Lasers

Código:

F4018

Sigla:

F4018

Nível:

400

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Física

Ocorrência: 2017/2018 - 2S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Departamento de Física e Astronomia
Curso/CE Responsável:	Mestrado em Física

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
M:F	0	Plano de Estudos Oficial	1	-	6	49	162
MI:EF	14	Plano estudos a partir do ano letivo 2017/18	4	-	6	49	162

Língua de trabalho

Português - Suitable for English-speaking students

Objetivos

Formação de base em física dos lasers e electrónica quântica, onde se inclui o estudo da interacção luz-matéria (abordagens clássica, semi-clássica e quântica), feixes gaussianos e cavidades ópticas, amplificação e oscilação laser nos regimes estacionário (cw) e dinâmico (Q-switching, mode-locking), com exemplos de sistemas laser específicos relevantes e de várias aplicações actuais dos lasers em ciência e tecnologia. A física e tecnologia laser é uma área em rápida e constante evolução, tendo um inegável impacto quer em ciência fundamental quer em aplicações, pelo que um sólido conhecimento de base é muito importante para que os estudantes possam acompanhar e envolver-se em novos desenvolvimentos científicos e tecnológicos no campo.

Resultados de aprendizagem e competências

- Compreensão dos processos físicos fundamentais e dos diferentes regimes de operação de um laser.
- Capacidade de análise e cálculo de sistemas laser específicos e das principais características da radiação emitida, nos domínios energético, espacial, espectral e temporal.
- Motivação para o estudo, optimização e desenvolvimento de tecnologia laser e aplicações em várias áreas da Ciência e Tecnologia (Física, Medicina, Química, Biologia, Engenharia, etc.) e na Indústria.

Modo de trabalho

Presencial

Pré-requisitos (conhecimentos prévios) e co-requisitos (conhecimentos simultâneos)

O estudante deverá ter formação de base prévia em óptica, electromagnetismo e mecânica quântica elementar.

Programa

Introdução e motivação:
- Perspectiva histórica, evolução da tecnologia laser, aplicações, óptica não-linear, investigação e grandes projectos laser europeus e outros, panorama industrial actual

Conceitos básicos:
- Emissão espontânea e emissão estimulada; absorção 
- Conceito do laser
- Bombeamento
- Propriedades básicas de feixes laser
- Tipos de lasers

Interacção da radiação com átomos e iões
- Resumo da teoria do corpo negro
- Emissão espontânea
- Absorção e emissão estimulada
- Mecanismos de alargamento de riscas espectrais
- Decaimento não-radiativo e transferência de energia
- Saturação
- Decaimento num meio opticamente denso

Propagação de raios e de ondas em meios ópticos
- Formulação matricial da óptica geométrica
- Reflexão e transmissão de ondas numa inferface dieléctrica
- Camadas e multicamadas dieléctricas
- O interferómetro de Fabry-Pérot
- Óptica difractiva na aproximação paraxial
- Feixes Gaussianos

Cavidades ressonantes ópticas passivas
- Modos próprios e valores próprios
- Tempo de vida dos fotões e factor de qualidade Q
- Condição de estabilidade
- Cavidades ressonantes estáveis

Mecanismos de bombeamento
- Bombeamento óptico, por laser e por corrente eléctrica (resumo)

O laser em regime contínuo
- Equações de balanço
- Condições limiar e potência de saída: laser de quatro níveis
- Optimização da óptica de saída
- Sintonização da emissão
- Factores da oscilação multi-modo
- Selecção de modos
- Frequency-pulling e limite de monocromaticidade

O laser em regime pulsado
- Oscilações de relaxação
- Q-switching
- Mode-locking

Bibliografia Obrigatória

O. Svelto; Principles of Lasers, 5.th ed., Plenum Press, 2010

Bibliografia Complementar

A. E. Siegman; Lasers, University Science Books, 1986
P. W. Milonni, J. H. Eberly; Lasers, Wiley , J. Wiley, 1988
Karl F. Renk; Basic of Laser Physics for For Students of Science and Engineering, Springer, 2012. ISBN: 978-3-642-23564-1 (Muito recente. Aborda tecnologias laser de particular relevo hoje em dia, como os lasers de femtosegundos (nomeadamente o laser de Titânio:Safira) e os lasers de semicondutor.)

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

Aulas de apresentação e discussão de tópicos teóricos, com exemplos relevantes, e de resolução de problemas. Visitas de estudo (opcionais, mas recomendadas) a laboratórios de investigação do Departamento de Física e Astronomia e a empresas produtoras de lasers e de tecnologia laser no Porto.

Software

Psst! - Photonics Simulation Software for Teaching, disponível em https://www.st-andrews.ac.uk/~psst/

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	85,00
Participação presencial	15,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	113,00
Frequência das aulas	49,00
Total:	162,00

Obtenção de frequência

Para obtenção de frequência, o estudante deverá participar num mínimo de 75% das horas lectivas previstas de acordo com o Regulamento de Avaliação do Aproveitamento dos Estudantes da FCUP.

Fórmula de cálculo da classificação final

Avaliação contínua 15%
Exame escrito 85%

A avaliação contínua terá por base a participação nas aulas teóricas e de resolução de problemas.

Melhoria de classificação

Só é passível de melhoria a componente de exame escrito, na época de recurso.