7071

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
FORMULÁRIO DE IDENTIFICAÇÃO DA DISCIPLINA

UNIDADE: INSTITUTO DE FÍSICA
DEPARTAMENTO: DEPTO. DE ELETRONICA QUANTICA
DISCIPLINA: Introdução à Óptica Quântica
CARGA HORÁRIA: 60	CRÉDITOS: 4	CÓDIGO: FIS03-07071
MODALIDADE DE ENSINO: Presencial		TIPO DE APROVAÇÃO: Nota e Frequência

STATUS	CURSO(S) / HABILITAÇÃO(ÕES) / ÊNFASE(S)
Eletiva Restrita	FIS - Física (versão 3)
Eletiva Definida	FIS - Física (versão 4) FIS - Física (versão 5) FIS - Física (versão 6) FIS - Física (versão 7)

TIPO DE AULA	CRÉDITO	CH SEMANAL	CH TOTAL
Teórica	4	4	60
TOTAL	4	4	60

OBJETIVO(S):

O aluno deverá ser capaz de enunciar e conceituar os pontos fundamentais do eletromagnetismo aplicado à Óptica; entender e trabalhar com conceitos e tratamento matemático da condução de feixes gaussianos e ópticos, trabalhar com conceitos e tratamento matemático de cavidades ópticas e sua conexão com a amplificação e a oscilação laser, tratar com lasers e excitação laser, entender conceitos e tratamentos matemáticos envolvendo as equações de Maxwell e a radiação atômica, bem como a interação campo átomo do ponto de vista quântico e exibir proficiência em dois dos tópicos especializados da ementa (10, 11, 12, 13, 14 e 15).

EMENTA:

1. Tópicos em teoria eletromagnética
1.1 Ondas em dielétricos;
1.2 Relações de incerteza;
1.3 Espalhamento de um feixe de eletromagnético;
1.4 Propagação de ondas e m meios anisotrópicos;
1.5 Radiação eletromagnética coerente;
1.6 Exemplos de efeitos de coerência.

2. Traçado de raios no sistema óptico
2.1 Matriz de raios;
2.2 Algumas matrizes de raios usuais;
2.3 Aplicações de traçado de raios: cavidades ópticas;
2.4 Estabilidade: Diagrama de estabilidade;
2.5 A região instável;
2.6 Exemplo do traçado um raio numa cavidade estável;
2.7 Trajetórias repetitivas de raios;
2.8 Condições iniciais: cavidades estáveis;
2.9 Condições iniciais: cavidade instáveis;
2.10 Astigmatismo;
2.11 Meios contínuos de comportamentos semelhantes a lentes:
2.11.1Propagação de um raio em um meio não homogêneo;
2.11.2 Matriz dos raios em uma lente contínua.
2.12 Transformação de uma onda por uma lente.

3. Feixes gaussianos
3.1 Idéias preliminares: ondas TEM;
3.2 O modo TEM0,0;
3.3 Descrição física do modo TEM0,0:
3.3.1Amplitude do campo;
3.3.2Fator longitudinal da fase;
3.3.3Fator radial da fase.
3.4 Modos de ordem superior;
3.5 Lei ABCD para feixes gaussianos.

4. Condução de feixes ópticos
4.1 Fibras ópticas e heteroestruturas: o modelo para a guia de onda:
4.1.1Análise convencional (percurso "zigue-zague");
4.1.2Abertura numérica.
4.2 Modos em uma fibra com variação discreta de índices de refração: abordagem com a equação de onda:
4.2.1Modo TE (Ez = 0);
4.2.2Modo TM (Hz = 0).
4.3 Feixes gaussianos em fibras e lentes com variação contínua de índice de refração;
4.4 Teoria da perturbação;
4.4.1Dispersão e perda em fibras;
4.4.2Propagação de impulsos em meios dispersivos: teoria;
4.5 Sólitons ópticos.

5. Cavidades Ópticas
5.1 Feixes gaussianos em ressoadores simples e estáveis;
5.2 A aplicação da lei ABCD a cavidades;
5.3 O volume dos modos em ressoadores estáveis;
5.4 Conceitos gerais da cavidade;
5.5 Ressonância.
5.6 Precisão da ressonância: "Q" e Finesse;
5.7 Tempos de vida dos fótons;
5.8 Ressonância dos modos Hermite-gaussianos;
5.9 Perdas por difração;
5.10 Cavidade com ganho: um exemplo.

6. Oscilação e Amplificação laser
6.1 Os coeficientes A e B de Einstein:
6.1.1Definição de processo radiativos;
6.1.2Relação entre os coeficientes.
6.2 Forma de linha;
6.3 Amplificação por um sistema atômico;
6.4 Alargamento de linhas espectrais:
6.4.1 Mecanismo de alargamento homogêneo;
6.4.2 Alargamento não homogêneo;
6.4.3 Comentários gerais sobre perfis de linhas.
6.5 Condição limiar para oscilação;
6.6 Oscilação e amplificação laser em uma transição homogeneamente alargada;
6.7 Saturação do ganho em uma transição homogeneamente alargada;
6.8 Oscilação laser em um sistema não homogêneo;
6.9 Oscilação multimodo;
6.10 Saturação do ganho em uma transição com o alargamento Doppler: tratamento matemático;
6.11 Emissão espontânea amplificada (ASE);
6.12 Oscilação laser: um diferente ponto de vista.

