ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| LABORATORIO DI FISICA DELLA MATERIA E NANOTECNOLOGIE | FIS/01 | LEZIONI | 135 |
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Metodologie sperimentali di analisi spettrale, interferometria, olografia ed ottica guidata. Apparati laser. Principi alla base dei metodi nanolitografici e microlitografici.
Experimental methods for spectral analysis, interferometry, holography and guided optics. Lasers. Nano- and micro-lithographic processes.
Lo studente deve dimostrare di saper mettere in pratica e di eseguire, con spirito critico, le attività sperimentali svolte durante il corso, e conoscerne dettagliatamente i principi alla base. Durante l’esame orale lo studente deve usare la terminologia idonea alla descrizione dei fenomeni fisici. Metodi: Relazioni redatte dal gruppo di lavoro, una per ogni esperienza effettuata. Esame orale.
The student will show the ability to put into practice and carry out, with critical awareness, the experimental methods learned during the course. During the oral exam, the student will need to use scientifically appropriate terminology and sentencing to describe physical phenomena. Methodology: Reports on each experiments prepared by the student team, plus final, individual oral examination.
Capacità sperimentali nell’ambito dell’ottica avanzata, della fotonica, dei materiali e dei processi nano- e micro-tecnologici. Stesura di relazioni scientifiche.
Experimental skills in the field of advanced optics, photonics, materials sciences, nano- and micro-technologies. Preparation of scientific reports.
Le capacità sperimentali vengono gradualmente affinate durante lo svolgimento del corso e verificate durante la prova finale. La qualità e correttezza delle relazioni fanno parte degli aspetti di valutazione.
Experimental skills will be progressively enhanced during the course, and tested during the final examination. The quality and accuracy of reports are also evaluated.
Impiego corretto di strumentazione avanzata, uso di terminologia scientifica corretta e capacità di ragionamento logico negli ambiti dell’ottica avanzata, della fotonica, della scienza dei materiali, delle nano- e micro-tecnologie. Lo studente potrà saper gestire responsabilità di co-conduzione di un team di progetto. Saranno acquisite opportune accuratezza e precisione nello svolgere attività di raccolta e analisi di dati sperimentali.
Correct use of advanced instruments, correct use of scientific terminology and sentencing, and logical skills in the fields of advanced optics, photonics, materials sciences, nano- and micro-technologies. Students will be also able to manage the responsibility of co-managing a team project. Accuracy and precision when collecting and analysing experimental data will be enhanced as well.
I comportamenti obiettivo di apprendimento vengono gradualmente affinati durante lo svolgimento del corso e verificati durante la prova finale.
Correct behaviours will be progressively enhanced during the course, and tested during the final examination.
Conoscenze fondamentali di elettromagnetismo, onde e.m. (Fisica 2). Conoscenze fondamentali di interazione radiazione-materia. (Fisica 2, Struttura della materia).
Principles of electromagnetism, e.m. waves, principles of light-matter interaction.
La prima parte del corso consiste in lezioni. Gli studenti vengono inoltre suddivisi in gruppi di lavoro. Seguono le esperienze di laboratorio, calendarizzate per ciascun gruppo di lavoro. Alla fine del corso viene redatta, da ciascun gruppo di lavoro, una relazione per ogni esperienza di laboratorio. Le relazioni devono pervenire al docente prima che il primo componente del gruppo sostenga l’esame orale. Per una migliore organizzazione si consiglia di concordare sempre via email il ricevimento su appuntamento con il docente.
The first part of the course will be delivered through lectures. Students will be grouped in teams. The second part of the course will consist in laboratory experiments. Each team will have to prepare a detailed report on each experiment, and all the reports will have to be delivered before the first examination of a team member. For optimal organization, students are suggested to fix meetings with the course professors by preliminary emails.
Introduzione. Riepilogo dei principali concetti riguardanti le onde elettromagnetiche. Equazioni d’onda. Onde scalari, onde piane ed onde sferiche. Onde vettoriali. Vettore di Poynting. Polarizzazione. Proprietà cinematiche e dinamiche della riflessione e della rifrazione. Leggi di Fresnel. Metodi di polarizzazione e di analisi della luce. Riflessione totale.
