Lasers e Electrónica Quântica

Código:

F412

Sigla:

F412

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Física

Ocorrência: 2009/2010 - 2S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Departamento de Física
Curso/CE Responsável:	Mestrado Integrado 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:F	7	Plano de Estudos do Mestrado em Física	1	-	7,5	-
MI:EF	5	Plano de Estudos a partir de 2007	4	-	7,5	-

Língua de trabalho

Português

Objetivos

Objectivos: formação de base em física dos lasers e electrónica quântica [interacção luz-matéria nas abordagens clássica, semi-clássica e quântica; feixes gaussianos e cavidades ópticas; mecanismos de amplificação e oscilação laser nos regimes estacionário (cw) e dinâmico (q-switching e mode-locking)], com exemplos de sistemas laser específicos e várias aplicações dos lasers em ciência e tecnologia.
De notar que esta área está em rápida e constante evolução: um sólido conhecimento de base permitirá aos estudantes acompanharem novos desenvolvimentos tecnológicos à medida que estes vão surgindo.

Competências Principais e resultados da aprendizagem:
- Compreensão dos processos físicos fundamentais e dos diferentes regimes de operação do laser;
- 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.

Programa

1. Introdução e conceitos básicos
- Perspectiva histórica, evolução da tecnologia laser, aplicações, óptica não-linear, investigação e grandes projectos laser europeus e outros, panorama industrial actual
- Emissão espontânea e emissão estimulada; absorção
- Conceito do laser
- Propriedades básicas de feixes laser (monocromaticidade, coerência, direccionalidade, brilho/intensidade, duração ultra-curta)
- Tipos de lasers

2. Interacção de radiação com átomos e iões
- Resumo da teoria do corpo negro (modos de cavidade rectangular, fórmulas de Rayleigh-Jeans e de Planck, hipótese de Planck e quantificação do campo)
- Emissão espontânea (abordagens semi-clássica e QED, transições permitidas e proibídas)
- Absorção e emissão estimuladas (taxas de absorção e emissão estimuladas, transições permitidas e proibídas, secções eficazes de transição e absorção, coeficiente de ganho)
- Abordagem termodinâmica e coeficientes de Einstein
- Mecanismos de alargamento de riscas espectrai (homogéneo e não-homogéneo)
- Decaimento não-radiativo e transferência de energia (mecanismos, efeitos combinados de processos radiativos e não-radiativos)
- Níveis degenerados ou fortemente acoplado
- Saturação (saturação da absorção e do ganho na risca homogénea, risca não-homogénea)
- Decaimento por fluorescência num meio opticamente denso (trapping e emissão espontânea amplificada)

3. Propagação de raios e ondas em meios ópticos
- Formulação matricial em óptica geométrica
- Reflexão e transmissão de ondas na interface entre dois meios dieléctricos
- Coatings dieléctricos multi-camada (espelhos, camadas anti-reflexo)
- O interferómetro de Fabry-Pérot (propriedades; o Fabry-Pérot como espectrómetro)
- Óptica difractiva na aproximação paraxial
- Feixes Gaussianos (modo fundamental, propagação livre, lei ABCD para feixes Gaussianos, modos de ordem superior)

4. Cavidades ópticas ressonantes passivas
- Introdução: cavidades plana-paralela (Fabry-Pérot), concêntrica (ou esférica) e confocal; generalização da cavidade esférica; cavidade em anel
- Modos próprios e valores próprios
- Tempo de vida dos fotões e factor de qualidade Q da cavidade
- Condição de estabilidade
- Cavidades estáveis: com abertura finita (modos próprios e valores próprios, ondas estacionárias e progressivas numa cavidade de dois espelhos); efeito de uma abertura finita; cavidades dinamica e mecanicamente estáveis
- Breve referência às cavidades instáveis (propriedades, aplicações)

5. Processos e mecanismos de bombeamento
- Bombeamento óptico com fontes incoerentes: sistemas de bombeamento, absorção da luz de bombeamento, eficiência e taxa de bombeamento
- Bombeamento por laser: díodos laser; mecanismos de transferência da luz de bombeamento; bombeamentos longitudinal e transversal; eficiência e taxa de bombeamento
- Potência de bombeamento limiar para lasers de quatro níveis e quasi-três-níveis
- Comparação entre bombeamento por lâmpadas e por díodos laser
- Breve referência ao bombeamento eléctrico em lasers gasosos

6. Acção laser em regime contínuo
- Introdução, elementos básicos (meio activo, sistema de bombeamento, cavidade ressonante, óptica de saída) e exemplos
- Equações de balanço (lasers de quatro níveis e quasi-três-níveis)
- Limiar laser e potência de saída: laser de quatro níveis (modelo independente do espaço; modelo dependente do espaço)
- Acoplamento de saída ideal
- Sintonia em frequência
- Oscilação multimodo
- Métodos de selecção da operação monomodo (transversal e longitudinal)

7. Acção laser em regime transiente
- Introdução, aplicações e exemplos
- Oscilações de relaxação
- Dinâmica e instabilidade laser
- Q-switching (métodos, regimes de operação, teoria do Q-switching activo)
- Breve descrição do regime de mode-locking: métodos, características principais, propriedades e aplicações

Bibliografia Obrigatória

Orazio Svelto; Principles of Lasers - Fourth Edition, KA/PP, 1998 (Existe também uma quinta edição muito recente (2010) da Springer)

Bibliografia Complementar

000007370. ISBN: 0-935702-11-5
000009735. ISBN: 0-471-62731-3

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

Aulas teóricas (expositivas e com exemplos relevantes), onde se pretende essencialmente apresentar/deduzir novos conceitos e também desenvolver a intuição, deixando os resultados mais extensos e quantitativos para as aulas de problemas
É dada particular relevância ao trabalho contínuo (realização de problemas quinzenais em casa).

Software

PSSST

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Descrição	Tipo	Tempo (Horas)	Peso (%)	Data Conclusão
Participação presencial (estimativa)	Participação presencial	63,00
	Total:	-	0,00

Obtenção de frequência

- realização e entrega de pelo menos 5 das 6 seríes de problemas quinzenais
- realização e entrega de trabalho final de revisão de tecnologia laser

Fórmula de cálculo da classificação final

- séries de problemas (média das 5 melhores notas): 40%
- trabalho final: 30%
- teste final: 30%

Melhoria de classificação

Unicamente por melhoria no teste final.