Ótica Não Linear e Ultra Rápida

Código:

F4024

Sigla:

F4024

Nível:

400

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Física

Ocorrência: 2018/2019 - 1S

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	2	Plano de Estudos Oficial	1	-	6	49	162
			2
MI:EF	6	Plano estudos a partir do ano letivo 2017/18	5	-	6	49	162

Língua de trabalho

Inglês

Objetivos

Formação de base em óptica óptica não-linear, com uma componente de óptica de impulsos ultra-curtos (óptica ultra-rápida) adequada a uma compreensão mais abrangente e actual do tema.

Este curso não é clássico (sendo leccionado em apenas algumas instituições em todo o Mundo) e o seu tema é um campo muito recente e em rápida evolução, tocando um número crescente de áreas da física, engenharia e ciência não-linear em geral. Em consequência, este será um curso dinâmico, ilustrado com resultados recentes de investigação.

Resultados de aprendizagem e competências

a) Conhecimento da origem, descrição e aplicações de propriedades e processos ópticos não-lineares;

b) capacidade de cálculo analítico de efeitos não-lineares de segunda e terceira ordem (geração do segundo harmónico, amplificação paramétrica, auto-modulação da fase e efeito de Kerr óptico, etc.) para campos monocromáticos;

c) conhecimento de ferramentas para o cálculo numérico de processos não-lineares (diferentes processos, materiais e geometrias, feixes gaussianos e impulsos curtos);

d) conhecimento e capacidade de explicitar a propagação linear de impulsos ultra-curtos nos domínios espectral e temporal e os processos não-lineares com impulsos;

e) conhecimento das equações de propagação não-linear e de ferramentas e métodos para a sua resolução numérica;

f) cultura científica e conhecimento de técnicas, resultados actuais e temas de investigação e desenvolvimento em ciência e tecnologia ultra-rápidas.

Modo de trabalho

Presencial

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

Electromagnetismo, óptica (preferencialmente incluindo lasers), materiais ópticos, e mecânica quântica elementar.

Programa

1. Introdução

Não-linearidade em física, primórdios da óptica não-linear, geração do segundo harmónico, ajuste de fase (phase matching), considerações de simetria, rectificação óptica, efeito Pockels, soma de frequências, diferença de frequências e amplificação paramétrica óptica, processos de terceira ordem, bases teóricas, evolução histórica e tecnológica da óptica não-linear.

2. Mistura de frequências

Introdução e resumo. Teoria electromagnética;

Geração do segundo harmónico: equações de onda acopladas, aproximação de pequena depleção / baixa eficiência de conversão, relações de Manley-Rowe para a geração do segundo harmónico, comparação com a geração do terceiro harmónico, modelo tipo antena, relações de fase e quasi-ajuste de fase (quasi-phase matching);

Processos gerais a três ondas: equações de onda acopladas e relações de Manley-Rowe, variáveis de campo modificadas (normalizadas), soma e diferença de frequências, amplificação paramétrica óptica, sintonia em frequência na amplificação paramétrica óptica, osciladores paramétricos ópticos;

Feixes focados: feixes Gaussianos e fase de Gouy, geração de harmónicos com feixes Gaussianos, resumo.

3. Óptica em cristais (revisão)

Resumo. Simetria cristalina;

Propagação de luz em meios anisotrópicos: equações de Maxwell, relação constitutiva, elipsóide de índices, ondas ordinária e extraordinária, superfícies de índice, desvio angular (walk-off);

Lâminas de atraso de fase (wave plates);

Meios biaxiais: características gerais, propagação nos planos principais (eixos ópticos), cristais negativos e positivos.

4. Óptica não-linear em cristais

Introdução e resumo. Susceptibilidade linear;

Estrutura dos coeficientes não-lineares: definição formal, simetria de permutação intrínseca, simetria de permutação completa e relações de Manley-Rowe, notação contraída, simetria de Kleinmann;

Simetria cristalina. Geração do segundo-harmónico em KDP e em LBO. Efeito Pockels e célula de Pockels. Rectificação óptica.

5. Processos não-lineares de terceira ordem

Processos básicos: definições, considerações de simetria, geração do terceiro harmónico, efeito Kerr DC e célula de Kerr, efeito de Kerr óptico, índice de refracção dependente da intensidade, solitões espaciais, auto-focalização e auto-modulação de fase;

Difusão Raman Estimulada. Interacção de ondas ópticas e acústicas. Difusão Brillouin estimulada. Conjugação de fase. Geração de supercontínuo.

6. Dispersão e impulsos ópticos

Introdução e resumo. Dispersão das velocidades de fase e de grupo;

Dispersão e chirping de um impulso Gaussiano: análise da propagação, distância de dispersão, teorema da banda, produto tempo-banda, chirp.

Perfis temporais do tipo secante hiperbólica. Compressão de impulsos com redes e prismas. Propagação de impulsos.

7. Óptica não-linear com impulsos

Introdução e resumo. Equação de onda para impulsos curtos. Auto-modulação da fase. Auto-modulação da fase na presença de dispersão: solitões ópticos. Self-steepening e formação de ondas de choque. Compressão de impulsos auto-modulados em fase. Dispersão da velocidade de grupo na geração do segundo harmónico. OPCPA. Diagnósticos não-lineares de impulsos curtos. Trens de impulsos em regime de mode-locking e controlo da fase absoluta entre portadora e envolvente (carrier-envelope phase).

Tópicos avançados em óptica ultra-rápida (tipicamente 2-3 por ano, dependendo do tempo disponível): compressão de impulsos no regime de poucos ciclos ópticos, óptica não-linear em cristais fotónicos, geração de harmónicos elevados, impulsos de atosegundos, ...

Bibliografia Obrigatória

Geoffrey New; Introduction to Nonlinear Optics, Cambridge University Press, 2014. ISBN: 1107424488 (Livro de base da disciplina)
Robert Boyd; Nonlinear Optics - Third Edition, 2008
P. E. Powers; Fundamentals of Nonlinear Optics, CRC Press , 2011. ISBN: 978-1420093513 (Abordagem abrangente e recente ao tema, com destaque para a óptica ultra-rápida e exemplos interessantes de códigos numéricos de propagação não-linear)
Helder Crespo; An introduction to nonlinear and ultrafast optics, 2009 (Notas do docente)

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

Aulas teóricas, aulas de resolução de problemas (ambas com exemplos e ilustrações), visita ao laboratório de impulsos laser ultra-curtos Femtolab, visita à empresa Sphere Ultrafast Photonics (spin-off da Universidade do Porto).

Software

SNLO (Sandia labs)
Virtual Femtolab (desenvolvido pelo grupo do Porto)
LaserFOAM (desenvolvido pelo grupo do Porto)

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	75,00
Trabalho escrito	25,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	105,00
Frequência das aulas	49,00
Trabalho escrito	8,00
Total:	162,00

Obtenção de frequência

- Trabalho escrito com classificação não inferior a 8 valores.

Fórmula de cálculo da classificação final

A avaliação proposta para este curso tem duas componentes:

1. Exame final (75%);
2. Artigo/monografia sobre tópicos do programa (25%).

A classificação do exame final não pode ser inferior a 8 valores.

 

Melhoria de classificação

A melhoria da classificação final (épocas Normal, Recurso, Especial) será apenas relativa à componente de exame final.