Geometrical Optics: Electromagnetic waves, Black body radiation; Reflection law, plane mirror, curved mirror (concave mirror and convex mirror), graphical methods; Refraction law (Snell law), chromatic dispersion, total internal reflection, optical fibers, diopter, apparent depth and mirages, lens and thin lens, Converging and Diverging Lens, image formation, optical systems, the eye, the microscope, main microscopy techniques
Ottica Geometrica: Onde elettromagnetiche, radiazione di corpo nero; legge della riflessione, specchio piano, specchi curvi (specchio concavo e specchio convesso), metodi grafici; legge della rifrazione (legge di Snell), dispersione cromatica, riflessione interna totale, fibre ottiche, diottri (diottro convesso, concavo e piano), profonditΓ apparente e miraggi, lenti e lente sottile, lenti convergenti e divergenti, formazione immagine, sistemi ottici, l'occhio, il microscopio, cenni su principali tecniche di microscopia
Studio e sviluppo di una soluzione circuitale per la simulazione di un rivela...DanieleMarchese6
Β
Studio e sviluppo di una soluzione circuitale per la simulazione di un rivelatore THz basato su matrice di bolometri micromeccanici. Laurea triennale in ingegneria elettronica e informatica. Daniele Marchese.
Geometrical Optics: Electromagnetic waves, Black body radiation; Reflection law, plane mirror, curved mirror (concave mirror and convex mirror), graphical methods; Refraction law (Snell law), chromatic dispersion, total internal reflection, optical fibers, diopter, apparent depth and mirages, lens and thin lens, Converging and Diverging Lens, image formation, optical systems, the eye, the microscope, main microscopy techniques
Ottica Geometrica: Onde elettromagnetiche, radiazione di corpo nero; legge della riflessione, specchio piano, specchi curvi (specchio concavo e specchio convesso), metodi grafici; legge della rifrazione (legge di Snell), dispersione cromatica, riflessione interna totale, fibre ottiche, diottri (diottro convesso, concavo e piano), profonditΓ apparente e miraggi, lenti e lente sottile, lenti convergenti e divergenti, formazione immagine, sistemi ottici, l'occhio, il microscopio, cenni su principali tecniche di microscopia
Studio e sviluppo di una soluzione circuitale per la simulazione di un rivela...DanieleMarchese6
Β
Studio e sviluppo di una soluzione circuitale per la simulazione di un rivelatore THz basato su matrice di bolometri micromeccanici. Laurea triennale in ingegneria elettronica e informatica. Daniele Marchese.
Il modello "Assone-Cavo" e l'equilibrio nello stato di riposo di un assone
A CURA DI: MD FAYRUJ ISLAM DURRANI
Studente di Farmacia presso l'UniversitΓ di Roma La Sapienza
I. Electronic properties of nanomaterials.
Physics of inorganic nanostructures: Band structure engineering, quantum confinement, quantum wells/wires/dots, electronic states, energy levels and density of states, selected experimental results on characterization (STS, WF mapping, optical spectroscopy) and applications (lasers, single photon sources, single electron transistors).
Physics of organic nanosystems: Carbon nanostructures (nanotubes, fullerenes and graphene: band structure, Dirac Points, electronic properties, Raman spectra, electronic transport, Klein tunneling and applications), charge transport in conductive polymers and organic semiconductors.
Piattaforma Web per la geofisica applicata al campo ambientale e geotecnico (metodi e applicazioni). Elementi di Sismica a Riflessione e Georadar. Principi fisici e Caratterizzazione dei Materiali.
Presentazione della tesi di laurea triennale.
Titolo:"Studio del comportamento delle Piramidi di Terra alle sollecitazioni naturali ed indotte, con metodi di indagine geofisica e topografica"
Modellazione morfodinamica della spiaggia di La Playa (Cagliari). Tesi di lau...Giovannino Tanca
Β
Il lavoro di ricerca ha riguardato l'analisi dell'evoluzione morfodinamica della spiaggia di La Playa (Cagliari) sulla scala di tempesta e lo studio dell'inondazione costiera mediante il modello numerico XBeach (Roelvink, 2009)
Il modello "Assone-Cavo" e l'equilibrio nello stato di riposo di un assone
A CURA DI: MD FAYRUJ ISLAM DURRANI
Studente di Farmacia presso l'UniversitΓ di Roma La Sapienza
I. Electronic properties of nanomaterials.
Physics of inorganic nanostructures: Band structure engineering, quantum confinement, quantum wells/wires/dots, electronic states, energy levels and density of states, selected experimental results on characterization (STS, WF mapping, optical spectroscopy) and applications (lasers, single photon sources, single electron transistors).
