• Non ci sono risultati.

Universit`a di Roma ”La Sapienza” - Dipartimento di Fisica Guida al Corso di Ottica e Laboratorio 9 C.F.U. A.A. 2018/2019

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Condividi "Universit`a di Roma ”La Sapienza” - Dipartimento di Fisica Guida al Corso di Ottica e Laboratorio 9 C.F.U. A.A. 2018/2019"

Copied!
4
0
0

Testo completo

(1)

Universit`a di Roma ”La Sapienza” - Dipartimento di Fisica Guida al Corso di Ottica e Laboratorio

9 C.F.U. A.A. 2018/2019

Prof. A. Polimeni (A-DE), Prof. E. Del Re (DF-N), Prof. F. Sciarrino (O-Z)

Siti del corso:

Prof. A. Polimeni (A-DE):

https://antoniopolimeni-physics.weebly.com/ottica-e-laboratorio-fisica.html Prof. E. Del Re (DF-N):

https://sites.google.com/site/otticaelaboratorioedelre/

Prof. F. Sciarrino (O-Z):

https://sites.google.com/site/otticaelaboratorio2019/

Docenti e contatti

Prof. Antonio Polimeni (Canale A-DE), antonio.polimeni@roma1.infn.it tel. 0649914770 Dipartimento di Fisica - Edificio Marconi, stanza M310, ricevimento per appunta- mento tramite email.

Co-docente: Prof. Niccol`o Spagnolo

Prof. Eugenio Del Re (Canale DF-N), eugenio.delre@uniroma1.it (eugenio.delre@gmail.com) tel. 0649913501 cell. 3383693458, Dipartimento di Fisica - Edificio Fermi, stanza

F408, ricevimento per appuntamento tramite email.

Co-docente: Prof. Claudio Conti (3 CFU) Esercitatore: Prof. Michele Marrocco

Prof. Fabio Sciarrino (Canale O-Z), fabio.sciarrino@uniroma1.it tel. 0649913517, Dipartimento di Fisica - Edificio Fermi, stanza F507, ricevimento per appuntamen- to tramite email.

Co-docente: Prof. Niccol`o Spagnolo

Calendario e orario delle lezioni

Semestre: Inizio il 25/02/2019 e finisce il 14/06/2019 Orario Lezioni: Luned`ı 8-10, Mercoled`ı 8-10

Aule: Canale A-DE, Aula 3; Canale DF-N, Aula 4; Canale O-Z, Aula 6.

Esperienze: Il calendario delle esperienze svolte presso i laboratori didattici di Via Tiburtina verr`a comunicato dai singoli docenti.

Il Corso

L’obiettivo del corso `e quello di fornire allo studente le conoscenze degli aspetti principali dell’ottica fisica e geometrica. Questi riguardano lo studio teorico dei fe- nomeni ondulatori, in particolare l’interferenza e la diffrazione, nonch`e dei fenomeni legati alla polarizzazione della luce. Il comportamento delle onde elettromagnetiche all’interfaccia tra mezzi con propriet`a ottiche differenti sar`a studiato ai fini anche della comprensione dell’ottica geometrica. Il corso prevede inoltre lo studio di questi fenomeni in laboratorio con l’utilizzo di strumentazione scientifica a uso didattico.

Esperienze di laboratorio

Il laboratorio di Ottica si articola su 5 esperienze della durata di 4 ore ciascuna.

1

(2)

2

In un giorno lavorano 36 studenti divisi in 12 gruppi (3 studenti massimo per ban- co ottico). Durante lo svolgimento degli esperimenti ciascun gruppo `e tenuto a riportare su un computer portatile i dati raccolti e a fare una prima analisi che i docenti controllano in tempo reale. Conclusa l’esercitazione, ciascun gruppo ri- mette in ordine il tavolo ottico e informa il docente, che, dopo aver ispezionato il tavolo e verificato la rimessa in ordine della strumentazione, certifica la conclusione dell’esperienza da parte del singolo gruppo. La consegna della relazione di gruppo avviene entro 7 giorni. Lo schema tipico della relazione (scritta con un qualsiasi programma) consiste di una introduzione ai principi generali dell’esperimento, una descrizione della strumentazione a disposizione e delle misure fatte. Si passa poi all’analisi dei dati tramite i modelli nella introduzione. Segue una discussione dei dati e infine si giunge alle conclusioni. Tipicamente le relazioni variano da 4 a 6 fogli A4 (includendo i grafici e le tabelle). Non `e ammessa pi`u di una assenza alle esperienze di laboratorio. Per un numero di assenze maggiore il laboratorio dovr`a essere ripetuto l’anno successivo. Ove necessario e con preavviso al docente, saran- no possibili scambi di gruppi o singoli elementi con altri appartenenti a gruppi e/o canali differenti.

