Course Syllabus
Obiettivi
L’insegnamento contribuisce in modo coerente al percorso formativo del Corso di laurea attraverso i seguenti obiettivi di apprendimento:
Conoscenza, comprensione e capacità di applicare conoscenza e comprensione (Descrittori di Dublino 1 e 2)
Gli studenti acquisiranno una comprensione organica dei principi fisici dell’ottica ondulatoria, del funzionamento dei laser, della fotonica guidata e integrata, dei processi ottici non lineari e degli elementi fondamentali dell’ottica quantistica. Impareranno a utilizzare modelli elettromagnetici e quantistici semplificati per analizzare componenti e sistemi ottici, tra cui interferometri, risonatori, guide d’onda, fibre ottiche, modulatori, convertitori non lineari di frequenza e sorgenti di fotoni correlati. Saranno in grado di collegare tali modelli ad applicazioni nelle comunicazioni ottiche, nella sensoristica, nella spettroscopia, nell’elaborazione fotonica dell’informazione, nelle tecnologie fotoniche ad alta efficienza energetica e nelle tecnologie quantistiche.
Autonomia di giudizio (Descrittore di Dublino 3)
Gli studenti impareranno a individuare i meccanismi fisici essenziali coinvolti in un problema ottico, a scegliere un livello di modellizzazione appropriato, a valutare la validità delle approssimazioni adottate e a confrontare criticamente soluzioni alternative e compromessi tecnologici.
Abilità comunicative (Descrittore di Dublino 4)
Gli studenti svilupperanno la capacità di illustrare fenomeni ottici e di presentare in modo chiaro e rigoroso, in lingua inglese, l’analisi di un componente o sistema ottico, utilizzando una terminologia scientifica appropriata e un corretto ragionamento quantitativo.
Capacità di apprendimento (Descrittore di Dublino 5)
Gli studenti svilupperanno la capacità di aggiornare autonomamente le proprie conoscenze, consultare testi avanzati e letteratura scientifica ed estendere i concetti e i metodi acquisiti durante il corso a tecnologie fotoniche emergenti e a problemi ottici non precedentemente affrontati.
Contenuti sintetici
L’insegnamento introduce i principi fisici e gli strumenti di base della fotonica moderna. A partire dalle conoscenze acquisite nei precedenti insegnamenti di elettromagnetismo e fisica quantistica, sviluppa una comprensione pratica dell’ottica ondulatoria, delle sorgenti laser, della fotonica guidata e integrata, della conversione non lineare di frequenza e di alcuni argomenti selezionati di ottica quantistica. Particolare attenzione è dedicata al collegamento tra modelli fisici semplificati e componenti e sistemi reali per le comunicazioni, la sensoristica, la spettroscopia e le tecnologie fotoniche emergenti.
Programma esteso
Modulo 1: Teoria elettromagnetica e ottica ondulatoria
• Breve richiamo della propagazione delle onde elettromagnetiche nei mezzi dielettrici, rappresentazione complessa dei campi ed equazione di Helmholtz.
• Polarizzazione della luce, calcolo di Jones, birifrangenza, lamine d’onda e polarizzatori.
• Riflessione e rifrazione alle interfacce dielettriche, coefficienti di Fresnel e angolo di Brewster.
• Interferenza e coerenza: interferometri di Michelson e Mach-Zehnder, visibilità delle frange e differenza di cammino ottico.
• Diffrazione di Fraunhofer e Fresnel, reticoli di diffrazione e introduzione all’ottica di Fourier.
• Lenti, ottica geometrica e sistemi di formazione dell’immagine; introduzione alla dispersione e alla risposta ottica lineare dei materiali.
Modulo 2: Laser, fasci gaussiani e dispositivi fotonici
• Emissione spontanea e stimolata, coefficienti di Einstein e inversione di popolazione.
• Guadagno ottico, soglia laser, modi del risonatore e funzionamento di base del laser.
• Propagazione dei fasci gaussiani: waist del fascio, divergenza, intervallo di Rayleigh, focalizzazione e collimazione.
• Cavità ottiche, adattamento modale e dispositivi fotonici basati su risonatori.
• Ottica guidata: guide d’onda dielettriche, fibre ottiche, accoppiamento, dispersione e perdite di propagazione di base.
• Introduzione alla fotonica integrata: accoppiatori direzionali, interferometri di Mach-Zehnder e risonatori ad anello.
Modulo 3: Ottica non lineare e applicazioni
• Polarizzazione non lineare e conversione di frequenza in cristalli massivi, fibre ottiche e guide d’onda integrate.
• Generazione armonica, generazione per somma di frequenza e generazione per differenza di frequenza.
• Processi ottici parametrici: amplificazione e oscillazione parametrica ottica.
• Adattamento di fase, quasi-adattamento di fase e potenziamento risonante, con applicazioni a sorgenti accordabili e conversione di lunghezza d’onda.