Physics of organic nanosystems: Carbon nanostructures (nanotubes, fullerenes and graphene: band structure, Dirac Points, electronic properties, Raman spectra, electronic transport, Klein tunneling and applications), charge transport in conductive polymers and organic semiconductors.
Piattaforma Web per la geofisica applicata al campo ambientale e geotecnico (metodi e applicazioni). Elementi di Sismica a Riflessione e Georadar. Principi fisici e Caratterizzazione dei Materiali.
Presentazione della tesi di laurea triennale.
Titolo:"Studio del comportamento delle Piramidi di Terra alle sollecitazioni naturali ed indotte, con metodi di indagine geofisica e topografica"
Modellazione morfodinamica della spiaggia di La Playa (Cagliari). Tesi di lau...Giovannino Tanca
Β
Il lavoro di ricerca ha riguardato l'analisi dell'evoluzione morfodinamica della spiaggia di La Playa (Cagliari) sulla scala di tempesta e lo studio dell'inondazione costiera mediante il modello numerico XBeach (Roelvink, 2009)
1. POLITECNICO DI BARI
Corso di laurea triennale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni
Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dell'Informazione
Anno Accademico 2015 - 2016
Relatore:
Chiar.mo Prof. Ing. Francesco PRUDENZANO
Correlatore:
Dott. Ing. Giuseppe PALMA
Laureando:
Angela AMERUOSO
Tesi di laurea in Microonde e Antenne
PROGETTO DI UN SENSORE CHIMICO BIOLOGICO BASATO
SULLA RISONANZA DELLA
WHISPERING GALLERY MODES
2. CosβΓ¨ un sensore WGM?
Sistema di accoppiamento: fibra ottica rastremata
Dispositivo ottico risonante: microsfera
1) A. Giannetti, S. Berneschi, F. Baldini, F, Cosi, G. N. Conti, S. Soria, Performance of Eudragit Coated Whispering Gallery Mode Resonator-Based Immunosensor, Sensors 2012, I2.
2) Rinaldi, Progetto di microstrutture risonanti per il monitoraggio biomedico.
3. Come funziona il sensore
WGM?
Nel risonatore WGM, i fotoni provenienti dal laser vengono intrappolati nella
cavitΓ grazie al fenomeno della Totale Riflessione Interna (TIR) e poi si
riflettono lungo lβequatore grazie alla geometria sferica della struttura
risonante.
1) The World Communicates, Refraction, Science Vault, Anno 11 HSC Physics.
2) M. R. Foreman, J. D. Swaim, F. Vollmer, Whispering gallery modes sensor, Advances in Optics and Photonics 7, 2015.
Condizione TIR:
β’ π1 > π2
β’ ππ > ππ
ππ = sinβ1(π2/π1)
I modi di propagazione della sfera (modi WGM)
corrispondo alla condizione di risonanza della
cavitΓ
4. Le applicazioni del sensore
WGM
Il meccanismo di rilevamento si basa sul fatto che il risonatore, posto in
contatto con una soluzione contenente del contaminante chimico/biologico,
modifica la sua condizione di risonanza.
Misurando la variazione
della lunghezza dβonda e del
fattore di qualitΓ del sensore
Γ¨ possibile distinguere le
diverse specie chimiche.
F. Vollmer, S. Arnold, Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules, Nature Methods, Luglio 2008, Vol. 5, No.7.
5. Le microbolle
Strutture multistrato composte da:
β’ un nucleo interno contente liquido o gas
β’ uno strato esterno in silica che funge da
rivestimento
In biomedicina
permettono di veicolare
farmaci verso specifici
organi del corpo umano
1) S. Deguchi, S. Takahashi, S. Tanimura, H. Hiraki, Producing single microbubbles with controlledsize using microfiber, Advances in Bioscience and Biotechnology, 2011, Vol. 2, No. 5.
