Ottica non lineare e fotonica quantistica
A.A. 2024/2025
Learning objectives
L'insegnamento intende fornire le nozioni basilari per la descrizione dell'interazione della radiazione con i mezzi ottici nonlineari, sia in ambito classico che quantistico. Tramite la risposta ottica nonlineare si discutono la generazione di nuove frequenze, la generazione di singoli fotoni e di stati non classici, e se ne studiano le proprietà quantistiche. Vengono inoltre discusse alcune moderne applicazioni della fotonica, della propagazione della radiazione in fibre ottiche e della manipolazione di segnali ottici.
Expected learning outcomes
Al termine dell'insegnamento lo studente avrà acquisito le seguenti competenze:
1) comprensione dei fenomeni dell'interazione nonlineare tra la radiazione e i mezzi ottici, parametrici e non parametrici
2) conoscenza delle caratteristiche basilari della propagazione degli impulsi nelle fibre ottiche
3) conoscenza delle tecniche di ottica nonlineare per la generazione di singoli fotoni e di stati non classici della radiazione
4) conoscenza delle principali applicazioni della moderna
fotonica e delle tecniche di manipolazione di segnali ottici
1) comprensione dei fenomeni dell'interazione nonlineare tra la radiazione e i mezzi ottici, parametrici e non parametrici
2) conoscenza delle caratteristiche basilari della propagazione degli impulsi nelle fibre ottiche
3) conoscenza delle tecniche di ottica nonlineare per la generazione di singoli fotoni e di stati non classici della radiazione
4) conoscenza delle principali applicazioni della moderna
fotonica e delle tecniche di manipolazione di segnali ottici
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Course syllabus and organization
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
1) Origine della nonlinearità ottica e della polarizzazione elettrica lineare e nonlineare
2) Nonlinearità al secondo ordine, generazione di seconda armonica e radiazione THz, anche con cristalli Periodically Poled
3) Nonlinearità al terzo ordine ed effetto Kerr, four-wave-mixing e coniugazione di fase
4) Propagazione in fibra: self-phase modulation e generazione di solitoni temporali e spaziali
5) Cenni ai dispositivi fotonici e applicazioni
6) Stati del campo elettromagnetico quantizzato e loro proprieta'. Fotoni e campo elettrico. Principio di indeterminazione
7) Quantizzazione nel mezzo nonlineare e Hamiltoniana efficace
8) Interazioni parametriche e generazione di fotoni da down-conversion spontanea
9) Generazione di stati non classici e stati squeezed. Cenni alle applicazioni tecnologiche basate su coppie di fotoni correlati.
2) Nonlinearità al secondo ordine, generazione di seconda armonica e radiazione THz, anche con cristalli Periodically Poled
3) Nonlinearità al terzo ordine ed effetto Kerr, four-wave-mixing e coniugazione di fase
4) Propagazione in fibra: self-phase modulation e generazione di solitoni temporali e spaziali
5) Cenni ai dispositivi fotonici e applicazioni
6) Stati del campo elettromagnetico quantizzato e loro proprieta'. Fotoni e campo elettrico. Principio di indeterminazione
7) Quantizzazione nel mezzo nonlineare e Hamiltoniana efficace
8) Interazioni parametriche e generazione di fotoni da down-conversion spontanea
9) Generazione di stati non classici e stati squeezed. Cenni alle applicazioni tecnologiche basate su coppie di fotoni correlati.
Prerequisiti
Concetti fondamentali di:
a) campo elettromagnetico classico e onde elettromagnetiche nel vuoto e nei mezzi lineari; b) elementi di meccanica quantistica non relativistica, in particolare per la descrizione dell'oscillatore armonico; c) nozioni di base sulla quantizzazione del campo elettromagnetico.
a) campo elettromagnetico classico e onde elettromagnetiche nel vuoto e nei mezzi lineari; b) elementi di meccanica quantistica non relativistica, in particolare per la descrizione dell'oscillatore armonico; c) nozioni di base sulla quantizzazione del campo elettromagnetico.
Metodi didattici
L'insegnamento viene erogato tramite lezioni e discussioni in aula, eventualmente supportate da proiezioni PowerPoint. La frequenza è fortemente consigliata.
Materiale di riferimento
Libri di riferimento e consultazione sugli argomenti trattati nell'insegnamento:
R.W.Boyd, "Nonlinear Optics" (IV ed), Academic Press
P.E.Powers, "Fundamentals of Nonlinear Optics" , CRC Press
C.G.Gerry and P.L.Knight, "Introductory Quantum Optics", Cambridge University Press
W.K.Hill , C.H.Lee , "Light Matter Interaction: Atoms and
Molecules in External Fields and Nonlinear Optics", Wiley
Per alcuni argomenti vi sono anche dei materiali scaricabili da una sezione apposita nel sito web didattico ARIEL dell'Universita' https://fcastellioq.ariel.ctu.unimi.it/v5/Home/
R.W.Boyd, "Nonlinear Optics" (IV ed), Academic Press
P.E.Powers, "Fundamentals of Nonlinear Optics" , CRC Press
C.G.Gerry and P.L.Knight, "Introductory Quantum Optics", Cambridge University Press
W.K.Hill , C.H.Lee , "Light Matter Interaction: Atoms and
Molecules in External Fields and Nonlinear Optics", Wiley
Per alcuni argomenti vi sono anche dei materiali scaricabili da una sezione apposita nel sito web didattico ARIEL dell'Universita' https://fcastellioq.ariel.ctu.unimi.it/v5/Home/
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste in un colloquio che verte sugli argomenti trattati nell'insegnamento. Durante l'esame, della durata media di 1 ora, verranno valutate sia le competenze e la qualita' dell'esposizione, sia le capacità critiche e di ragionamento acquisite dallo studente nella comprensione dei fenomeni dell'interazione del campo di radiazione con mezzi nonlineari, nella fisica della generazione di segnali a varie frequenze e nella descrizione delle moderne applicazioni.
Professor(s)
Ricevimento:
martedi' 14:30 - 19:00
Dip. Fisica via Celoria 16, studio V piano (A/5/C3)