Valutazione relazioni di laboratorio

Ciascuna esperienza viene valutata in trentesimi dal docente. La media dei voti delle 5 esperienze costituisce il voto complessivo di laboratorio.

Esame

L’esame finale `e costituito da una prova orale. Tipicamente, l’orale prevede doman- de e/o lo svolgimento di esercizi sul programma e sulle esperienze di laboratorio, consentendo anche una valutazione dell’apporto individuale dello studente al lavoro svolto dal gruppo.

Voto finale

Il voto finale `e la media del voto di laboratorio e del voto della prova orale.

(3)

3

Programma

Il programma dettagliato materia d’esame `e quello riportato nel libretto delle lezioni dell’anno corrente (compilato e aggiornato dal docente al termine di ogni lezione).

Gli argomenti del corso, salvo possibili variazioni, `e quello riportato di seguito.

INTRODUZIONE

Introduzione al corso: lezioni, complementi, esercitazioni di laboratorio, modalit`a di esame.

RIFLESSIONE E RIFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE Richiami eq. di Maxwell ed eq. delle onde elettromagnetiche nella materia; Onda armonica piana. Teorema di Fourier. Eq. onde in un mezzo non omogeneo. Equa- zione di Helmholtz. Polarizzazione delle onde (pol. lineare, ellittica, circolare, non polarizzata) e rappresentazione vettoriale Vettore di Poynting. Vettore di Poynting per polarizzazione lineare. Vettore di Poynting per polarizzazione ellittica, circolare e per luce non polarizzata. Spettro delle onde e. m. (onde radio – raggi gamma).

Condizioni per le onde e. m. all’interfaccia tra due mezzi. Leggi della riflessione e della rifrazione. Esercizio rifrazione lastra di vetro. Principio di Fermat. Principio di Fermat e cammino ottico. Angolo limite ed esempi sulla rifrazione della luce. Fe- nomeni rifrattivi dell’atmosfera; Relazioni di Fresnel per onda e. .m polarizzata nel piano di incidenza. Relazioni di Fresnel per onda e. .m polarizzata ortogonalmente al piano di incidenza. Coefficienti di riflessione e trasmissione per luce comunque polarizzata. Angolo di Brewster. Grado di polarizzazione. Caso di incidenza nor- male. Polaroid e luce polarizzata. Polaroid e legge di Malus per diversi stati di polarizzazione. Polarizzazione e analogie con l’esperimento di Stern e Gerlach. On- da evanescente e applicazioni: cubo separatore di fascio e fluorescenza in modalit`a di riflessione totale interna. Riflessione interna totale e coefficienti di Fresnel. Fase onda riflessa e rombo di Fresnel. Esercizio rel. di Fresnel. Interferenza tra onde e.

m., sorgenti coerenti.

COERENZA DELLA LUCE E FENOMENI DI INTERFERENZA

Esperimento di Young e cammino ottico. Interferometro di Michelson. Funzioni di correlazione tra due campi e. .m e funzione di autocorrelazione. Teoria della coe- renza parziale e visibilit`a. Teorema di Wiener-Khinchin. Interferenza da una lastra a facce piane e parallele. Calcolo della visibilit`a di una sorgente laser in presenza di modi di cavit`a tramite il teorema di Wiener.Pacchetto d’onde e coerenza. Coerenza spaziale trasversale; Principio di Huyghens-Fresnel. Teorema di Green. Teorema integrale di Kirchhoff.

DIFFRAZIONE E INTERFERENZA

Diffrazione (caso di Fresnel e limite di Fraunhofer). Diffrazione alla Fraunhofer da fenditura calcolata con l’integrale di Kirchhoff. Diffrazione alla Fraunhofer da foro circolare calcolata con l’integrale di Kirchhoff. Potere risolutivo lineare di un foro e criterio di Rayleigh ed esempi. Potere separatore microscopio e apertura numerica.

Applicazioni e conseguenze della diffrazione. Diffrazione da reticolo calcolata con l’integrale di Kirchhoff. Distribuzione intensit`a da reticolo di diffrazione; Larghezza dei massimi di un reticolo di diffrazione. Potere dispersivo e potere risolutivo di un reticolo di diffrazione. Interferometro di Fabry-Perot, finesse. Free spectral range. Potere risolutivo di un interferometro di Fabry-Perot. Finesse di riflettivit`a, risoluzione e free spectral range di un interferometro di Fabry-Perot. Polarizzabilita’

elettronica statica di un atomo.