2) A. Galassini, Microbolle e US per visualizzare un tumore,,Milano, 11 Gennaio.
6. Teoria analitica: sfera
Il modo di propagazione WGM Γ¨ caratterizzato da tre numeri
interi (ππΊππ,π,π) βΆ
ο¨ π rappresenta il parametro polare o angolare;
ο¨ π Γ¨ il parametro azimutale e rappresenta il numero di
massimi in tale direzione ( π β€ π );
ο¨ π indica il parametro radiale e indica il numero di massimi
nella stessa direzione.
Il valore π β π + 1 indica il numero di massimi del campo in
direzione polare.
Diversi valori di π indicano che i
modi viaggiano lungo la fascia
equatoriale riflettendosi a diverse
inclinazioni. La minima
inclinazione si ha quando π = π
e si parla di modo
fondamentale.
S. Soria, S. Berneshi, M. Brenci, F. Cosi, G.N. Conti, S. Pelli, G. C. Righini, Optical microspherical resonators for biomedical sensing, Sensors (Basel), 2011, 11(1).
7. Teoria analitica: sfera
Per determinare lβequazione di propagazione della
sfera, si parte delle equazioni di Maxwell in forma
differenziale.
Legge dell'induzione di Faraday
π» ππ = β
dπ
dt
Legge di circuitazione di Ampere
π» ππ = π +
dπ
dt
Legge di Gauss
π» β π = Ο
Legge del flusso del campo
magnetico
π» β π = 0
con
π = Ξ΅0Ξ΅r π β π =
π
ΞΌ0ΞΌr
Si ricavano le equazioni di Helmholtz in
coordinate cartesiane e in assenza di
sorgenti.
π»2
π + k2
ns
2
π = 0
π»2
π + k2
ns
2
π = 0
π = π
π e π = π π π π
Passiamo al sistema di
coordinate sferico:
π = π₯2 + π¦2 + π§2
π = arctan
π₯
π¦2 + π§2
π = arctan
π§
π¦
Troviamo le soluzioni del campo
risolvendo le equazioni scalari
per πΈ π, π» π e sfruttando la
separazione delle variabili.
πΉ π, π, π = ππ ππ(π)π π(π)π π(π)
La soluzione dellβequazione di
Helmholtz Γ¨:
βπΉ + π2
π π
2
πΉ = 0
Le tre componenti del campo sono:
π π π = πΒ±πππ
π π π = πβ
π
2
π2
π» π π π π β« 1 β« π
ππ π =
ππ ππ π π con π β€ π π
ππ ππ π π π πβπΌ π πβπ π con π > π π
ππ tale che: π
π(π, π, π) 2
ππ = 1
con π = π½ β π
8. Teoria analitica: fibra
Modi πΏπ ππ : modi polarizzati linearmente che si ottengono
combinando modi quasi degeneri del tipo πΈπ» πβπ,π e π»πΈ π+π,π.
ο¨ m indica il parametro azimutale e ci dΓ informazione sui
massimi in direzione Ο
ο¨ n Γ¨ il parametro radiale e indica i massimi nella stessa
direzione.
Il modo fondamentale, per la generica guida dielettrica a sezione
circolare, Γ¨ il modo π»πΈ11 e la combinazione di questi modi dΓ origine
agli πΏπ0π.Assumendo che i campi che si propagano nella fibra
monomodale siano polarizzati linearmente, la dipendenza
radiale del modo Γ¨:
πΉ0 π π = πππ
π½0
β1
π π πΌ π½0 π π π se π β€ πΌ
πβ[πΎ π πβπΌ ]
se π > πΌ
con coefficiente di normalizzazione:
ππ =
πΌ π π½0(π π πΌ)
ππ ππ½1(π π πΌ)
e parametri caratteristici:
π π = π2 π π
2
β π½π
2
β πΎπ = πΌ π
πΎ1(πΌ π πΌ)
πΎ0(πΌ π πΌ)
πΌ π = π½π
2
β π2 π ππ
2
β ππ = ππΌ π π
2
β π ππ
2
FOSCO, Optical Fiber Tutorial - Optic Fiber- Communication F
9. Teoria analitica: accoppiamento
Evoluzione temporale dellβenergia associata al campo interno alla
cavitΓ :
ππΈ
ππ‘
=
π|π΄|2
ππ‘
= π΄
ππ΄β
ππ‘
+ π΄β
ππ΄
ππ‘
= β
1
π0
π΄ 2
β
ππ΄
ππ‘
= β
1
2π0
π΄
π0 = tempo di decadimento esponenziale dovuto alle perdite
intrinseche della sfera
A = ampiezza del campo interno ( π¬ = π΄πΈ π π π ).
