Course Syllabus
Obiettivi
L'obiettivo generale dell'insegnamento è quello di fornire gli strumenti per la descrizione delle proprietà ottiche dei solidi, a completamento del quadro generale della fisica dello stato solido.
Obiettivi più specifici dell'insegnamento sono:
- trattare la propagazione delle onde elettromagnetiche nei mezzi
- introdurre concetti e grandezze fisiche utili alla descrizione delle proprietà ottiche dei solidi
- discutere le proprietà ottiche dei diversi tipi di solidi
- illustrare le principali tecniche di spettroscopia ottica e i principi di funzionamento degli strumenti
Contenuti sintetici
- Propagazione della luce nei solidi
- Risposta dielettrica di un solido e modelli
- Tecniche di spettroscopia otticaProgramma esteso
Onde elettromagnetiche nei solidi e risposta dielettrica
Richiami alle equazioni di Maxwell
nel vuoto e nei mezzi; eq.
delle onde; spettro elettromagnetico. La propagazione della luce nei mezzi;
funzione dielettrica e indice di rifrazione complessi; tensore dielettrico e
anisotropia; eq. delle onde nei mezzi anisotropi. Origine microscopica della
risposta dielettrica; modelli di Lorentz e di Drude; relazioni di dispersione, relazioni di
Kramers-Kronig,
effetti di schermo, campo locale, equazioni di Lorentz-Lorenz e di Clausius-Mossotti.
Modelli di Cauchy e di Sellmeier;
teorie di mezzo efficace. Tipica risposta di dielettrici, metalli,
semiconduttori. Risposta ottica non lineare (cenni).
Spettroscopia
Lamine spesse e film sottili;
riflettanza, trasmittanza, assorbanza; legge di Lambert Beer, T e R a
incidenza normale. Interfacce, coefficienti di Fresnel, interfacce multiple; multilayer e metodo delle matrici. L'angolo di Brewster. Riflessione totale interna, onda evanescente.
Tecniche e strumentazione
Sorgenti, elementi dispersivi, filtri e polarizzatori, rivelatori; principi
degli strumenti a trasformata di Fourier; misure di riflettanza, trasmittanza,
assorbanza, strumenti a singolo e doppio raggio. Polarizzazione della luce (richiami); polarizzatori e lamine. Trasmittanza e riflettanza in luce polarizzata. Formalismo di Jones e principi della ellissometria spettroscopica. Spettroscopie di emissione e di emissione risolta in tempo. Spettroscopia Raman.
Prerequisiti
Elettromagnetismo classico e basi di fisica della materia e dello stato solido.
Modalità didattica
Lezioni frontali con esempi.
Materiale didattico
1. J. Peatross and M. Ware, Physics of Light and Optics (2015), disponibile gratuitamente al sito: optics.byu.edu
2. O. Stenzel, The Physics of Thin Film Optical Spectra (Springer, 2005)
3. G. Giusfredi, Manuale di ottica (Springer, 2015)
4. H. Kuzmany, Solid State Spectroscopy (Springer, 2009)
5. M. Fox, Optical Properties of Solids (Oxford University Press, 2010)
6. N.V. Tkachenko, Optical spectroscopy (Elsevier, 2006)
7. M. Born and E. Wolf, Principles of Optics (Pergamon Press, 1989)
8. F. Wooten, Optical Properties of Solids (Academic Press, 1972)
9. J. Garcia Solé, L.E. Bausà, and D. Jaque, An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids (Wiley, 2005)
Molti argomenti si trovano anche sulle Lectures on Physics di Feynman, di piacevole lettura: www.feynmanlectures.caltech.edu/
NOTA: i testi 2, 3 e 4 sono scaricabili in formato pdf dal sito della biblioteca; il testo 1 è disponibile gratuitamente online.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
II semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale.
Orario di ricevimento
Su appuntamento, scrivendo a: adele.sassella@unimib.it
Aims
The main goal of the course is giving the tools for the description of the optical properties of solids, to complete the overall picture of solid state physics.
Specific aims of the course:
- discussing light propagation in solids
- introducing the proper concepts and physical quantities for the description of the optical properties of solids
- discussing the characteristic optical properties of different solid materials
- illustrating the main optical spectroscopy techniques and the working principles of instruments
Contents
- Light propagation in solids
- Dielectric response of solids and models
- Optical spectroscopy techniquesDetailed program
Electromagnetic waves in solids and dielectric response
References to Maxwell's equations in vacuum and in the matter; wave equation; electromagnetic spectrum. The propagation of light in the matter; complex dielectric function and refractive index; dielectric tensor and anisotropy; wave equation in anisotropic media. Microscopic origin of the dielectric response; Lorentz and Drude models; dispersion relations, Kramers-Kronig relations, screen effects, local field, Lorentz-Lorenz and Clausius-Mossotti equations. Cauchy and Sellmeier models; effective medium theories. Typical response of dielectrics, metals, semiconductors. Non linear optical response (elements).
Spectroscopy
Thick and thin films; reflectance, transmittance, absorbance; Lambert Beer's law, T and R at normal incidence. Interfaces, Fresnel coefficients, multiple interfaces; multilayer and matrix method. Brewster's angle. Total internal reflection, evanescent waves.
Techniques and instrumentation
Sources, dispersive elements, filters and polarizers, detectors; principles of Fourier transform instruments; measurements of reflectance, transmittance, absorbance, single and double beam instruments. Polarization of light (recalls). Transmittance and reflectance in polarized light. Jones formalism and principles of spectroscopic ellipsometry. Time-resolved emission and emission spectroscopies. Raman spectroscopy.
Prerequisites
Classical electromagnetism and basic concepts of condensed matter physics.
Teaching form
Lessons and examples.
Textbook and teaching resource
1. J. Peatross and M. Ware, Physics of Light and Optics (2015), available at optics.byu.edu
2. O. Stenzel, The Physics of Thin Film Optical Spectra (Springer, 2005)
3. G. Giusfredi, Manuale di ottica (Springer, 2015)
4. H. Kuzmany, Solid State Spectroscopy (Springer, 2009)
5. M. Fox, Optical Properties of Solids (Oxford University Press, 2010)
6. N.V. Tkachenko, Optical spectroscopy (Elsevier, 2006)
7. M. Born and E. Wolf, Principles of Optics (Pergamon Press, 1989)
8. F. Wooten, Optical Properties of Solids (Academic Press, 1972)
9. J. Garcia Solé, L.E. Bausà, and D. Jaque, An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids (Wiley, 2005)
Molti argomenti si trovano anche sulle Lectures on Physics di Feynman, di piacevole lettura: www.feynmanlectures.caltech.edu/
NOTA: i testi 1, 2 e 3 sono scaricabili in formato pdf dal sito della biblioteca; il testo 4 è disponibile gratuitamente online.
See also: The Feynman Lectures on Physics, at www.feynmanlectures.caltech.edu/
NOTE: textbooks 2, 3 and 4 can be downloaded as pdf files from the library website; textbook 1 is also freely available.
Semester
II semester
Assessment method
Oral exam.
Office hours
Upon request, by e-mail: adele.sassella@unimib.it
Key information
Staff
-
Adele Sassella