Didattica - Università degli Studi di Padova

Syllabus

Prerequisiti:	Aver frequentato il corso di Fisica 2
Conoscenze e abilita' da acquisire:	L’ottica è una scienza chiave nelle tecnologie all’avanguardia, quali l’imaging e il display, le comunicazioni, la metrologia senza contatto, le biotecnologie e le analisi in campo medico, le nanotecnologie, il telerilevamento e i processi industriali. In particolare oggi l'ottica gioca un ruolo fondamentale nei vari rami dell’ingegneria dell'informazione, come la memorizzazione, l’elaborazione, la trasmissione, la generazione e analisi di dati. Partendo dai principi fondamentali dell’ottica, gli studenti verranno guidati verso la conoscenza delle sue più moderne applicazioni nel campo della dell'ingegneria dell’informazione. Verranno in contatto anche con innovazioni tecnologiche all’avanguardia, come quelle che discendono da un controllo senza precedenti del singolo fotone di luce e dei processi luce-materia. Gli studenti costruiranno alcuni dimostratori e dispositivi in laboratorio.
Modalita' di esame:	Lo studente dovrà produrre cinque elaborati relativi ad altrettanti esperimenti svolti in laboratorio. L’orale verterà sulla discussione degli elaborati prodotti.
Criteri di valutazione:	Qualità delle relazioni prodotte. Comprensione dei fenomeni fisici alla base degli esperimenti presentati nelle relazioni. Conoscenza delle metodologie e delle tecniche di laboratorio utili a ripetere gli stessi esperimenti in modo autonomo. Elaborazione personale dei dati acquisiti.
Contenuti:	Nel corso verranno affrontati specifici argomenti relativi all’applicazione delle tecnologie ottiche nelle diverse aree dell’ingegneria, dalla memorizzazione, alla elaborazione, alla trasmissione, alla generazione e analisi dei dati. In relazione a ciascuna branca, verranno prima affrontati argomenti di ottica fondamentale, quali la propagazione della luce, la teoria dei laser, l’interferenza, la diffrazione, la polarizzazione e la quantizzazione della luce, in modo da fornire una conoscenza di base utile alla comprensione delle applicazioni avanzate. Quindi verranno presentati esempi di tecnologie finali come ad esempio l'olografia per la memorizzazione dei dati, l'elaborazione delle immagini, la comunicazione quantistica in spazio libero, dispositivi di sensing e generatori quantistici di numeri casuali. Di seguito è riportato il programma nello specifico. Introduzione: sicurezza laser. Modelli di propagazione della luce. Sorgenti laser e le loro proprietà di coerenza. In laboratorio: manipolazione del fascio laser e formazione dell'immagine con componenti ottici di base Memorizzazione dell’informazione: interferenza della luce e interferometri. Interferenza ottica come principio fisico per realizzare un ologramma. Olografia per la memorizzazione dei dati. Configurazioni ottiche per la registrazione e la ricostruzione di un ologramma. Gli ologrammi nella sicurezza. In laboratorio: realizzazione di un interferometro per la fotolitografia laser. Realizzazione di un ologramma Elaborazione dell’informazione: l'ottica di Fourier nella formazione ed elaborazione delle immagini. La diffrazione in campo di Fraunhofer in ottica di Fourier. Analisi in frequenza spaziale e filtraggio ottico. Filtraggio ottico applicato alla realizzazione di circuiti integrati con metodo fotolitografico. Correlazione ottica e sua applicazione nel campo della sicurezza. In laboratorio: Trasformata di Fourier di differenti pattern generati da maschere. Filtraggio ottico di immagini con sistemi di lenti Trasmissione dell’informazione: la manipolazione dello stato di polarizzazione della luce per il trasporto delle informazioni. Formalismo delle matrici di Jones. Birifrangenza e dicroismo. Schermi a cristalli liquidi. Informazione codificata nella polarizzazione di singolo fotone. Protocolli di entanglement e comunicazione quantistica in spazio libero In laboratorio: realizzazione di un isolatore ottico. Generazione e analisi delle informazioni: le equazioni di Fresnel. Trasmissione, riflessione, riflessione totale, campo evanescente. Film sottili. Ruolo dei film sottili metallici nei sensori plasmonici. Sensori ottici di idrogeno per applicazioni nel campo delle energie rinnovabili. Sensori fotonici per segnali chimici e biologici. Introduzione all’ottica quantistica e fotoni. Il Ruolo dei numeri casuali nell’ingegneria dell'informazione. Generatore pseudo-casuali di numeri e realmente casuali. Processi quantistici per generare numeri realmente casuali. In laboratorio: realizzazione di un trasduttore ottico per biosensing. Un esempio di un generatore quantistico di numeri casuali.
Attivita' di apprendimento previste e metodologie di insegnamento:	Gli studenti assisteranno a lezioni frontali, cui seguono le attività in laboratorio. In laboratorio gli studenti verranno divisi in gruppi e opereranno su banchi ottici utilizzando strumentazione e componentistica allo stato dell’arte. Oltre alle conoscenze teoriche, acquisiranno competenze relative alla realizzazione di sistemi ottici in laboratorio e alla loro caratterizzazione. Assisteranno inoltre ad alcuni esperimenti scientifici tramite visita guidata.
Eventuali indicazioni sui materiali di studio:	Gli studenti assisteranno a lezioni frontali in aula. Il docente renderà disponibile il materiale didattico relativo prima di ogni lezione in aula sotto forma di slides. La parti più teoriche si basano sul testo di riferimento proposto, mentre la spiegazione dell’esperimento da eseguire in laboratorio è contenuta nelle slides. In laboratorio sarà cura dello studente prendere appunti e scattare eventuali fotografie utili alla stesura delle relazioni.
Testi di riferimento: