Laboratorio di Fisica V - Università degli Studi dell`Insubria

A.A. 2013-14
Corso di Laurea in Fisica L30
Laboratorio di Fisica V
Codice SCC0114
Fabio Ferri
CFU
SSD
6
FIS/0
3
Lezioni
Esercitazioni
Laboratorio
(ore)
(ore)
(ore)
[inserire voce: es. attività
di campo; seminari;
uscite;…]
(ore)
66
Anno
III
Lingua
Italiano
Obiettivi dell’insegnamento e risultati di apprendimento attesi
In questo laboratorio, verranno realizzati esperimenti di ottica lineare e statistica che
illustrano alcune delle principali proprietà classiche della luce, quali la sua coerenza
spazio-temporale, le sue proprietà statistiche in presenza di sistemi stocastici, e la sua
capacità di realizzare analisi di Fourier. Tali proprietà sono alla base di numerose
tecniche ottiche che trovano applicazione nel campo dell’interferometria, metrologia,
formazione di immagine e velocimetria.
Prerequisiti
Familiarita' con metodologie di analisi dati e con i principi dell'ottica ondulatoria.
Contenuti e programma del corso
Il corso prevede una prima fase nella quale verrà tenuta una serie di lezioni tese ad
introdurre gli studenti alle tematiche relative agli esperimenti da eseguire e alla
strumentazione da usare. Nella seconda fase, gli studenti verranno divisi in gruppi di
2-3 unità e ciascun gruppo eseguirà, a partire dalla realizzazione del setup ottico, uno
degli esperimenti sotto riportati:
Interferometria PDI.
L'uso di un interferometro di tipo "Point Diffraction Interferometer" (PDI) permette la
facile visualizzazione di aberrazioni presenti nel fronte d'onda di un fascio laser. Nel
corso del laboratorio verra utilizzato un interferometro PDI per caratterizzare la
distribuzione dei modi trasversi presenti in un fascio laser e di misurare l'anomalia di
fase di un fascio gaussiano TEM00.
Coerenza spaziale
Le proprietà di coerenza spaziale di una radiazione determinano la sua capacità di
dare luogo a frange di interferenza quando vengono sovrapposti porzioni diverse del
suo fronte d'onda. Tale proprietà è basilare in tutte le tecniche di interferometria
ottica. In laboratorio verrà utilizzata una radiazione laser e un vetro smerigliato per
simulare una radiazione pseudo-termica con diverse caratteristiche di coerenza
spaziale e verrà mostrato come sia possibile misurare le dimensioni dell’area di
coerenza utilizzando un interferometro di Young.
Speckle 3D
Quando un fascio laser incide su una superficie otticamente ruvida come quella di un
vetro smerigliato, il fronte d’onda del fascio viene modulato in modo stocastico e la
sua propagazione nello spazio diviene irregolare. La distribuzione d’intensità osservata
ad una certa distanza dal vetro ha un aspetto profondamente maculato, nel quale si
alternano in modo altamente disordinato macchie chiare (luce) e scure (buio) note con
il nome di speckle. Studiando le proprietà statistiche delle speckle in 3D è possibile
caratterizzare la rugosità della superficie e definire il volume di coerenza spaziale del
campo speckle.
Velocimetria speckle
Sotto opportune condizioni, le speckle prodotte da un sistema di particelle in moto si
muovono solidalmente con le particelle. Di conseguenza, attraverso la misura della
cross-correlazione di due campi speckle acquisiti ad una assegnata distanza
temporale, è possibile risalire alla mappatura 2D del capo di velocità delle particelle.
Tale tecnica verrà applicata in laboratorio per misurare il profilo di velocità (laminare)
di un fluido all’interno di un condotto e per caratterizzare la velocità di sedimentazione
di particelle colloidali.
Moto Browniano
Una particella colloidale dispersa in un fluido è soggetta ad un moto di agitazione
termica noto con il nome di moto Browniano. Lo spostamento quadratico medio della
particella dipende dal suo coefficiente di diffusione traslazione, che, a sua volta
attraverso la relazione di Stokes-Einstein, dipende dal raggio della particella.
Utilizzando un semplice microscopio ottico interfacciato ad una telecamera veloce è
possibile visualizzare e tracciare il moto della particella, misurarne il suo spostamento
quadratico medio, e determinare di conseguenza il suo raggio.
Estinzione a piu' lunghezze d'onda.
La tecnica di estinzione spettrale permette di studiare campioni con dimensioni
comparabili con la lunghezza d'onda della radiazione visibile. Nel corso del laboratorio
si utilizzerà uno spettrofotometro miniaturizzato a fibra ottica per l'analisi
granulometrica di particelle di diametro noto e per lo studio di processi di
aggregazione colloidale.
Tipologia delle attività didattiche
Lezioni frontali introduttive in laboratorio (10 ore)
Laboratorio (56 ore)
Testi e materiale didattico
Note e materiale messo a disposizione dal docente
Modalità di verifica dell’apprendimento
La verifica del raggiungimento degli obiettivi del corso sarà effettuata durante in corso
stesso osservando e valutando l’attività sperimentale degli studenti. L’esame finale
consisterà nella discussione delle relazioni di laboratorio sulle attività effettuate.
Orario di ricevimento
Su appuntamento ([email protected])
Calendario delle attività didattiche
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Appelli d'esame
Collegamento ipertestuale alla bacheca appelli