7. Características gerais dos lasers
7.1 Limitação da eficiência:
7.1.1Fatores que contribuem para a eficiência;
7.1.2Lasers de 2, 3, 4 .........., n níveis.
7.2 Lasers contínuos (CW):
7.2.1 Laser de cavidade em anel (onda propagante);
7.2.2Acoplamento ótimo;
7.2.3Lasers de onda estacionária.
7.3 Dinâmica do laser:
7.3.1Introdução e modelos:
7.3.1.1Caso a: Um sistema abaixo do limiar;
7.3.1.2Caso b: Um laser contínuo: condições limiar;
7.3.1.2 Caso c: Bombeio modulado senoidalmente;
7.3.1.3 Caso d: Variação súbita na taxa de excitação;
7.3.1.4 Caso e: Excitação pulsada Chaveamento do ganho.
7.4 Chaveamento Q e pulsos laser gigantes;
7.5 Acoplamento de modos ("Mode locking"):
7.5.1Considerações preliminares;
7.5.2Acoplamento de modos em um laser alargado não homogeneamente;
7.5.3Acoplamento ativo de modos.
7.6 Propagação de pulsos em amplificadores ou absorvedores saturáveis;
7.7 Acoplamento de modos com absorvedores saturáveis;
7.8 Acoplamento de modos por adição de pulsos.

8. Equações de Maxwell e o átomo "clássico"
8.1 Corrente de Polarização;
8.2 Propagação de ondas com átomos ativos;
8.3 O coeficiente clássico A21;
8.4 Modos de um laser:
8.4.1 Modos de Slater de uma cavidade sem perdas;
8.4.2 Cavidade com perdas e uma fonte.
8.5 Dinâmica dos campos:
8.5.1 Excitação constringida a zero;
8.5.2 Evolução temporal do campo.

9. Teoria quântica da interação campo-átomo
9.1 Descrição de Schrödinger;
9.2 Derivação dos coeficientes de Einstein;
9.3 Dinâmica de um átomo isolado;
9.4 Abordagem por matriz de densidade:
9.4.1Introdução;
9.4.2Definição.
9.5 Equação de movimento para a matriz de densidade;
9.6 Sistema de dois níveis;
9.7 Corrente de polarização de regime estacionário;
9.8 Fenômenos de multiníveis ou de multifótons;
9.9 Efeitos Raman:
9.9.1 O fenômeno;
9.9.2 Uma análise clássica do Efeito Raman;
9.9.3 Descrição do efeito Raman por matriz densidade.
9.10 Propagação de pulsos: Transparência auto-induzida:
9.10.1 Interesse da análise;
9 .10.2 Uma análise auto consistente da interação átomo-campo;
9.10.3 Teorema da "área";
9.10.4 Solução por pulsos.

10. Excitação laser
10.1 Lasers de 3 e de 4 níveis;
10.2 Lasers de rubi;
10.3 Lasers e amplificadores de terras raras:
10.3.1 Considerações gerais;
10.3.2 Lasers de Nd:YAG;
10.3.3 Lasers de Nd:YAG bombeados por lasers de semicondutores;
10.3.4 Lasers de Neodimio-Vidor;
10.3.5 Amplificadores de fibra dopada com érbio;
10.4 Ganho óptico em bandas largas:
10.4.1 Emissão e absorção banda-banda;
10.4.2 Teoria da emissão e absorção banda-banda.
10.5 Lasers sintonizáveis:
10.5.1 Considerações gerais;
10.5.2 Lasers de corantes;
10.5.3 Lasers de estado sólido sintonizáveis;
10.5.4 Cavidades para lasers sintonizáveis.
10.6 Lasers de descarga gasosa:
10.6.1 Introdução;
10.6.2 Laser de Hélio-Neônio;
10.6.3 Lasers iônicos;
10.6.4 Lasers moleculares: CO2, N2, CO, etc.
10.7 Lasers de Excímeros: Considerações gerais:
10.7.1 Formação de um dímero excitado ("excited dimer");
10.7.2 Excitação dos lasers de excímeros de gases raros e halogêneos.
10.8 Laser de elétrons livres (FEL).

11. Lasers de semicondutores
11.1 Introdução:
11.1.2 Visão geral;
11.1.3 Populações em um laser de semicondutor.
11.2 Revisão da teoria elementar de semicondutores:
11.2.1 Densidade de estados.
11.3 Probabilidade de ocupação: Níveis quase Fermi:
11.4 Absorção e ganho óptico em semicondutores;
11.4.1 Coeficiente de ganho em um semicondutor;
11.4.2 Perfil da emissão espontânea;
11.4.3 Um exemplo de um semicondutor inverso.
11.5 Diodo laser:
11.5.1 Laser de homojunção;
11.5.2 Laser de heterojunção.
11.6 Efeitos de natureza quântica:
11.6.1 Barreiras infinitas;
11.6.2 Barreiras finitas: Um exemplo.
11.7 Lasers emissores de superfície com cavidade vertical;
11.8 Modulação de lasers de semicondutores:
11.8.1 Características estáticas;
11.8.2 Resposta em freqüência de díodos lasers.