• Modulazione ottica: effetti elettro-ottici e acusto-ottici; modulazione di ampiezza, fase e frequenza per le comunicazioni e il controllo dei laser.
• Elementi di ottica ultraveloce: dispersione della velocità di gruppo, non linearità di Kerr, impulsi ultracorti e mode locking.
• Concetti di solitone nelle fibre e nei risonatori; applicazioni a pettini di frequenza, spettroscopia, sensoristica e comunicazioni ottiche.
Modulo 4: Ottica quantistica e argomenti avanzati
• Statistica dei fotoni, coerenza del secondo ordine e funzioni di correlazione del secondo ordine.
• Esperimento di Hanbury Brown-Twiss, correlazioni fotoniche, misure di coincidenza, bunching e antibunching dei fotoni.
• Introduzione all’interferenza a due fotoni e all’effetto Hong-Ou-Mandel.
• Conversione parametrica spontanea verso il basso (SPDC) come sorgente di coppie di fotoni correlati e di luce non classica.
Prerequisiti
Conoscenze di base di analisi matematica, numeri complessi e algebra lineare. Gli studenti devono avere familiarità con l’elettromagnetismo elementare e la fisica delle onde, comprese le onde armoniche, l’interferenza e le condizioni al contorno, nonché con gli elementi introduttivi della meccanica quantistica, inclusi stati quantistici, osservabili e misure.
Modalità didattica
L’insegnamento comprende 48 ore di attività didattica, organizzate come segue:
• 32 ore di lezioni online asincrone, erogate mediante 16 lezioni registrate della durata di 2 ore ciascuna, in modalità di Didattica Erogativa (DE) da remoto.
• 16 ore di Didattica Interattiva (DI) in presenza, costituite da attività guidate di problem solving, esercizi quantitativi, analisi di sistemi ottici e discussione delle applicazioni.
Materiale didattico
• Testo principale: B. E. A. Saleh e M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, 3a ed., Wiley, 2019.
• Testo aggiuntivo: M. Born e E. Wolf, Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light, 7a edizione ampliata, Cambridge University Press, 1999.
• Riferimento selezionato per l’ottica non lineare: R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 4a ed., Academic Press, 2020.
• Riferimento selezionato per l’ottica quantistica: M. Fox, Quantum Optics: An Introduction, Oxford University Press, 2006.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Non sono previste prove in itinere. La prova finale consiste in un esame orale individuale svolto in lingua inglese. L’esame comprende la discussione dei principali argomenti del corso e la risoluzione di un semplice problema quantitativo oppure l’analisi di un sistema ottico.
La valutazione considera la conoscenza e la comprensione dei principi fisici, la capacità di selezionare e applicare modelli fisici appropriati a problemi semplici, il ragionamento quantitativo, la valutazione critica delle ipotesi e delle approssimazioni e la chiarezza espositiva mediante un’adeguata terminologia scientifica.
Un punteggio inferiore a 18/30 indica una preparazione insufficiente e comporta il mancato superamento dell’esame. I voti compresi tra 18 e 23/30 corrispondono a una preparazione sufficiente, quelli tra 24 e 27/30 a una buona preparazione e quelli tra 28 e 30/30 a una preparazione eccellente. All’interno di ciascuna fascia, il voto tiene conto della capacità di analisi critica, del ragionamento e delle abilità comunicative. La lode può essere attribuita in caso di prova di livello eccezionale, caratterizzata da piena padronanza della materia, eccellente autonomia di ragionamento e comunicazione particolarmente chiara e rigorosa.
Orario di ricevimento
Su appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
This course contributes coherently to the bachelor’s degree programme through the following learning objectives:
Knowledge, understanding and application of skills (Dublin Descriptors 1 and 2)
Students will acquire a coherent understanding of the physical principles of wave optics, laser operation, guided and integrated photonics, nonlinear optical processes, and elementary quantum optics. They will learn to use simplified electromagnetic and quantum models to analyse optical components and systems, including interferometers, resonators, waveguides, optical fibres, modulators, nonlinear frequency converters, and correlated-photon sources. They will be able to connect these models to applications in optical communications, sensing, spectroscopy, photonic information processing, energy-efficient photonic technologies, and quantum technologies.
Making judgements (Dublin Descriptor 3)
Students will learn to identify the essential physical mechanisms involved in an optical problem, select an appropriate level of modelling, assess the validity of the adopted approximations, and critically compare alternative solutions and technological trade-offs.
Communication skills (Dublin Descriptor 4)
Students will develop the ability to explain optical phenomena and present the analysis of an optical component or system clearly and rigorously in English, using appropriate scientific terminology and quantitative reasoning.
Learning skills (Dublin Descriptor 5)
Students will develop the ability to update their knowledge independently, consult advanced textbooks and scientific literature, and extend the concepts and methods acquired during the course to emerging photonic technologies and unfamiliar optical problems.