LA DISPERSIONE DELLA LUCE

Dispersione della luce, modello di Lorentz, e polarizzabilita’ elettronica complessa.

(4)

4

Dispersione della luce e coefficiente di assorbimento. Contributi alla polarizzabilita’

nei materiali in relazione alla pulsazione delle onde e.m. Costante dielettrica e indice di rifrazione complessi per gli isolanti.Velocita’ di fase e velocita’ di gruppo di un pacchetto d’onde. Dispersione normale e anomala. Indice di rifrazione complesso per i metalli: limite di bassa frequenza; Indice di rifrazione complesso per i metalli:

limite di alta frequenza e colorazione apparente dei metalli. Arcobaleno. Fibre ottiche.

ANISOTROPIA OTTICA E BIRIFRANGENZA

Cristalli anisotropi, tensore suscettivit`a dielettrica. Tensore suscettivit`a dielettrica e sue propriet`a matematiche per materiali trasparenti, ellissoide degli indici. Pro- pagazione di un’onda elettromagnetica in un cristallo anisotropo: onda ordinaria e straordinaria e direzione dei vettori coinvolti nella propagazione dell’onda. Leg- gi riflessione e rifrazione mediante principio di Huyghens-Fresnel. Costruzione di Huyghens dei fronti d’onda in un cristallo uniassico. Lamine di ritardo. Descrizio- ne matematica della polarizzazione, vettori e matrici di Jones. Rappresentazione matematica delle lamine di ritardo. Esempi di applicazione delle matrici di Jones. ; Parametri di Stokes e sfera di Poincar`e. Descrizione V esercitazione e misura speri- mentale dei parametri di Stokes.; Cristalli liquidi, lamine a ritardo variabile, display.

Potere rotatorio e birifrangenza circolare. Effetto di un campo magnetico sulle pro- priet`a ottiche di un dielettrico: rotazione di Faraday. Effetti elettro-ottici, tensore elettro-ottico. Esempi (KDP e niobato di litio) e modulatori elettro-ottici. Modu- latori di ampiezza e di fase. Prisma di rifrazione. Prisma di rifrazione, dispersione angolare e potere risolutivo.

OTTICA GEOMETRICA E MATRICIALE

Specchi sferici e costruzione delle immagini. Approssimazione dell’Ottica geome- trica e definizioni generali. Specchi sferici e costruzione delle immagini. Diottro.

Diottro composto e costruzioni delle immagini. Aberrazioni geometriche e croma- tiche. Funzionamento dell’occhio. Esempi.

Esperienze di laboratorio

1. Legge di Malus. Misura dell’angolo di Brewster.

2. Interferometro di Michelson. Misura del tempo di coerenza di un laser.

3. Diffrazione di un fascio laser in regime di Fraunhofer da fenditure, fori e fili.

4. Interferometro di Fabry e Perot.

5. Lamine di ritardo. Misura dei parametri di Stokes di uno stato di polarizzazione incognito.

Testi consigliati:

Sono disponibili numerosi testi di Ottica che trattano gli argomenti al livello adatto alle lezioni del nostro corso. Si consiglia il testo Grant R. Fowles, Introduction to Modern Optics, Dover Publications Inc., New York e le Dispense del Corso Frova- Mataloni. Parti del corso si possono trovare su P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci Fisica volume II, EdiSES, Napoli, e sul C. Mencuccini, V. Silvestrini, Fisica II, Li- guori Editore, Napoli. Una trattazione alternativa si pu`o trovare su Eugene Hecht, Optics - 4th edition (Addison-Wesley, 2002).

Roma, 12 febbraio 2019.

Riferimenti

Documenti correlati

condurre attraverso di essi cariche elettriche, accadrà che le molecole del materiale dielettrico pur non potendo passarsi elettroni liberi tra loro risentiranno comunque in

Queste prova ` e stata fatta sia per verificare come cambiano i parametri di macchina al variare del numero di barriere sia per mostrare le potenzialit` a del software che permette

[r]

[r]

Inoltre, una qualunque equazione nel dominio del tempo, cioè fra funzioni sinusoidali, può essere riscritta in forma equivalente nel dominio dei fasori, cioè in termini

Per ogni valore s ∈ Rn dell’incognita x, possiamo considerare il vettore scarto fra il primo ed il secondo membro b − As come l’errore che si commette assumendo che s sia

Partendo, infatti, da questo invariante è stato possibile ricavare analiticamente le rotazioni subite dal vettore di polarizzazione nei due casi precedentemente analizzati, ovve-

Due forze con uguale direzione e verso opposto hanno intensità di 12N e 7N.. Rappre- senta graficamente le due forze e la