Il campo evanescente prodotto dalla fibra ottica si sovrappone
parzialmente al campo interno alla cavitΓ :
ππ΄
ππ‘
= β
1
2π ππ₯π‘
π΄ + π
1
π β π ππ₯π‘
π΄ππ
π ππ₯π‘ il tempo di decadimento esponenziale dovuto all'accoppiamento
π΄ππ Γ¨ l'ampiezza del campo in ingresso alla fibra ( π π = π΄ππ πΉ0 π π₯).
Evoluzione temporale del campo allβinterno di una microsfera dotata
di perdite, accoppiata ad una fibra ottica:
ππ΄
ππ‘
= β
1
2
1
π ππ₯π‘
+
1
π0
π΄ + π
1
π β π ππ₯π‘
π΄ππ β πβππ΄
ο¨ β
1
2
1
π ππ₯π‘
+
1
π0
π΄ : perdite
intrinseche e di accoppiamento;
ο¨ π
1
πβπ ππ₯π‘
π΄ππ : sollecitazione
prodotta dalla fibra;
ο¨ βπβππ΄ : fattore di detuning (
βπ = π β π ππΊπ).
B.E. Little, J.-P. Lane, H.A. Haus, Analytic Theory of Coupling from Tapered Fibers and Half-Blocks into Microsphere Resonators, Journal of Lightwave Technology, Aprile 1999, Vol. 17, No 4.
10. Progetto del sensore WGM
1) Validazione
2) Analisi parametrica in funzione del gap
Microbolla: π π = 200 ππ, π = 3.3 ππ, nacqua = 1,3213
Microsfera: π π = 145 ππ, π πππ2 = 1.4433
Fibra ottica:
rtaper = 9 ΞΌm
rcore = 3,45 ΞΌm
rclad = 62,3 ΞΌm
Lunghezza
d'onda:
Ξ» = 1613,31 nm
Range:
Ξ»1 = 1605 nm
Ξ»2 = 1620 nm
Potenza di
ingresso:
P = 10 mW
L. Rinaldi, Progetto di microstrutture risonanti per il monitoraggio biomedico.
11. Parametri caratteristici del
sensore
ο¨ Fattore di qualitΓ interno πΈ π:
π0 = ππ0 =
π
π0
2
π0 =
1
π0
coefficiente di perdita
π0 tempo di decadimento esponenziale del campo elettrico dovuto alle perdite nella cavitΓ (π¬ = π΄πΈ π π π)
ο¨ Fattore di qualitΓ esterno πΈ πππ:
π ππ₯π‘ = ππ ππ₯π‘ =
π
π2
π =
1
π ππ₯π‘
coefficiente di accoppiamento
π ππ₯π‘ tempo di decadimento esponenziale del campo elettrico dovuto all'accoppiamento ( π π = π΄ππ πΉ0 π π₯)
Rappresenta lβ efficienza di trasmissione del segnale nella cavitΓ e del sistema di
accoppiamento.
12. Parametri caratteristici del
sensore
ο¨ Coefficiente di accoppiamento k:
π π0 =
π2
2π½π π₯,π¦
(π π
2
β π0
2
)πΉ0 πΉπ,π,π ππ₯ππ¦
Si calcola sovrapponendo il campo della fibra πΉ0 e della sfera πΉπ,π,π
nel piano trasverso, nel punto di minima distanza tra le due strutture.
Per una fibra ottica rastremata:
π2
=
π2
(π)
π
πβ2πΎ π π
d = gap nel punto di minima distanza
πΎπ costante di decadimento del campo esterno alla guida πΎπ =
π½π
2
β π0
2
π2
(π) accoppiamento nel punto di minima distanza
Rappresenta la quantitΓ di energia del segnale in fibra che
si accoppia con un determinato modo WGM allβinterno della
cavitΓ risonante
Fattore di
accoppiamento
normalizzato
πΎ =
π ππ₯π‘
π0
β’ K<1, sotto-
accoppiamento
β’ K=1
accoppiamento
critico
β’ K>1 sovra-
accoppiamento
13. Parametri caratteristici del
sensore
ο¨ Phase matching βπ·:
βπ½ = π½πππππ β π½π ππππ
Γ la differenza tra le costanti di propagazione di fibra e
sfera.
