Lasers

Código:

FIS4027

Sigla:

FIS4027

Nível:

500

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Física

Ocorrência: 2023/2024 - 2S

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

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
M:A_ASTR	0	Plano de estudos a partir do ano letivo 2023/2024	1	-	6	42	162
			2
M:EF	0	Plano Oficial a partir de 2021_M:EF	1	-	6	42	162
M:F	0	Plano de Estudos Oficial	1	-	6	42	162

Língua de trabalho

Português - Suitable for English-speaking students

Objetivos

Formação de base em física dos lasers, 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. Introdução. Componentes fundamentais de um laser. Multiplicidade de lasers, características dos feixes, áreas de aplicação. Interação da radiação com a matéria. Modelo do oscilador de Lorentz. Radiação do corpo negro. Cavidades na região ótica. Modos de Slater. Transições radiativas e não radiativas, espontâneas e estimuladas; tempo de vida de emissão espontânea, secções retas. Amplificação ótica; inversão de população e bombagem.

Oscilação laser: limiar. Sistema de dois níveis; saturação em regimes contínuo e pulsado; sistemas de quase três e de quatro níveis; ganho de pequeno sinal e saturação. Transição dipolar elétrica. Emissão espontânea. Absorção e emissão estimulada; perturbação dependente do tempo. Alargamento da resposta espectral: resposta homogénea e não-homogénea; perfil de Voigt. Absorção/ganho num sistema de dois níveis. Coeficientes A e B de Einstein. Medição da resposta espectral. Decaimento não-radiativo e transferência de energia. Tempo de decaimento total, rendimento quântico de fluorescência. Níveis degenerados e níveis fortemente acoplados; taxas e secções retas efetivas. Amplificação da emissão espontânea (ASE). Transições radiativas e não radiativas em moléculas. Energia vibracional-rotacional. Regras de seleção de transições rotacionais, rotacionais-vibracionais, vibrónicas. Ondas gaussianas e cavidades óticas.

Propagação de raios e ondas em meios óticos: matrizes ABCD. Interferómetro de Fabry-Pérot. Integral de difração e sistema ótico paraxial. Ondas de Hermite-Gauss; transformação do raio de curvatura complexo; diâmetro da cintura, distância de Rayleigh; variação longitudinal da fase. Transformação por uma lente. Cavidade ótica: tempo de vida dos fotões, resposta espectral, fator de qualidade Q. Estabilidade da cavidade ótica. Modos próprios da cavidade; espectro de modos. Efeitos de aberturas finitas; número de Fresnel. Estabilidade de cavidades. Cavidades não-estáveis. Ondas de Hermite-Gauss em meios quadráticos, gaussiano-elípticas, de Laguerre-Gauss. Feixes laser reais: parâmetro M2.

Bombagem: Bombagem ótica por lâmpadas e por flash. Bombagem por lasers, longitudinal e transversal. Bombagem elétrica de lasers de gases.

Amplificação e oscilação laser em regime contínuo: equações dinâmicas de populações e fotões. Laser ideal de 4 níveis e de quase 3 níveis: aproximação de invariância espacial; inversão limiar, taxa de bombagem limiar; bombagem superior à do limiar; potência de emissão, eficiência diferencial. Modelo de variância espacial em regime contínuo e modo TEMoo. Acoplamento de emissão ótimo. Seleção e sintonia de comprimento de onda. Hole-burning espectral e espacial. Operação monomodo: seleção de modo transversal e longitudinal. Frequency pulling. Limite de Schawlow-Townes. Flutuações e estabilização da frequência. Ruído de intensidade.

Lasers em regime dinâmico: Oscilações de relaxação. Perturbações sinusoidal e em degrau da taxa de bombagem; solução das equações dinâmicas nas perturbações. Instabilidades dinâmicas e pulsações laser. Q-switching; geração de um ou vários impulsos. Q-switching activo num laser de 4 níveis com bombagens dependente e independente do tempo; potência máxima, energia, duração e atraso do impulso. Gain switching. Mode locking e oscilação laser multimodo longitudinal: modos livres e acoplados; características dos impulsos: amplitude, duração, período. Impulsos no limite de transformação de Fourier. Mode locking fundamental e harmónico. Métodos de mode locking: ativo, passivo; AM: solução auto-consistente; FM: interpretação espectral; adição de impulsos; absorvedor saturável rápido: solução auto-consistente; colisão de impulsos; absorvedor saturável lento; lente de Kerr ótico. Propagação de impulsos num meio de ganho ou de absorção. Dispersão e geração de impulsos ultracurtos. Mode locking de solitões. Cavity dumping.

Bibliografia Obrigatória

O. Svelto; Principles of Lasers, 5.th ed., Plenum Press, 2010
Cerullo G. 070; Problems in laser physics. ISBN: 978-0-306-46649-6 (Resoluções de vários problemas do livro de texto (O. Svelto), ou de variantes dos mesmos)

Bibliografia Complementar

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.)
A. E. Siegman; Lasers, University Science Books, 1986

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

Aulas de apresentação e discussão de tópicos teóricos, com exemplos relevantes, e de resolução de problemas. 

Software

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

Palavras Chave

Ciências Tecnológicas > Tecnologia > Tecnologia da instrumentação > Tecnologia laser
Ciências Físicas > Física > Óptica

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	100,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	120,00
Frequência das aulas	42,00
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

Exame escrito: 100%