Storia della luce: dal sole al laser ed alla
fotonica
Vittorio Degiorgio
Università di Pavia
- La luce: un’onda elettromagnetica che si propaga trasportando
energia e quantità di moto.
- Frequenza (ν) e lunghezza d’onda (λ): dalle onde radio ai
raggi X
- Nel vuoto la velocità dell’onda è: c = λν = 3x108 m/s
- Onde visibili a frequenza crescente : rosso, arancione, giallo,
verde, blu, violetto
Perché la luce è interessante?
• La luce è l’inizio di tutto! Si comincia con “FIAT LUX”, quando?
5775 anni fa secondo la Bibbia, ma la data è controversa.
• Attraverso la luce vediamo il mondo
• Luce solare: sorgente di energia per la Terra
• Nascita della fisica moderna
• LASER e LED: applicazioni rivoluzionarie
• Opportunità di carriera?
VD
- Laurea al Politecnico di Milano
- Ricercatore presso i Laboratori CISE, Milano
- Ricercatore presso il Massachusetts Institute of Technology
(MIT), Boston
- Professore presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di
Pavia dal 1980 al 2011
- Professore Emerito dell’Università di Pavia
VD and Marzio Giglio – MIT - 1969
Ottica nonlineare
Fotonica
• Il quanto di energia luminosa si chiama fotone. Per una
radiazione a frequenza ν, il quanto di energia è hν.
• Fotonica (in analogia con Elettronica) è la disciplina che
riguarda la scienza, la tecnologia e le applicazioni delle
sorgenti di luce.
International Year of Light
• On 20 December 2013, the United Nations (UN) General
Assembly 68th Session proclaimed 2015 as the International
Year of Light and Light-based Technologies (IYL 2015).
• Light is at the origin of all life, it plays a central role in human
activities,
and
has
revolutionized
society
through
communications and medicine, industrial production and
sensing, entertainment and culture. Industries based on light
are major economic drivers; they create jobs, and provide
solutions to global challenges in energy, education, agriculture
and health. Light is also important to our appreciation of art,
and optical technologies are essential in understanding and
preserving cultural heritage.
• Evento a Milano, ottobre 2015, società Edison
Programma
• Un po’ di storia
• LASER e LED: alcune applicazioni
• Fotonica a Pavia
La luce nel mondo antico e medioevale
• Per gli antichi Egizi la natura della luce era chiara: la luce è lo
sguardo di Dio.
• Per i filosofi greci (Empedocle, Platone, Aristotele, ...) la luce
diventa una emanazione dell’occhio umano.
• Il matematico Euclide (Alessandria, Egitto) scrive attorno al 300
a.C. il primo libro di Ottica. Non si occupa della natura della
luce, ma delle proprietà geometriche dei raggi luminosi.
• Nel 1015 Alhazen (965 Basra – c. 1040 Cairo) scrive un libro di
Ottica, resuscitando il lavoro di Euclide
• Nel 1300 nascono le lenti, gli occhiali
Galileo (1564 – 1642)
Importanza dell’osservazione sperimentale
Nella seconda metà del 1600 ci furono alcuni importanti risultati
riguardanti le proprietà della luce. Ne cito due
- La prima misura della velocità di propagazione della luce, da
parte di Rømer (anche Galileo ci aveva provato)
- La scoperta che la luce bianca è la somma di tanti colori, da
parte di Newton
Velocità della luce (1676)
Ole
Rømer
(1644-1710),
astronomo danese, ritratto dal
vivo.
Cercava
un
metodo
per
misurare
la
longitudine
attraverso l’osservazione del
moto dei satelliti di Giove
(suggerimento di Galileo).
Longitude Act, British Government, 1714
Velocità della luce: 300 milioni di km in
1000 secondi (circa 16 minuti), quindi
300000 km/s
• Roemer measured the speed of light by timing eclipses of Jupiter's
moon Io. In this figure, S is the Sun, E1 is the Earth when closest to
Jupiter (J1) and E2 is the Earth about six months later, on the
opposite side of the Sun from Jupiter (J2).
Isaac Newton (1642- 1727)
I colori (1665?)
Alexander Pope, 1727
"Nature and nature's laws lay hid in the night; God said, "Let
Newton be", and all was light"
Colori
Tutti i colori possono essere creati per somma in
diverse proporzioni dei tre colori primari (red,
green, blue, RGB).
Thomas Young (1773-1829) suggerì che
nell’occhio esistono tre tipi differenti di
fotorivelatori, corrispondenti ai tre colori primari.
L’ipotesi di Young fu verificata solo nel 1965:
quando venne ottenuta la conferma sperimentale
che nell’occhio ci sono tre tipi differenti di coni.
La riproduzione di immagini a colori è basata
sulla sovrapposizione RGB.