Fenomeni di interferenza. Esperimenti in divisione di fronte d’onda (Young, specchi di Fresnel, Lloyd). Esperimenti in divisione di ampiezza. Interferometro di Michelson e suo impiego per la misura di proprietà di materiali piezoelettrici e di indici di rifrazione. Interferenza da fasci multipli. Dipendenza del potere risolvente dalla riflettività degli specchi. Interferometro di Fabry-Perot.
Olografia. Interferenza applicata alla registrazione di immagini. Fasci oggetto, di riferimento e di ricostruzione. Materiali fotosensibili, fotopolimeri, fotocromici. Tridimensionalità degli ologrammi. Linearità delle procedure di esposizione. Generazione e separazione di immagini reali e virtuali. Ologramma di Gabor. Olografia fuori asse (Leith-Upatnieks). Aspetti sperimentali. Applicazioni. Cenni su olografia generata da computer e piattaforme di realtà aumentata.
Raggi ottici parassiali. Metodo matriciale. Fasci Gaussiani. Evoluzione di un fascio Gaussiano e sua focalizzazione. Dispositivi laser e risuonatori ottici. Diagramma di stabilità.
Fibre ottiche. Aspetti costruttivi, parametri caratteristici. Processi nano- e micro-litografici. Materiali polimerici. Litografie espositive. Processi di litografia ottica. Litografie non espositive, litografie soffici. Ambiti applicativi.
Analisi di superfici e microscopia a forza atomica.
Esperienze di laboratorio correlate agli argomenti del corso.
Introduction. Summary of principles of e.m. waves. Wave equation. Scalar waves. Plane waves. Spherical waves. Vectorial waves. Poynting vector. Polarization states. Kinematic and dynamic properties of refraction and reflection of light. Fresnel equations. Polarization and analysis of light. Total reflection.
Interference phenomena. Experiments with division of wavefront (Young, Fresnel’s mirror, Lloyd). Experiments with division of amplitude. The Michelson interferometer and its use for measurements of piezoelectric properties and refractive index. Multiple beam interference. Resolving power and its dependence on mirror reflectivity. The Fabry-Perot interferometer.
Holography. Interference for image reconstruction. Object-scattered wave, reference wave, reconstruction wave. Photosentitive materials, photopolymers, photochromic materials. Tridimensional features of holograms. Linearity of exposure processes. Generation and separation of real and virtual images. Gabor hologram. Off-axis holography (Leith-Upatnieks). Experimental aspects and applications. Mention to computer-generated holography and augmented reality.
Paraxial optical rays. Optical ray matrices. Gaussian beams. Propagation and focusing of Gaussian beams. Laser devices and optical resonators. Stability diagram.
Optical fibers. Characteristic parameters. Nano- and micro-lithographic processes. Polymer materials. Exposure-based lithographies. Optical lithography. Alternative methods: soft lithographies. Examples of application fields.
Surface analysis and atomic force microscopy.
Laboratory experiments.
- Max Born and Emil Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press.
- Joseph W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill.
- Anthony E. Siegman, Lasers, University Science Books.
Materiale didattico supplementare (ad es. articoli scientifici particolarmente significativi), potrà essere consegnato dal docente agli studenti direttamente durante le lezioni.
- Max Born and Emil Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press.
- Joseph W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill.
- Anthony E. Siegman, Lasers, University Science Books.
Further materials (e.g. relevant scientific papers) can be delivered during lectures.
Valutazione delle relazioni ed esame orale finale.
Evaluation of reports plus final oral examination.
Per gli insegnamenti di Laboratorio di Fisica della Materia e Nanotecnologie S (Cod. 412BB) per il Corso di Laurea Magistrale in Fisica (9 CFU) e di Quantum Optics Lab (Cod. 261BB) per il Corso di Laurea Magistrale in Materials and Nanotechnology (9 CFU), le esperienze di laboratorio sono in numero-grado generale di complessità inferiore rispetto al corso Laboratorio di Fisica della Materia e Nanotecnologie.
For courses: Materials and Nanotecnology Laboratory S (Cod. 412BB) (Physics, 9 CFU) and Quantum Optics Lab (Cod. 261BB) (Materials and Nanotechnology, 9 CFU), laboratory experiments will be in lower number/at lower complexity than in Course Materials and Nanotecnology Laboratory.
