Course Syllabus
Obiettivi
Fornire un’introduzione all’ottica applicata allo sviluppo di sistemi ottici per la ricerca e sviluppo in Biofisica, Biotecnologie, Medicina e Biofotonica.
Contenuti sintetici
Ottica geometrica: lenti, specchi e composizioni di piu’ lenti e stops.
Ottica Fisica: il teorema di Fresnel e le sue applicazioni.
Aberrazioni degli strumenti ottici.
Microscopie ottiche a scansione.
Programma esteso
-Energia elettromagnetica, intensità con laser in emissione continua e pulsata.
-Coefficienti di Fresnel per la riflessione e rifrazione: fenomenologia; le lamine di ritardo.
-Accenno a “Coefficienti di Fresnel ed equazioni Maxwell”.
- Legge del prisma per deviazione minima, relazione con la lente sottile.
- La legge delle focali per lenti sottili. Composizione di lenti sottili.
- Il metodo matriciale per lenti e specchi e le sue applicazioni a strumenti ottici.
- Lente spessa. Piani principali e fuochi. Ingrandimento di un sistema ottico.
- Principali aberrazioni delle lenti: fenomenologia e trattazione di Seidel.
- Correzione delle aberrazioni.
- Introduzione all’Ottica Fisica, principio di Huygens-Fresnel e integrale di Fresnel.
- Applicazioni dell’integrale di Fresnel: zone di Fresnel, propagazione del fascio Gaussiano.
- Applicazioni del teorema di Fresnel: Ottica di Fourier e filtro spaziale.
- Fibre ottiche: trattazione geometrica e di ottica fisica.
- Risoluzione di un sistema ottico.
- Tecniche di microscopia ottica (Microscopia confocale, Microscopia a campo chiaro e scuro, Microscopia multifotone, Generazione di Seconda Armonica, Microscopia Raman Coerente Anti-Stokes).
Prerequisiti
Conoscenza delle onde elettromagnetiche e del trattamento matematico dell'equazione che le descrive.
Conocenza delgli elementi fondamentali dei processi di interazione radiazione luminosa materia.
Abilità: risoluzione di equazioni differenziali alle derivate parziali; trigonometria
Modalità didattica
Lezione frontale con l'ausilio di slides in power point e simulazioni Java per il ray-tracing.
Problemi svolti in aula.
Assegnazione di problemi ed esercizi a casa.
Richiesta di approfindimento su articoli di ricerca.
Materiale didattico
Slides svolte a lezione rese disponbili dalla piattaforma e-learning di ateneo.
Sitografia su approfodnimenti e simulazioni numeriche.
Libri:
- "Optics". Klein
- "Optics". Hecht
- "Introduction to optical microscopy". Mertz
- "Introduction to Fourier Optics". Goodman
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre della laurea Magistrale.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
ESAME ORALE che verte
1. sull'esposizione dei principi base della costruzione di un sistema ottico e la sua discussione tramite metodo matriciale;
2. sull'esposizione dei principi base dell'ottica di Fourier
3. sulla discussione della risoluzione di un sistema ottico a campo largo e a scansione.
4. sulla discussione di un argomento a scelta (con eventuale preparazione di una presentazione), preferibilmente connesso alla lettura di un articolo di ricerca, su argomenti di approfondimento non trattati a lezione
Orario di ricevimento
Normalmente il docente e' sempre disponibile per ricevimento, la presenza e' tuttavia garantita solo se preventivamente concordata per mail o di persona a margine delle lezioni.
Sustainable Development Goals
Aims
To offer an introduction to optics applied to the development of optical devices for the research and development in Biophysics, Biotechnology, Mdicine and Biophotonics.
Contents
Geometrical Optics: lenses, mirrors and compositions of lenses and stops.
Physical Optics: Fresnel Theorem and its applications.
Aberrations of optical devices
Scanning Optical Microscopies.
Detailed program
- Electromagnetic energy, intensity with lasers in continuous and pulsed emission mode.
- Fresnel coefficients for reflection and refraction: phenomenology; the retarder plates.
- Introduction to "Fresnel Coefficients and Maxwell equations".
- Law of the prism in minimal deviation (geometical and physical optics treatment), relation with the thin lens.
- The law of focal lengths for thin lenses. Composition of thin lenses.
- The matrix method for lenses and mirrors and its applications to optical instruments.
- Thick lens. Principal planes and the focal length. Magnification of an optical system.
- Principal aberrations of lens systems: phenomenology and Seidel treatment.
- Aberration correction.
- Introduction to Physical Optics, Huygens-Fresnel principle and Fresnel Integral.
- Applications of the Fresnel integral: Fresnel zones, Gaussian beam propagation.
- Applications of the Fresnel theorem: Fourier optics and spatial filtering.
- Optical fibers: geometric and physical optics treatment.
- Optical resolution
- Optical Microscopy techniques (Confocal Microscopy, Multi-photon Microscopy, Second Harmonic Generation Microscopy, Brighfield and darkfield, Coherent Anti-Stokes Raman Microscopy).
Prerequisites
Knowledge of electromagnetic waves and of the mathematical treatment of the wave equation.
Knowledge of the fundamentals of the light-matter interactions modes.
Skills: solution of partial derivatives equations; trigonometry.
Teaching form
Lectures with slides in power point, Java simulations for ray-tracing and computation of the optical response
Discussion of problems.
Assignment of home excercises
Reading and discussion of research papers.
Textbook and teaching resource
Copy of the slides discussed during the lectures loaded on the e-learning platform.
Indication of the web sites with information on specific applications and Java simulations.
Books:
- "Optics". Klein
- "Optics". Hecht
- "Introduction to optical microscopy". Mertz
- "Introduction to Fourier Optics". Goodman
Semester
Second semester of the Master Degree
Assessment method
ORAL EXAM on:
1. basic principles of the construction of an optical device and its discussion based on the matrix method;
2. basic princpiles of Fourier Optics;
3. resolution of an optical device in wide field and in scanning modes;
4. discussion of a research paper (with an optional slide presentation), related to topics not covered during frontal lessons.
Office hours
Usually the teacher is always available for reception, however the presence is guaranteed only if previously arranged, either in classroom or by e-mail.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Laura Sironi