βπ½ = 0 condizione di phase-matching
ο¨ Trasmittanza T:
π =
π΄ ππ’π‘
π΄ππ
2
Frazione della potenza del segnale in ingresso che viene
trasmessa in uscita dopo lβaccoppiamento con la cavitΓ
Risultati
sperimentali
CNR-IFAC:
π β 108
Efficienza di
accoppiamento
50% - 60%
condizione di
phase-matching
14. Progetto del sensore a
microsfera
Dati di progetto:
ο¨ π π = 145 ππ
ο¨ π πππ2 = 1.4433
ο¨ π1 = 1605 ππ
π2 = 1620 ππ
π = 1613,31 ππ
ο¨ ππ‘ππππ = 9 ππ
L'accoppiamento Γ¨ stato simulato a differenti valori di gap,
in particolare sono state analizzate le distanze:
10 nm, 100 nm, 500 nm, 1 ΞΌm.
24. Progetto del sensore a
microbolla
Modo ππ π,π± Gap T [dB] T [u.n.] π π«π’π¬π¨π§ [ππ] πΈ π πΈ πππ βπ·
ππΊπ1075,1075,2 πΏπ0,12 1 ππ β2,949 0.5071 1,6062 1,7146 β 105
2,7535 β 105 β1,3887 β 106
WGM1106,1106,1 πΏπ0,11 500 ππ β3,010 0.5000 1,6096 1,2455 β 106
2,0856 β 107
β1,2650 β 106
WGM1101,1101,1 LP0,10 100 ππ β2,974 0.5042 1,6166 1,2205 β 106
2,9334 β 106
β1,0099 β 106
WGM1109,1109,1 πΏπ0,10 10 ππ β2,997 0.5015 1,6053 1,2607 β 106
2,2657 β 106
β1,0013 β 106
ππ¨ππ¨ π π
π€ π = π
π π
π ππ±π
π€ ππ±π = π
π ππ±π
π =
π€ ππ±π
π€ π
ππΊπ801,801,1 1,4620
β 10β10
8,2703
β 104
2,3463
β 10β10
6,5284 β 104
0,7894
ππΊπ774,774,3 1,0643
β 10β9
3,0652
β 104
2,1128
β 10β9
2,1755 β 104
0,7097
ππΊπ774,774,3 1,0475
β 10β9
3,0897
β 104
2,5158
β 10β9
1,9937 β 104
0,6453
ππΊπ774,774,3 1,0744
β 10β9
3,0508
β 104
1,9296
β 10β9
2,2764 β 104
0,7462
D. Farnesi, F. Chiavaioli, F. Baldini, G.C. Righini, S. Soria, C. Trono, G. Nunzi Conti, Quasi distributed and wavelenght selective addressing of optical micro-resonators based on long period fiber
gratings, Optics Express 21776, 0 Agosto 2015,Vol. 23, No 16.
25. Progetto del sensore a
microbolla
Andamento del campo elettrico nella sezione di piano trasversale (x, y). Lβ
immagine si riferisce al modo ππΊπ1109,1109,1 accoppiato al modo di fibra πΏπ0,10 con
gap = 10 nm
26. Progetto del sensore a
microbolla
Andamento del campo elettrico del modo WGM in funzione della distanza radiale.
Lβ immagine si riferisce al modo ππΊπ1109,1109,1 accoppiato al modo di fibra πΏπ0,10
con gap = 10 nm
Coda di campo
27. Conclusioni
Microsfera
ο¨ Buon accordo con i
risultati sperimentali
ο¨ Ottimizzazione del
sensore:
Rs = 145 ΞΌm
Gap = 200 nm
T = β2,84 dB
Q0 = 9,7604 β 107
Microbolla
ο¨ Buon accordo con i
risultati sperimentali
ο¨ Ottimizzazione del
sensore:
Rs = 200 ΞΌm
Gap = 10 nm
T = β2,997 dB
Q0 = 1,2607 β 106