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2 http://www.lens.unifi.it/nanostructures/Progress_in_photonics/Program.php

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4 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)

5 PHOTONICS Electronic: controlling the flow of electrons in crystals (potential modulation) Photonics: controlling the flow of light in crystals (dielectric modulation)

6 PHOTONICS Electronic: controlling the flow of electrons in crystals (potential modulation) Photonics: controlling the flow of light in crystals (dielectric modulation)

7 PHOTONICS CRYSTALS periodic dielectric

8 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 http://e-l.unifi.it/

9 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. Gaponenko3.3 6.1,6.2)) 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. 13.. 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, 041401 (2008). [3] S. Vignolini et al. PRL105, 123902 (2010) [4] S. Vignolini et al. APL 94,151103 (2009) [5] S. Vignolini et al. APL 96,141114 (2010) [6] S. Vignolini et al. APL 97,063101 (2010) [7] G. Kitrova and H. M. Gibbs, Nonlinear optics of normal- mode coupling semiconductor microcavities, Review of Modern Physics 71, 1591 (1999)

10 Richiami onde in mezzi omogenei, isotropi e lineari

11 Equazioni Maxwell nel vuoto Equazione delle onde

12 Equazioni di Helmholtz Relazione dispersione Scomposizione in armoniche

13 Onde elettromagnetiche   

14 Onde piane

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16 Energia elettromagnetica

17 Notazione reale Notazione complessa

18 Interazione con la materia Atomo H Quantistico Classico

19 Vettore di Poynting Notazione complessa

20 Polarizzazione

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22 Onde piane: polarizzazione

23 Polarizzazione circolare

24 Equazioni Maxwel nella materia

25 Equazioni Maxwell nella materia

26 Equazioni Maxwell semplificate nella materia Mezzi lineari Non metalli

27 Equazioni Maxwell risemplificate nella materia Mezzi omogenei e isotropi

28 Equazione delle onde Equazioni Maxwell risemplificate nella materia

29 Equazioni di Helmholtz Relazione dispersione

30 Onde piane

31 Energia elettromagnetica

32 Vettore di Poynting

33 Lamine ritardanti d z x y

34 Lamine /2 z x y

35 Lamine /4

36 Polarizer prisms Glan Thompson Glan Foucault Glan Taylor Wollaston

37 Velocità di gruppo

38 Sovrapposizione onde Battimenti

39 Velocità di fase Velocità di gruppo Sovrapposizione onde v-v- v+v+

40 Group velocity

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42 Impulso di luce

43 Velocità di gruppo

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45 Group velocity

46 Velocità di gruppo

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48 Pacchetto di 3-4 wavelets