OTTICA, LASER ED APPLICAZIONI

Il testo, corredato da circa 200 esercizi e 100 richiami bibliografici, è costituito da 12 capitoli, che formano il corpo principale, e da nove appendici. Il libro è essenzialmente rivolto agli studenti frequentanti le lauree triennali e specialistiche delle attuali Facoltà di Scienze ed Ingegneria, con riferimento ai corsi di Fisica Generale II, di Ottica Classica e Fisica dei Laser e di Optoelettronica. I capitoli sui laser, le fibre ottiche, sull'olografia ed alcune appendici si prestano anche ad essere utilizzati per corsi di tecniche ottiche ed applicazioni rivolti a studenti di primo anno di dottorato di ricerca in Fisica od in alcune discipline ingegneristiche (Optoelettronica, ad esempio). Il contenuto è sinteticamente riportato nel seguito. 1 ONDE: Introduzione; Equazione d’onda in una dimensione; Onde trasversali su di una corda; Onde armoniche; Velocità di fase; Equazione d’onda in tre dimensioni ed onde piane; Onde sferiche; Onde elettromagnetiche; La velocità della luce; Energia ed intensità; Propagazione in mezzi non conduttori: la dispersione; Pressione della radiazione; Irraggiamento; Sovrapposizione di onde; Onde stazionarie; Analisi di Fourier di funzioni periodiche; Funzioni non periodiche; Pacchetti d’onda e velocità di gruppo; Larghezza di righe spettrali; Onde elettromagnetiche e fotoni. Esercizi 2 PROPAGAZIONE DELLA LUCE: Introduzione; Il principio di Huygens; Raggi luminosi; Riflessione e rifrazione; Il principio di Fermat; Trattazione elettromagnetica; Formule di Fresnel; Riflettanza, trasmittanza ed angolo di Brewster; Polarizzazione per riflessione; Riflessione totale; Propagazione in mezzi conduttori; Propagazione in mezzi non omogenei; Le relazioni di Stokes per riflessione e trasmissione; I fotoni e la riflessione e trasmissione. Esercizi. 3 POLARIZZAZIONE E MEZZI ANISOTROPI: Introduzione; Stati di polarizzazione della luce; Mezzi anisotropi; Propagazione in un mezzo anisotropo; Formule di Fresnel per la propagazione nei cristalli; Ellissoide degli indici; Birifrangenza; Cristalli uniassici; Costruzione di Huygens in mezzi anisotropi; Polarizzazione per birifrangenza; Lamine di ritardo e compensatori; Polarizzazione per dicroismo e legge di Malus; Diffusione della luce e polarizzazione; Attività ottica; Anisotropia artificiale; Fotoelasticità; L’effetto Faraday; Effetti Kerr e Pockels; I parametri di Stokes; I vettori e le matrici di Jones; Polarizzazione, momento angolare della luce e fotoni. Esercizi. 4 OTTICA GEOMETRICA: Introduzione; Fondamenti dell’ottica geometrica; Definizioni generali; Superfici rifrangenti; Sistemi ottici centrati; La lente; Combinazione di lenti sottili; Tracciamento dei raggi e metodi matriciali in ottica geometrica; Gli specchi; Il prisma; Aberrazioni dei sistemi ottici; Superficie e curva caustica; Aberrazione sferica; Coma; Astigmatismo; Curvatura; Distorsione; Aberrazione cromatica; Strumenti ottici; L’occhio umano; La macchina fotografica; La lente di ingrandimento; L’oculare; Il microscopio; Il telescopio. Esercizi. 5 L’INTERFERENZA: Introduzione; Interferenza di due onde monocromatiche; Condizioni per osservare interferenza; L’esperimento di Young; Interferometri a separazione di fronte d’onda; Grado di monocromaticità della luce e visibilità delle frange; Lamina a facce piane e parallele: interferenza per divisione di ampiezza; Interferenza in strati sottili: l’interferometro di Fizeau; L’interferometro di Michelson; Gli interferometri di Mach-Zehnder e di Sagnac; Interferenza a più fasci; L’interferometro di Fabry e Perot; Applicazioni spettroscopiche del Fabry-Perot; Filtri interferenziali; Trattamenti antiriflettenti e specchi dielettrici a multistrato. Esercizi. 6 LA DIFFRAZIONE: Introduzione; Il principio di Huygens-Fresnel; Teoria della diffrazione di Kirchhoff; Diffrazione di Kirchhoff per un’apertura; Il principio di Babinet; Diffrazione alla Fraunhofer ed alla Fresnel; Trattazione qualitativa della diffrazione di Fraunhofer da una fenditura sottile; Diffrazione di Fraunhofer per un’apertura rettangolare; Apertura circolare; Potere risolvente dei sistemi ottici; Diffrazione di Fraunhofer da due fenditure sottili; Diffrazione di Fraunhofer da molte fenditure sottili; Il reticolo di diffrazione; Applicazioni spettroscopiche del reticolo; Reticoli in due e tre dimensioni; Diffrazione di Fraunhofer e trasformata di Fourier; Diffrazione di Fresnel da un’aprtura circolare; La lamina a zone di Fresnel; Il problema generale della diffrazione di Fresnel; L’apertura rettangolare e gli integrali di Fresnel; La spirale di Cornu; Diffrazione da uno schermo opaco semi-infinito. Esercizi. 