12. Tópicos avançados de eletromagnetismo aplicado a lasers
12.1 Cavidades em semicondutores:
12.1.1 Modos TE (Ez = 0);
12.1.2 Modos TM (Hz = 0);
12.1.3 Polarização dos modos TE e TM.
12.2 Ganho em guias: Um exemplo;
12.3 Confinamento óptico e índice efetivo;
12.4 Realimentação distribuída e refletores de Bragg;
12.4.1 Introdução:
12.4.2 Análise dos modos acoplados;
12.4.3 Refletor distribuído de Bragg;
12.4.4 Filtro de quarto de onda passabanda;
12.4.5 Lasers de realimentação distribuída (espelhos ativos);
12.4.6 Lasers sintonizáveis de semicondutores.
12.5 Ressonadores instáveis:
12.5.1 Considerações gerais;
12.5.2 Ressonadores confocais instáveis.
12.6 Tratamento do problema de cavidades usando equações integrais:
12.6.1 Formulação matemática;
12.6.2 Resultados de Fox e Li;
12.6.3 Resssonador confocal estável.
12.7 Análise do campo em cavidades instáveis;
12.8 Lei ABCD para cavidades com espelhos não informes;
12.9 Arranjos de díodos laser:
12.9.1 Considerações sobre o sistema;
12.9.2 Arranjo de lasers semicondutores: Descrição física;
12.9.3 Supermodos do arranjo;
12.9.4 Padrão de radiação.

13. Espectroscopia de alguns lasers usuais
13.1 Notação atômica:
13.1.1 Níveis de energia;
13.1.2 Transições; regras de seleção.
13.2 Estrutura molecular: moléculas diatômicas:
13.2.1 Comentários preliminares;
13.2.2 Estrutura rotacional e transições;
13.2.3 Distribuição térmica da população nos estados rotacionais;
13.2.4 Estrutura vibracional;
13.2.5 Transições Rotacionais-vibracionais (rovibrônicas);
13.2.6 Ganho relativo nas ramas P e R: Inversões parcial e total.
13.3 Estados eletrônicos em moléculas:
13.3.1 Notação;
13.3.2 O princípio de Franck- Condon;
13.3.2 Lasers de nitrogênio molecular.

14. Detecção de radiação óptica
14.1 Introdução;
14.2 Detectores quânticos:
13.2.1 Fotodiodo a vácuo;
13.2.2 Fotomultiplicadora.
14.3 Detetores quânticos de estado sólido:
14.3.1 Fotocondutor;
14.3.2 Fotodiodo de junção;
14.3.3 Diodo p-i-n;
14.3.4 Fotodiodo de avalanche;
14.4 Considerações sobre o ruído;
14.5 Matemática do ruído;
14.6 Fontes de ruído:
14.6.1 Ruído de disparo ("shot");
14.6.2 Ruído térmico;
14.6.3 Forma do ruído em amplificadores de vídeo;
14.6.4 Radiação de fundo.
14.7 Limites dos sistemas de detecção:
14.7.1Detecção de fótons por vídeo;
14.7.2Sistema heterodino.

15. Fenômenos de descargas em gases
15.1 Introdução;
15.2 Características terminais;
15.3 Características espaciais;
15.4 Gás de elétrons:
15.4.1Elétron "típico" ou "médio";
15.4.2Função de distribuição eletrônica;
15.4.3Cálculo de taxas;
15.4.4Cálculo de um fluxo.
15.5 Balanço de ionização;
15.6 Exemplo da excitação de um laser de CO2 por descarga no gás:
15.6.1Informações preliminares;
15.6.2Detalhes experimentais e resultados;
15.6.3Cálculos teóricos;
15.6.4Correlação entre experimento e teoria;
15.6.5Excitação dos níveis laser.
15.7 Operações contínua de feixes eletrônicos.

PRÉ-REQUISITO 1:

FIS04-07183 Estrutura da Matéria II A

TRAVA:

68 créditos (Física - versão 5)
68 créditos (Física - versão 6)
68 créditos (Física - versão 7)

BIBLIOGRAFIA:

Joseph T. Verdeyen - Laser Eletronics (3ª edição) ; Prentice Hall Series in Solid State Physical Electronics.

Leitura complementar:
Introduction to Optical Eletronics (2ª edição) - Amnon Yariv;
Holt, Rinehart and Winston, 1976;
Quantum Eletronics (3ª edição) Amnon Yariv;
John Wiley & Sons, 1988;
Light; vol. I (Waves, photons and atoms) e II (Laser ligth dynamics) - Herman Haken
North Holland Physics Publishing, 1986.

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