LED, CCD, PD (Optoelectronics) Lasers, amplifiers (Quantum electronics) Quantum sources (Quantum optics) Fibers, interconnections (Optical communication) Modulators, switches (Electro-optics) It is an old denomination Generally speaking it included PHOTONICS (optical devices)
PHOTONICS Electronic: controlling the flow of electrons in crystals (potential modulation) Photonics: controlling the flow of light in crystals (dielectric modulation)
PHOTONICS Electronic: controlling the flow of electrons in crystals (potential modulation) Photonics: controlling the flow of light in crystals (dielectric modulation)
PHOTONICS CRYSTALS periodic dielectric
1) Richiami onde E&M 2) Formalismo fotonica 3) Case study (cristalli 1D) 4) Cristalli 2D, 3D, slab. 5) Applicazioni: propagazione 6) Applicazioni: emissione PROGRAMMA
Lezioni fotonica 1.Richiami di elettromagnetismo. Eq. Maxwell. Eq. Onde. Onde piane e sferiche. Polarizzazione e notazione complessa. Vettore di Poynting ed energia elettromagnetica. Dielettrici, vettore polarizzazione.Suscettività. Costante dielettrica. Eq. Onde mezzi materiali. Dispersione e velocità di gruppo (Mencuccini, IX 1-9; X.3,5,6) 2.Emissione di dipolo. Propagazione nei dielettrici come somma delle onde elementari. Teorema di estinzione (Mencuccini IX-15, [1]) 3.Boundary conditions. Eq. Di Snell. Onde s e p. Relazioni di Fresnel. Angolo di Brewster e sua interpretazione con teorema di estinzione. Left handed materials (Mencuccini, X.1,2) 4.Cristalli anisotropi. Onda ordinaria e straordinaria. Onde non traverse. Velocità di gruppo non parallela a k. Birifrangenza (Yariv4) 5.Riflessione totale interna. Onde evanescenti. Goos Hänchen shift. Cenni near field optics. (Mencuccini, X.1,2, Ghatak11) 6.Modi guidati in slab. Modello Drude-Lorentz. Propagazione nei metalli Frequenza di plasma(S:V. Gaponenko ,6.2)) 7.Introduzione cristalli fotonici. Master equation. Hermitianicità, ortogonalità (Joannpoulus, 2) 8.Principio variazionale. Legge di scala. Spettro discreto e continuo. (Joannpoulus, 2). 9.Teoria delle perturbazioni. Teorema di Bloch. Esistenza bande. Analogia con MQ. (Joannpoulus, 2,3) 10.Caso unidimensionale. Multilayer. Matrici M. (Saleh,7) 11.Bragg mirror calcolo esplicito con matrici M.Esistenza stop band e sua interpretazione (Salech,7) 12.Bragg Mirror con bande. Esistenza stop band e sua interpretazione Gap/mid gap ratio Stati fotonici. Propagazione fuori angolo. Omnidirectional mirrors. (Joannpoulus, 4) 14.PhC in due dimensioni. Modi TE e TM. Origine band gap. Distribuzione dei modi, stati di superficie. (Joannopolous 5-9) 15.PhC in tre dimensioni. Opali. Yablonite e true photonic band gap. Membrane e slab (Joannopolous 6,8) 16. Quasi crystals. Fibonacci multilayer (Trasparenze) 17.Difetto unidimensionale. Cavità FP. Calcolo FP con riflessioni multiple. Dispersione modo MC planare. Guide d’onda. Difetti di punto. Difetti in 3D. (Joannpoulus, 4) 18.Applicazioni per la propagazione in PhC. Refrazione negativa, Superrefraction, Superlens, Superprism. (Joannopolous 6,10 pg221, J.M.Lourtioz et al. 6) 19.Emettitori a semiconduttore QDs. QDs in nanocavità. Effetto Purcell. Importanza della LDOS (J.M.Lourtioz et al. 7) 20.. Laser senza soglia. QDs come emettitori di singolo fotone. Funzioni di correlazione di campo e cenni HBT. Cenni criptografia quantistica. (J.M.Lourtioz et al. 7, 10.5) 21.Strong couling. Modello di Jaynes and Cummings.Ottimizzazione Q factor di cavità 22.Mode Imaging. Calcolo tip tuning con punta dielettrica e mapping della LDOS. Magnetic imaging ([2,3]) 23.Ottica nei metalli, effetto pelle. Plasmone di superficie (S:V. Gaponenko 6.1,6.2) Nanoparticelle metalliche. Plasmone di superficie dipolare. Cenni a SERS, antenne e metamateriali (S:V. Gaponenko 6.1,6.2, 6.3) 24. Molecole fotoniche. Tunneling e accoppiamento: Controllo detuning e accoppiamento([3,6]) Libri consigliati Richiami elettromagnetismo C. Mencuccini e V. Silvestrini, Fisica II, Elettromagnetismo Ottica, (Liguori editore 1998) Onde evanescenti A.K. Ghatak and K. Thyagarajan, Contemporary Optics, (Plenum Press) Cristalli Anisotropi A. Yariv and P. Yeh, Optical waves in crystals (Wiley ) Matrici M e sistemi 1D B.E.A.Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics (Wiley, 2 nd Edition) Quantum well e dots P. Harrison, Quantum wells, wires and dots, (Wiley) Cristalli fotonici J.D.Joannopolous, S.G.Johnson, J.N.Winn andR.D.Meade, Photonic Crystals (Princeton University Press, 2 nd Edition) J-M. Lourtioz: Photonic Crystals, towards nanoscale photonic devices (Springer 2005) Plasmonica Sergey V. Gaponenko, Introduction to Nanophotonic, (Cambridge 2010) Articoli [1] G.C. Reali, Reflection from dielectric materials, Am. J. Phys. 50, 1133 (1982) [2] F. Intonti et al. Phys. Rev. B 78, (2008). [3] S. Vignolini et al. PRL105, (2010) [4] S. Vignolini et al. APL 94, (2009) [5] S. Vignolini et al. APL 96, (2010) [6] S. Vignolini et al. APL 97, (2010) [7] G. Kitrova and H. M. Gibbs, Nonlinear optics of normal- mode coupling semiconductor microcavities, Review of Modern Physics 71, 1591 (1999)
Richiami onde in mezzi omogenei, isotropi e lineari
Equazioni Maxwell nel vuoto Equazione delle onde
Equazioni di Helmholtz Relazione dispersione Scomposizione in armoniche
Onde elettromagnetiche
Onde piane
Energia elettromagnetica
Notazione reale Notazione complessa
Interazione con la materia Atomo H Quantistico Classico
Vettore di Poynting Notazione complessa
Polarizzazione
Onde piane: polarizzazione
Polarizzazione circolare
Equazioni Maxwel nella materia
Equazioni Maxwell nella materia
Equazioni Maxwell semplificate nella materia Mezzi lineari Non metalli
Equazioni Maxwell risemplificate nella materia Mezzi omogenei e isotropi
Equazione delle onde Equazioni Maxwell risemplificate nella materia
Equazioni di Helmholtz Relazione dispersione
Onde piane
Energia elettromagnetica
Vettore di Poynting
Lamine ritardanti d z x y
Lamine /2 z x y
Lamine /4
Polarizer prisms Glan Thompson Glan Foucault Glan Taylor Wollaston
Velocità di gruppo
Sovrapposizione onde Battimenti
Velocità di fase Velocità di gruppo Sovrapposizione onde v-v- v+v+
Group velocity
Impulso di luce
Velocità di gruppo
Group velocity
Velocità di gruppo
Pacchetto di 3-4 wavelets