Colore dell’erba
Vassily Kandinsky
“Giallo, rosso, blu” , 1925
Natura della luce
Che cosa è la luce? Un’onda (Christiaan Huygens, 1629-1695) o un
flusso di particelle (Newton)?
Diversi esperimenti svolti da Thomas Young e altri scienziati tra
fine Settecento e inizio Ottocento mostrarono che la luce è
un’onda, che trasporta energia e quantità di moto.
La teoria generale dei fenomeni elettrici e magnetici (Maxwell,
1865) predice l’esistenza di onde elettromagnetiche che viaggiano
a velocità c = λν. A frequenza ν via via crescente le onde
elettromagnetiche prendono il nome di onde radio, microonde,
infrarosso, luce visibile, ultravioletto, raggi X.
Elogio di Maxwell
I lavori di Maxwell hanno avuto un enorme impatto sulla
scienza e tecnologia, e su tutta la società umana, ma il suo
nome è poco noto al di fuori dell’ambiente scientifico. E’
stato però celebrato dalle poste messicane!
Spettro della luce solare (corpo nero)
Non si riusciva a spiegare la forma di queste curve utilizzando le
conoscenze scientifiche disponibili a fine 1800.
Max Planck (1858 – 1947)
Nascita della fisica quantistica
(19-10-1900): per spiegare lo
spettro del sole Planck ipotizzo’
che l’energia potesse essere una
quantità discreta anziché
continua
8πhν 3
1
ρ(ν) =
c3 exp(hν / k BT) − 1
h: costante di Planck, c = λν
Fisica quantistica
- Come è fatto l’atomo, come è fatto il nucleo, fissione e fusione
nucleare (bomba atomica), particelle elementari (bosone di Higgs),
…
- Come sono fatti i materiali, creazione di nuovi materiali,
semiconduttori e microelettronica, polimeri, memorie digitali, …
- Nuove sorgenti di luce, laser e LED
- La fisica quantistica è all’origine di quasi tutta la tecnologia degli
ultimi 100 anni
Emissione di luce
Quando scaldiamo un materiale o lo sottoponiamo ad
una corrente elettrica, gli atomi assorbono energia, e
possono riemetterla sotto forma di luce. Nelle sorgenti di
luce ordinarie ogni atomo emette onde in direzione
casuale e con una fase casuale.
Albert Einstein (1879-1955)
Dimostro’ nel 1917 che la
formula
di
Planck
implica
l’esistenza
di
un
nuovo
processo, l’emissione stimolata
di luce. Su questo processo è
basato il funzionamento del
laser.
Photograph taken during
a meeting with the Nobel-prizewinning Indian poet
Rabindranath Tagore in 1930
Emissione stimolata di luce
L’atomo eccitato viene stimolato ad emettere la sua onda
elementare (quanto di luce) nella stessa direzione e con
la stessa fase dell’onda stimolante.
Origini del laser
• Solo negli anni 50 del 1900 si è cominciato a riflettere sull’utilizzo
dell’emissione stimolata per realzzare nuove sorgenti di microonde e
di luce. Grazie all’emissione stimolata, gli atomi eccitati presenti nel
laser emettono luce in modo cooperativo e sincronizzato, generando
un fascio di luce direzionale e monocromatico.
• Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: LASER
• Il primo laser è nato nel 1960, laser a rubino (Theodore Maiman,
Hughes)
Confronto LASER - LAMPADA
LAMPADA
LASER
LASER
LASER: SORGENTE “DIREZIONALE” e “MONOCROMATICA”
Confronto LASER - LAMPADA
LAMPADA
LASER
LASER
LASER: SORGENTE “COERENTE”
(la lampada, anche guardando un solo “colore” ed una sola direzione,
non lo è!)
Grazie a queste caratteristiche è possibile fare cose non realizzabili
con la luce prodotta da una semplice lampadina:
- Focalizzare la luce su un’area molto piccola (intensità elevatissime!)
- Ottenere impulsi di luce “ultracorti” che si propagano senza cambiare
la loro durata
- ... e molto altro ancora...
Laser a semiconduttore (e LED)
- First semiconductor laser, Bob Hall, General Electric, 1962, GaAs p-n
junction, λ = 0.85 μm
- First light-emitting diode ( LED), Nick Holonyak, General Electric,
1962, GaAsP p-n junction, λ = 0.71 μm
LED: rosso, verde, blu
Sovrapponendo la luce dei tre LED in diverse proporzioni si ottengono
tutti i colori
RGB combiner cubes
RGB combiner cubes
Light Emitting Diode (LED)
LED: è un sottoprodotto della ricerca sui laser a semiconduttore.