7 COERENZA DELLA LUCE: Introduzione; Coerenza temporale e coerenza spaziale; Funzione di mutua coerenza e grado di coerenza; Grado di coerenza e visibilità delle frange di interferenza; Funzione di autocorrelazione, convoluzione e spettro di potenza; Il teorema di Van Cittert-Zernike; L’interferometro stellare di Michelson; Grado di coerenza e fluttuazioni di intensità: l’interferometro di Hanbury-Brown e Tuiss. Esercizi. 8 LO SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE ED I RAGGI X: Introduzione; Onde a radiofrequenza; Microonde; L’infrarosso; Il visibile; L’ultravioletto; I raggi x; Diffrazione dei raggi x; Ottiche per raggi x; I raggi gamma; Onde e particelle. Esercizi. 9 IL LASER: Introduzione; Fotoni; Processi di emissione ed assorbimento e coefficienti di Einstein; Allargamento di righe; Il mezzo attivo: inversione di popolazione; Metodi e schemi di pompaggio; Cavità ottiche risonanti; Modi dei risonatori ottici; Frequenze risonanti di una cavità ottica; Fattore di merito di una cavità risonante; Saturazione del guadagno nei sistemi laser; L’emissione laser, Accoppiamento con l’esterno; Frequenze di oscillazione dei sistemi laser; Oscillazione laser su singolo modo; Generazione di impulsi ultracorti; Laser ad impulsi giganti. Esercizi. 10 SISTEMI LASER ED APPLICAZIONI: Introduzione; Laser a stato solido; Laser a rubino; Laser a Neodimio; Laser a gas; Laser ad He-Ne; Lasr a ioni di Argon; Laser a gas molecolari; Il laser a CO2; Laser molecolari operanti nell’UV; Laser a coloranti; Laser a semiconduttori; Sorgenti laser a raggi x; Le applicazioni dei laser; Il laser nella ricerca fondamentale in fisica; Fusione termonucleare via laser; Separazione isotopica; Applicazioni nel campo della chimica; I laser i medicina; Lavorazioni meccaniche con i laser; Applicazioni nel settore dell’informazione; Trasmissioni ottiche; Sistemi radar con i laser; Applicazioni metrologiche dei laser; Controllo laser dell’ambiente. Esercizi. 11 OLOGRAFIA: Introduzione; Formazione di un ologramma; Ricostruzione dell’immagine olografica; Classificazione degli ologrammi; Materiali per olografia; Sorgenti di luce per olografia; Applicazioni dell’olografia. Esercizi. 12 FIBRE OTTICHE: Introduzione; Propagazione in fibre diritte; Propagazione in fibre incurvate; Fibre ad indice di rifrazione variabile; Fibre ad anima conica; Propagazione modale nelle fibre ottiche; Perdite energetiche nelle fibre; Materiali e processi di produzione; Applicazioni delle fibre ottiche; Dispersione nelle fibre. Esercizi. APPENDICI A: Costanti fisiche fondamentali; Conversione tra unità di misura dell’energia. B Metodi di misura della velocità della luce: L’importanza della misura della velocità della luce; Metodi astronomici per la determinazione di c; Metodi terrestri per la determinazione di c; Metodi recenti per la misura di c. C L’esperimento di Michelson e Morley: L’elettromagnetismo e le trasformazioni di Galileo; Tentativi di individuare il riferimento dell’etere; L’esperimento di Michelson e Morley; Le trasformazioni di Lorentz. D L’effetto Doppler: L’effetto Doppler; L’effetto Doppler classico; L’effetto Doppler relativistico; Ricadute dell’effetto Doppler. E Cenni di fisica dell’infrarosso: Introduzione; La regione infrarossa dello spettro elettromagnetico; La radiazione termica ed il corpo nero; Altre sorgenti di radiazione IR; Trasmittività nell’IR dell’atmosfera terrestre; Rivelatori di radiazione IR; Ottiche rifrattive e riflettive nell’IR; Le applicazioni nel campo dell’IR. F L’effetto Compton: L’effetto Compton; Derivazione della formula dell’effetto Compton. G Rivelatori di radiazione: I rivelatori di radiazione elettromagnetica; Il fotomoltiplicatore; Fotodiodi e rivelatori fotoconduttori; Cenni ai rivelatori di raggi x e . H La legge ABCD e le cavità ottiche: Ottica geometrica dei risonatori con la legge ABCD; Formulazione della legge ABCD per i fasci gaussiani; Applicazioni della legge ABCD ai fasci gaussiani. I Cenni di ottica non lineare: Introduzione; Suscettività lineare e non lineare di un mezzo; Fenomeni ottici non lineari al secondo ordine; Modello classico dell’elettrone atomico e polarizzazione non lineare; Il coefficiente ottico non lineare; Generazione di seconda armonica ottica; L’effetto Pockels rivisitato.