Università degli studi dell'Insubria

LABORATORIO DI FISICA V

A.A. di erogazione 2018/2019
Insegnamento opzionale

Laurea triennale in Fisica
 (A.A. 2016/2017)

Docenti

Anno di corso: 
3
Tipologia di insegnamento: 
Caratterizzante
Settore disciplinare: 
FISICA SPERIMENTALE (FIS/01)
Crediti: 
6
Ciclo: 
Secondo Semestre
Ore di attivita' frontale: 
66
Dettaglio ore: 
Laboratorio (66 ore)

Obiettivo del corso è insegnare allo studente come si realizza un semplice esperimento di ottica statistica dall’inizio alla fine. Partendo dai singoli componenti ottici, meccanici ed elettronici, lo studente imparerà a costruire l’apparato sperimentale assemblando le varie parti, interfacciare il rivelatore ad un Personal Computer, gestire la presa e il salvataggio dei dati attraverso un codice personalizzato scritto in LABVIEW, analizzare i dati e validare il metodo di analisi attraverso simulazioni numeriche, interpretare i risultati sulla base di un’opportuna teoria e, in ultimo scrivere una relazione scientifica sull’attività svolta.

Conoscenze di base di ottica e statistica

In questo laboratorio, verranno realizzati esperimenti di ottica lineare e statistica che illustrano alcune delle principali proprietà classiche della luce, quali la sua coerenza spazio-temporale, le sue proprietà statistiche in presenza di sistemi stocastici, e la sua capacità di realizzare analisi di Fourier. Tali proprietà sono alla base di numerose tecniche ottiche che trovano applicazione nel campo dell’interferometria, metrologia, formazione di immagine e velocimetria.

Il corso prevede una prima fase nella quale verrà tenuta una serie di lezioni tese ad introdurre gli studenti alle tematiche relative agli esperimenti da eseguire e alla strumentazione da usare. Contestualmente, verrà introdotto mediante esercitazioni pratiche il linguaggio di programmazione LABVIEW, che sara’ lo strumento software necessario per gestire l’intera attività da laboratorio. Nella seconda fase, gli studenti verranno divisi in gruppi di 2 3 unità e ciascun gruppo eseguirà, a partire dalla realizzazione del setup ottico, uno degli esperimenti sotto riportati:

Coerenza spaziale
Le proprietà di coerenza spaziale di una radiazione determinano la sua capacità di dare luogo a frange di interferenza quando vengono sovrapposti porzioni diverse del suo fronte d'onda. Tale proprietà è basilare in tutte le tecniche di interferometria ottica. In laboratorio verrà utilizzata una radiazione laser e un vetro smerigliato per simulare una radiazione pseudo-termica con diverse caratteristiche di coerenza spaziale e verrà mostrato come sia possibile misurare le dimensioni dell’area di coerenza utilizzando un interferometro di Young.

Speckle 3D
Quando un fascio laser incide su una superficie otticamente ruvida come quella di un vetro smerigliato, il fronte d’onda del fascio viene modulato in modo stocastico e la sua propagazione nello spazio diviene irregolare. La distribuzione d’intensità osservata ad una certa distanza dal vetro ha un aspetto profondamente maculato, nel quale si alternano in modo altamente disordinato macchie chiare (luce) e scure (buio) note con il nome di speckle. Studiando le proprietà statistiche delle speckle in tre dimensioni 3D è possibile caratterizzare la rugosità della superficie e definire il volume di coerenza spaziale del campo speckle.

Velocimetria speckle
Sotto opportune condizioni, le speckle prodotte da un sistema di particelle in moto si muovono solidalmente con le particelle. Di conseguenza, attraverso la misura della cross-correlazione di due campi speckle acquisiti ad una assegnata distanza temporale, è possibile risalire alla mappatura 2D del capo di velocità delle particelle. Tale tecnica verrà applicata in laboratorio per misurare il profilo di velocità (laminare) di un fluido all’interno di un condotto e per caratterizzare la velocità di sedimentazione di particelle colloidali.

Moto Browniano
Una particella colloidale dispersa in un fluido è soggetta ad un moto di agitazione termica noto con il nome di moto Browniano. Lo spostamento quadratico medio della particella dipende dal suo coefficiente di diffusione traslazione, che, a sua volta attraverso la relazione di Stokes Einstein, dipende dal raggio della particella. Utilizzando un semplice microscopio ottico interfacciato ad una telecamera veloce è possibile visualizzare e tracciare il moto della particella, misurarne il suo spostamento quadratico medio, e determinare di conseguenza il suo raggio.

Lezioni teoriche frontali, esercitazioni al Computer per apprendimento del linguaggio LABVIEW, realizzazione di un esperimento in laboratorio

Realizzazione di simulazioni numeriche che riproducano l’esperimento da laboratorio.
Esame finale che consisterà nella discussione della relazione sull' esperimento eseguito in laboratorio.

Vari libri di testo di ottica classica e statistica, presentazioni Power Point del docente.

Orario di ricevimento da concordare con il docente

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A.A. 2017/2018

Anno di corso: 3
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2015/2016

Anno di corso: 3
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2014/2015

Anno di corso: 3
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2013/2014

Anno di corso: 3
Curriculum: PERCORSO COMUNE