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Coherent waves: laser, holography, teletransportation

01POGNX, 01POGJM, 01POGLM, 01POGLP, 01POGMB, 01POGMK, 01POGMN, 01POGMO, 01POGMQ, 01POGOA, 01POGOD, 01POGPC, 01POGPI, 01POGPL, 03POGOD

A.A. 2018/19

Course Language

Italian

Course degree

1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Electronic Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Mechanical Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Computer Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Electronic And Communications Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Chemical And Food Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Energy Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Mechanical Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Environmental And Land Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Mathematics For Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Computer Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Physical Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Cinema And Media Engineering - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Engineering And Management - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Engineering And Management - Torino
1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Physical Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 48
Esercitazioni in aula 12
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Pirri Candido Professore Ordinario FIS/03 36 4 0 0 3
Teaching assistant
Espandi

Context
SSD CFU Activities Area context
FIS/03 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2018/19
Il corso sviluppa ed analizza usando un linguaggio semplice alcune caratteristiche delle onde coerenti (in particolare quelle elettromagnetiche) evidenziando le implicazioni di interesse applicativo del concetto di coerenza di un fenomeno ondulatorio. Verranno discussi i laser, l’olografia, l’interferenza e la diffrazione di onde coerenti, ed alcune applicazioni quantistiche quali la crittografia quantistica ed il teletrasporto. Verrà utilizzato un approccio euristico per dar modo al corso di essere fruito da studenti che afferiscono a più corsi di laurea triennale, preferibilmente ma non esclusivamente nell’area dell’ingegneria dell’informazione. Le conoscenze trasmesse allo studente riguardano: - i princìpi di funzionamento di un laser - gli strumenti per la trattazione matematico-fisica della coerenza ottica - i princìpi dell’olografia - i princìpi dell’informazione e della crittografia quantistica - i rudimenti del teletrasporto quantistico
Aim of this course is to develop and analyze some features of coherent waves (mostly electromagnetic) using a simple language and focusing on specific aspects of coherence with specific interest in applications. The course will deal with lasers, holography, interference and diffraction of coherent waves, and some modern applications of quantum mechanics, such as quantum cryptography and teleportation. A heuristic approach will be used; the course can be taken by students following different BSc learning programs, preferably but not exclusively in the area of Information Engineering.
Le conoscenze trasmesse allo studente riguardano: - i princìpi di funzionamento di un laser - gli strumenti per la trattazione matematico-fisica della coerenza ottica - i princìpi dell’olografia - i princìpi dell’informazione e della crittografia quantistica - i rudimenti del teletrasporto quantistico Le abilità trasmesse consistono: - nella progettazione di semplici esperimenti di interferenza e diffrazione della luce - nell’utilizzazione della sorgente laser più adatta ad una specifica applicazione industriale - nella progettazione di un semplice insieme di dispositivi ottici per la formazione di ologrammi statici
The knowledge transmitted by the course to students involves: - the working principle of a laser - the mathematical and physical tools for the treatment of coherence- - the principles of holography - the principles of quantum information and cryptography - the basics of quantum teleportation The transmitted abilities include: - designing simple experiments of interference and diffraction of light - selecting the type of laser most advantageous to a specific industrial application - designing a simple set of optical devices for taking static holograms
Le conoscenze ritenute già acquisite riguardano la Fisica di base (meccanica, termodinamica, elettromagnetismo), e le Matematiche di base (Analisi I e II e Geometria) e la Chimica di base (livelli atomici e molecolari, transizioni). Le abilità che gli studenti devono già possedere sono: l'applicazione delle leggi dell'elettromagnetismo classico; l'applicazione del calcolo differenziale ed integrale in una e più dimensioni; l'applicazione di concetti di algebra lineare (matrici, vettori, operatori lineari)