Contents
This course introduces the physical principles and basic tools of modern photonics. Building on prior courses in electromagnetism and quantum physics, it develops a practical understanding of wave optics, laser sources, guided and integrated photonics, nonlinear frequency conversion, and selected topics in quantum optics. The emphasis is on connecting simplified physical models to real components and systems for communication, sensing, spectroscopy, and emerging photonic technologies.
Detailed program
Module 1: Electromagnetic Theory and Wave Optics
• Brief review of electromagnetic wave propagation in dielectric media, complex field representation, and the Helmholtz equation.
• Polarization of light, Jones calculus, birefringence, wave plates, and polarizers.
• Reflection and refraction at dielectric interfaces, Fresnel coefficients, and Brewster angle.
• Interference and coherence: Michelson and Mach-Zehnder interferometers, fringe visibility, and optical path difference.
• Diffraction: Fraunhofer and Fresnel diffraction, diffraction gratings, and introductory Fourier optics.
• Lenses, ray optics, and imaging systems; introduction to dispersion and the linear optical response of materials.
Module 2: Lasers, Gaussian Beams and Photonic Devices
• Spontaneous and stimulated emission, Einstein coefficients, and population inversion.
• Optical gain, laser threshold, resonator modes, and basic laser operation.
• Gaussian beam propagation: beam waist, divergence, Rayleigh range, focusing, and collimation.
• Optical cavities, mode matching, and resonator-based photonic devices.
• Guided-wave optics: dielectric waveguides, optical fibres, coupling, dispersion, and basic propagation losses.
• Introduction to integrated photonics: directional couplers, Mach-Zehnder interferometers, and microring resonators.
Module 3: Nonlinear Optics and Applications
• Nonlinear polarization and frequency conversion in bulk crystals, optical fibres, and integrated waveguides.
• Harmonic generation, sum-frequency generation, and difference-frequency generation.
• Optical parametric processes: optical parametric amplification and oscillation.
• Phase matching, quasi-phase matching, and resonant enhancement, with applications to tunable sources and wavelength conversion.
• Optical modulation: electro-optic and acousto-optic effects; amplitude, phase, and frequency modulation for communications and laser control.
• Elements of ultrafast optics: group-velocity dispersion, Kerr nonlinearity, ultrashort pulses, and mode locking.
• Soliton concepts in fibres and resonators; applications to frequency combs, spectroscopy, sensing, and optical communications.
Module 4: Quantum Optics and Advanced Topics
• Photon statistics, second-order coherence, and second-order correlation functions.
• Hanbury Brown-Twiss experiment, photon correlations, coincidence measurements, and photon bunching and antibunching.
• Introduction to two-photon interference and the Hong-Ou-Mandel effect.
• Spontaneous parametric down-conversion (SPDC) as a source of correlated photon pairs and non-classical light.
Prerequisites
Basic calculus, complex numbers, and linear algebra. Students should be familiar with elementary electromagnetism and wave physics, including harmonic waves, interference, and boundary conditions, as well as introductory quantum mechanics, including quantum states, observables, and measurements.
Teaching form
The course comprises 48 hours of teaching, organized as follows:
• 32 hours of asynchronous online lectures, delivered through 16 recorded two-hour lectures, in remote Didactic Delivery mode (DE).
• 16 hours of in-person interactive teaching (DI), consisting of guided problem-solving activities, quantitative exercises, analysis of optical systems, and discussion of applications.
Textbook and teaching resource
• Main reference: B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, 3rd ed., Wiley, 2019.
• Additional reference: M. Born and E. Wolf, Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light, 7th expanded ed., Cambridge University Press, 1999.
• Selected nonlinear-optics reference: R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 4th ed., Academic Press, 2020.
• Selected quantum-optics reference: M. Fox, Quantum Optics: An Introduction, Oxford University Press, 2006.
Semester
Second semester
Assessment method
No mid-term tests are scheduled. The final examination is an individual oral examination conducted in English. It includes a discussion of the main course topics and a simple quantitative problem or the analysis of an optical system.
The assessment evaluates knowledge and understanding of the physical principles, the ability to select and apply appropriate physical models to simple problems, quantitative reasoning, critical evaluation of assumptions and approximations, and clarity of presentation using appropriate scientific terminology.
A score below 18 indicates insufficient knowledge and results in failure. Scores from 18 to 23 indicate sufficient knowledge, scores from 24 to 27 indicate good knowledge, and scores from 28 to 30 indicate excellent knowledge. Within each range, the grade reflects critical analysis, reasoning, and communication skills. A grade of 30 with honours may be awarded for an outstanding examination demonstrating complete mastery of the subject, excellent autonomy of reasoning, and particularly clear and rigorous communication.
Office hours
By appointment.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Marco Clementi
