiche piane

Come descriviamo un’onda viaggiante?

spazioAmpiezza

Lunghezza d’onda λ

Fotografia dell’onda ad un istante t1

v

spazio

Fotografia dell’onda ad un istante t2

Come descriviamo un’onda viaggiante?

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?

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?

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?

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

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 

Spettro elettromagnetico

Onda monocromatica

Trasformata di Fourier

tempo frequenzaν

tempo

Trasformata di Fourier

frequenzaν

Onda generica

∫∞

∞−

ω−ω= )tiexp()(A)t(E

Sorgenti termiche

Sorgenti termiche

Uomo

ρ(ν,T) = 8πhν3

c31

exp(hν/kBT) ‐1

Sorgenti a fluorescenza

Sorgenti a LED

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

Comunicazioni ottiche

Distribuzione fibre ottiche transoceaniche

Memorie ottiche / codici a barre

Memorie ottiche / codici a barre

Lavorazioni meccaniche

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

•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

Laser radar: triangolazione

Tempo di voloMisure e sensoristica

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

Medicina e biologia

Strumenti di monitoraggio

pulsossimetro

endoscopio

chirurgia

Nuove tecniche di microscopia

Fotovoltaico

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