The students must know the subjects of elementary Physics (mechanics, thermodynamics, electromagnetism), basic Mathematics (Calculus I, Calculus II, Geometry) and chemistry (atomic and molecular levels, transitions). The abilities a student must have include: applying the laws of classical electromagnetism; applying differential and integral calculus in one and more than one dimensions; applying the basic concepts of linear algebra (matrices; vectors; linear operators)
1) Concetto di onda: richiami dalla fisica elementare. Generazione di onde: esempi di sorgenti elementari. Concetto elementare di coerenza di un’onda (1 cr.) 2) Produzione di onde elettromagnetiche coerenti: princìpi fisici del laser; tipi di laser. Caratteristiche ed applicazioni della radiazione coerente emessa da un laser (1,5 cr.) 3) Interferenza di luce coerente (0,5 cr) 4) Visibilità delle frange di interferenza e trattazione quantitativa della coerenza di un’onda. Coerenza spaziale e temporale. Misura della coerenza di un’onda, tecniche per la misura della coerenza parziale (1 cr.) 4) L’olografia e gli ologrammi (0,5 cr) 5) Interferometri classici: di Michelson e di Fabry-Perot (0,5 cr.) 6) Interferometria quantistica dei fotoni: applicazioni alle moderne tecniche di trattamento dell’informazione ed alla crittografia quantistica (0,5 cr) 7) Stati altamente correlati ("entangled") di particelle quantistiche. Applicazioni al teletrasporto quantistico. (0,5 cr)
1) Meaning of a wave: recollection from basic physics. Wave generation: examples of elementary sources. Elementary description of wave coherence (1 ECTS) 2) Coherent electromagnetic wave generation: physical principles of the laser, types of lasers. Features and applications of coherent radiation from a laser (1,5 ECTS). 3) Interference of coherent light (0,5 ECTS) 4) Visibility of interference fringes and quantitative treatment of wave coherence. Spatial and temporal coherence. Measurement of the coherence of a wave; techniques for the measurement of partial coherence (1 ECTS) 5) Holography and holograms (0,5 ECTS) 6) Classical interferometers: Michelson’s and Fabry-Perot’s (0,5 ECTS) 7) Quantum interferometry of photons: application to the modern techniques of information treatment and quantum cryptography (0,5 ECTS) 6) Entangled states of quantum particles. Application to quantum teleportation (0,5 ECTS)
Le esercitazioni, a squadra unica, riguardano la trattazione di semplici esempi numerici relativi agli argomenti trattati nel corso.
Simple numerical examples of the subjects treated in the course will be solved in practice classes involving all students
Per le parti generali sono consigliati i seguenti testi: G.R. Fowles Introduction to modern optics Dover Publications K. F. Renk Basics of Laser Physics for Students of Science and Engineering Springer Per le parti più specializzate: Gerhard K. Ackermann and Jürgen Eichler Holography - A Practical Approach Wiley nonché il materiale didattico fornito dal docente e disponibile sulla pagina web del corso.
General issues and problems: G.R. Fowles Introduction to modern optics Dover Publications K. F. Renk Basics of Laser Physics for Students of Science and Engineering Springer Specific issues: Gerhard K. Ackermann and Jürgen Eichler Holography - A Practical Approach Wiley and supporting material provided by the teacher in PPT format on the course webpage.
Modalità di esame: prova scritta; prova orale facoltativa;
La verifica dell’apprendimento avviene mediante una prova scritta integrabile con un prova orale. Lo scritto, della durata massima di 1,5 ore, consiste di una prima parte comprendente quesiti a risposta multipla ed asserzioni la cui validità è da verificare o indicare falsa, nella quale gli studenti possono usare materiale didattico stampato, seguita immediatamente da una seconda parte nella quale gli studenti devono rispondere per iscritto e per esteso ad un quesito di carattere generale attinente al programma svolto; in questa seconda parte non è consentito l’uso di supporti didattici di alcun tipo. Se lo studente non opta per la prova orale integrativa il punteggio dello scritto, espresso in trentesimi, corrisponde al voto. In caso di orale integrativo il voto sarà una media ponderata dell’esito dello scritto e di quello dell’orale..
Exam: written test; optional oral exam;
The exam is a written test followed by a non-compulsory oral test. The written test has a max. duration of 1,5 hrs and consists of a first part with questions with multiple answers and sentences whose validity is to assess or disprove (in this part the students can use supporting material in printed form); followed by a second part where students must answer in writing to a general question pertinent to the program (in this part the students cannot use any supporting material). If the student does not ask for the oral test, the score of the written test gives the final mark. If the student asks for the oral test instead, the final mark is a weighted average between the scores of the written and oral parts.


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