Course Syllabus
Obiettivi
Lo scopo del corso è di fornire un quadro teorico generale che permetta di comprendere le proprietà ottiche dei solidi, i loro effetti sulla propagazione della luce in un materiale e come queste proprietà debbano essere attentamente considerate nella realizzazione di sistemi ottici. Il corso approfondirà la conoscenza dei software di ray-tracing (Zemax) per progettare ed analizzare semplici sistemi ottici tenendo conto delle specipiche proprietà ottiche di diversi materiali.
Obiettivi
Conoscenza e comprensione:
• Conoscenza dettagliata dei concetti e degli approcci di base delle proprietà ottiche dei materiali.
Applicazione della conoscenza:
• Acquisizione della capacità di applicare le nozioni teoriche apprese nel corso alla descrizione efficace di sistemi ottici anche attraverso il software Zemax.
Competenze comunicative:
• Acquisizione di capacità comunicative verbali e scritte in concetti avanzati riguardanti le proprietà ottiche dei materiali.
Elaborazione di giudizi:
• Lo studente acquisirà la competenza di giudicare quali fenomeni ed osservabili per un dato materiale possano essere ricondotti alle sue specifiche proprità ottiche e come queste possano essere applicate nella pratica.
Competenze di apprendimento
• Lo studente è in grado di estendere quanto appreso nelle lezioni a casi di studio non trattati durante il corso. In particolare è in grado di gestire autonomamente la vasta letteratura dedicata alle proprietà ottiche dei materiali.
Contenuti sintetici
- Risposta dielettrica dei solidi e propagazione dell onde elettromagnetiche in mezzi materiali, anche anisotropi.
- Stati di polarizzazione della luce e loro applicazioni.
- Principali meccanismi di scattering della radiazione elettromagnetica.
- Introduzione agli effetti di nanostruttrazione sulle proprietà ottiche e ai metamateriali ottici.
- Applicazioni a semplici casi di interesse con il supporto di simulazioni numeriche.
Programma esteso
- Richiami alle proprietà strutturali ed elettroniche dei materiali e loro relazioni con le proprietà ottiche. Distinzione tra cristalli, amorfi e materiali molecolari, metalli semiconduttori ed isolanti.
- Trasmissione e riflessione delle onde elettromagnetiche in un mezzo ideale macroscopico. Richiami alle equazioni di Maxwell nel vuoto ed in mezzi materiali, funzione dielettrica complessa, tensore dielettrico.
- Caratterizzazione e misura degli stati di luce polarizzata, applicazione a tecniche di misura industriali e fotoelasticità.
- Anisotropia ottica, tensore dielettrico in mezzi anisotropi, propagazione delle onde elettromagnetiche in mezzi anisotropi, birifrangenza, piastre di ritardo, polarizzatori dicroici.
- Introduzione ai fenomeni collettivi nei solidi e loro influenza sulle proprietà ottiche: plasmoni, eccitoni, polaritoni.
- Meccanismi di scattering della radiazione elettromagnetica: Rayleigh, Mie, Raman, Brillouin.
- Introduzione alle proprità ottiche di materiali nanostrutturati.
- Introduzione ai metamateriali ottici.
- Esempi di applicazione dei concetti sopra elencati in ottica, optometria e oftalmologia con il supporto di simulazioni con il software Zemax.
Prerequisiti
Elettromagnetismo classico e concetti basilari di fisica della materia.
Modalità didattica
-28 ore di lezione erogate frontali alla lavagna e/o slides, in presenza con registrazione delle lezioni.
-14 ore di laboratorio computazione con Zemax a distanza.
L'insegnamento verrà erogato interamente in lingua inglese.
Materiale didattico
Le diapositive saranno messe a disposizione degli studenti attraverso la presente piattaforma e-learning.
Per letture di approfondimento:
- J. Peatross and M. Ware, Physics of Light and Optics (2015).
- M. Fox, Optical Properties of Solids (Oxford University Press, 2010)
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Ptimo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Prova orale.
Colloquio con discussione degli argomenti trattati durante le lezioni.
Verrà valutata la capacità di esporre gli argomenti trattati a lezione in tutti in tutti i loro aspetti concettuali e formali incluse le derivazione dei risultati.
Non sono previste valutazioni in itinere.
Orario di ricevimento
Dal lunedì al venerdì a qualsiasi ora lavorativa (previo appuntamento con il docente via email).
Sustainable Development Goals
Aims
The scope of the course is to provide a general theoretical picture to understand the optical properties of solids, their effects on the propagation of light in a material and how these properties need to be carefully considered when realizing optical systems.
The course will also extend the knowledge of a ray-tracing software (Zemax) to design and analyze simple optical systems taking into account the specific optical properties of different materials.
Learning Outcomes
Knowledge and understanding:
• Detailed knowledge of the basic concepts and approaches in optical properties of materials.
Applying knowledge and understanding:
• Acquisition of the ability to apply the theoretical notions covered in the course to the effective description of optical systems, also through the use of the Zemax software.
Communication skills:
• Aquisition of written and oral communication skilles on topics related to optical properties of materials.
Making judgements:
• The student will acquire the competence to judge which phenomena and observable of a given material can be ascribed to its intrinsic optical properties and how to apply them in practical cases.
Learning skills:
• The student can extend what he has learned in the lectures to case studies not covered during the course. In particular, he can independently manage the vast literature dedicated to the optical porperties of materials.
Contents
- Dielectric properties of solids and propagation of electromagnetic waves in a medium, accounting for anisotropy.
- Light polarization states and their applications.
- Main scattering mechanisms for electromagnetic waves.
- Introduction of nanostructuring effects on optical properties and optical metamaterials.
- Applications to simple cases relevant for optics and optometry using numerical simulations.
Detailed program
- Recall of structural and electronic properties of materials and their relations with optical properties. Distinction between crystals, amorphous and molecular materials, metals, semiconductors and insulators.
- Transmission and reflection of electromagnetic waves in an ideal macroscopic material. Recall of the Maxwell equations in vacuum and in matter, complex dielectric function, dielectric tensor.
- Characterization and measurement of light polarization states, applications to industrial measurements and photoelasticity.
- Optical anisotropy, dielectric tensor of anisotropic media, propagation of electromagnetic waves in anisotropic media, birefringence, retardation plates, dichroic polarizers.
- Overview of collective phenomena in solids relevant for optical properties: plasmons, excitons, polaritons.
- Scattering mechanisms of electromagnetic radiation: Rayleigh, Mie, Raman, Brillouin.
- Overview of optical properties of nanostructured materials.
- Introduction to optical metamaterials.
- Examples of applications of the aforementioned concepts in optics, optometry, ophthalmology with the support of simulations with the Zemax software.
Prerequisites
Classical electromagnetism and basic concepts of solid state physics.
Teaching form
-28 hours of frontal lectures using blackboard and/or slides, in-person with recordings of the lectures.
-14 hours of computational laboratory with Zemax, at distance.
The lectures will be given in English.
Textbook and teaching resource
Slides will be made available to the students through the present e-learning platform.
For further reading:
- J. Peatross and M. Ware, Physics of Light and Optics (2015)
- M. Fox, Optical Properties of Solids (Oxford University Press, 2010)
Semester
First semester
Assessment method
Oral exam.
Discussion concerning the topics covered during the course.
The ability to present the topics covered in class in all their conceptual and formal aspects will be assessed, including the derivation of the results.
No ongoing partial tests are planned.
Office hours
From Monday to Friday at any working hour (an appointment should be arranged with the teacher by email).
Sustainable Development Goals
Staff
-
Davide Campi