- Sorgente fredda, comandata a bassa tensione, grande efficienza,
lunga durata
- Sorgente che può avere diversi colori (RGB)
- LED (e OLED) stanno soppiantando le sorgenti tradizionali in
molte applicazioni
-L’illuminazione di interni ed esterni diventa più intelligente
(smart): controllo a distanza dell’intensità e del colore, …
Efficienza energetica e risparmio
Organic Light Emitting Diode (OLED)
Schermi sottili, flessibili e avvolgibili
Fotonica: applicazioni di largo consumo
- Comunicazioni ottiche (internet, telefonia a lunga distanza)
- Memorie ottiche (CD, DVD, blue-ray)
- LED: schermi TV e megaschermi, illuminazione
- Stampanti laser, stampa 3-D
- Oftalmologia: cura della miopia, distacco della retina
- Pannelli fotovoltaici
Fibre ottiche
Fibra
ottica:
guida
cilindrica fatta con due tipi
di vetro aventi indici di
rifrazione diversi
n1 > n2
nucleo
(n1)
mantello
(n2)
n2 =1.485
Sezione longitudinale
α
n1 =1.5
• Vengono guidati I raggi di luce che si propagano con angoli α
piccoli (α = 8-10°)…
• ANCHE SE E’ DI VETRO, la fibra ottica è flessibile e robusta ⇒ si
può piegare per guidare la luce lungo percorsi non rettilinei!
Comunicazioni: cavo ottico sottomarino
Nella fibra ottica viaggiano 10-50 miliardi di impulsi al secondo.
Il singolo impulso (un bit) dura 10-50 picosecondi. I cavi ottici
sottomarini portano il 95/100 del traffico IP voce e dati tra
continenti, ed il 100/100 del traffico Internet internazionale.
Mappa dei cavi sottomarini nel 2013
The SEA-ME-WE 4 submarine cable project, completed in December
2005, covers approximately 20,000 kilometers of links from
Marseille, France, via the Middle East and the Indian subcontinent to
Tuas, Singapore. The new system has 1.28 Tbit/s capacity for
telephone, Internet, multimedia and various other applications.
Velocità di trasmissione
Esempio: supponiamo di scaricare (pagando!) i nostri 100 CD
musicali preferiti
• 1 canzone (MP3) = 6 Mbyte = 48 Mbit
• 100 CD = 1000 canzoni = 48000 Mbit = 48 Gbit
• Tempo impiegato per “trasferire” un album:
– Modem (56 kbit/s): 860000 secondi = 9 g : 22 h : 6 min
– ADSL (2 Mbit/s):
24000 secondi
– Fibra ottica (1 Gbit/s) 48 secondi
= 6 h: 40 min
= 48 s
– Fibra ottica (100 Gbit/s) 4.8 millisecondi
= 0.48 s
STESSA COSA X I VIDEO… CHE SONO UNA DELLE PRIME
FONTI DI TRAFFICO
WDM technology
TX
RX
TX
RX
TX
RX
TX
RX
Multiplexer
Demultiplexer
Wavelength division multiplexing (WDM): i segnali di N
trasmettitori TX, che usano lunghezze d’onda lievemente
diverse, sono tutti convogliati dal multiplexer in una unica
fibra. In ricezione i segnali sono separati dal multiplexer e
trasmessi a diverse destinazioni.
Multiplexer
CD, DVD, blue-ray
CD and DVD
Microscopio a fluorescenza
Fluorescence image of a biological cell. Due to high biochemical
affinity for compartments blu, red and green are related to
DNA, mithocondria and actin filaments, respectively.
Biofotonica: trappola ottica
Una microparticella (ad es. cellula biologica) viene
intrappolata nella zona del fuoco di un fascio di luce laser
focalizzato
Laser marking, engraving, cutting
Fabbricazione tridimensionale di oggetti
Fusione o sinterizzazione di polveri di metalli o
plastica mediante riscaldamento laser, a partire da
una immagine digitale in 3D
Using Lasers to Determine the Chemistry
of the Red Planet
On day 19 of the mission, in August 2012, Curiosity sent RMI images
of the “Beechey” target (a sample of Martian soil) taken before (left)
and after (right) laser ablation. The image on the right shows five
laser-ablated regions generated by using 50 laser pulses with an
irradiance of about 30 MW/mm2 in each pulse.
Fotonica a Pavia
Studio e progettazione di tecniche, sistemi e dispositivi per:
Comunicazioni in fibra ottica
strumentazione laser e sensoristica
Laser industriali
celle solari
Bio-medicina (“Biofotonica”)
Pavia, 2010
Fotonica a Pavia.
Didattica presso la Facoltà di Ingegneria
-Corso di Elettronica Quantistica iniziato da V.D. nel 1971,
seguito pochi anni dopo dal corso di Optoelettronica tenuto
da Donati.
- Indirizzo di Fotonica nel corso di laurea magistrale in
Ingegneria Elettronica
- Dottorato di ricerca con curriculum Fotonica
Da questi programmi di formazione sono scaturite molte
carriere brillanti nell’accademia, nella ricerca, nell’industria,
sia in Italia che all’estero.
Grazie per la vostra attenzione!
