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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2018/2019
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 085791 - ONDE ELETTROMAGNETICHE E OTTICA
Docente Gentili Gian Guido , Martelli Paolo
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Corso Integrato

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (356) INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI*AZZZZ085791 - ONDE ELETTROMAGNETICHE E OTTICA
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (358) INGEGNERIA INFORMATICA*AZZZZ085791 - ONDE ELETTROMAGNETICHE E OTTICA
051231 - OTTICA E IMMAGINI
II3AZZZZ051232 - ONDE ELETTROMAGNETICHE

Obiettivi dell'insegnamento

Un primo obiettivo dell'insegnamento è introdurre lo studente allo studio dei fenomeni ondulatori elettromagnetici, della propagazione in spazio libero e guidata, con cenni alla trattazione unificata delle onde elettromagnetiche, acustiche ed elastiche. Verranno forniti gli strumenti fisico-matematici adatti ad applicazioni della teoria elettromagnetica in vari ambiti, quali ad esempio la tecnologia delle radiofrequenze e la diagnostica elettromagnetica. Si vuole poi portare lo studente a conoscere fenomeni fisici quali la trasmissione totale, l'eccitazione di onde non uniformi e l'effetto tunnel elettromagnetico. Si affronta anche il problema della propagazione elettromagnetica guidata, con l'obiettivo di familiarizzare lo studente con le terminologie e le proprietà fondamentali delle guide d'onda.

Un secondo obiettivo è quello di fornire le basi dell’ottica contemporanea. Partendo dalla teoria della diffrazione e dell’ottica di Fourier, saranno analizzati i sistemi ottici per la formazione ed il filtraggio delle immagini. Verranno anche mostrati esempi di sistemi di acquisizione e riproduzione delle immagini, ed inoltre applicazioni pratiche dell’uso dell’ottica nell’elaborazione dei segnali, nelle comunicazioni e nella sensoristica.


Risultati di apprendimento attesi

Conoscenza e comprensione (Descrittore di Dublino 1) Conoscenza dei fenomeni fisici caratteristici delle strutture guidanti e dei problemi di riflessione e trasmissione. Conoscenza dei principi fondamentali della polarizzazione della luce, dell'interferenza, della diffrazione e dell'ottica di Fourier.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (Descrittore di Dublino 2) Capacità di effettuare analisi quantitative in presenza di interferenza o riflessione. Capacità di dimensionare correttamente semplici guide d'onda per la propagazione guidata di segnali a banda stretta e a banda larga. Capacità di dimensionare i parametri fondamentali di elementi ottici per ottenere prefissate trasformazioni di polarizzazione, semplici sistemi interferometrici e diffrattivi, semplici sistemi di formazione e filtraggio delle immagini.

Capacità di apprendimento (Descrittore di Dublino 5) Capacità di progettare semplici strutture antiriflesso ovvero di adattamento oppure di ricopertura (radome). Capacità di utilizzare le conoscenze acquisite per la diagnostica elementare di materiali. Capacità di analizzare e studiare sistemi ottici di maggiore complessità rispetto a quelli esemplificati durante le lezioni/esercitazioni.


Argomenti trattati

MODULO 1 - ONDE ELETTROMAGNETICHE

Introduzione
1. Le onde elettromagnetiche nella teoria classica. L’introduzione degli aspetti
corpuscolari della radiazione elettromagnetica: il fotone. Cenni storici. Gli aspetti
relativistici delle onde elettromagnetiche: cenni storici e principi elementari.
2. Lo spettro elettromagnetico. Onde radio, onde infrarosse, visibili e ultraviolette, raggi
X e raggi gamma, raggi cosmici. Interazione con la materia: onde ionizzanti e non
ionizzanti.

Onde in spazio libero
1. Richiami sulle equazioni di Maxwell, sulle funzioni d’onda e su alcuni teoremi
dell’elettromagnetismo
2. Equazioni di Maxwell nel dominio del numero d’onda
3. Onde piane uniformi e non uniformi (onde in mezzi ideali, buoni dielettrici, buoni
conduttori, mezzi qualsiasi, onde nei plasmi)
4. Introduzione alle onde acustiche ed elastiche.
5. Polarizzazione delle onde (polarizzazione lineare, circolare, ellittica)
6. Riflessione e trasmissione delle onde piane (angolo critico, angolo di polarizzazione)
7. Multistrati (effetto tunnel, effetto guidante)
8. Decomposizione di un campo assegnato in onde piane

Onde guidate
1. I potenziali di Hertz e la propagazione guidata: modi in mezzo omogeneo (TE, TM,
TEM). Onde ibride
2. Velocità di fase e di gruppo (dispersione temporale)
3. La guida d’onda rettangolare e circolare
4. Propagazione guidata da uno slab dielettrico: le fibre ottiche (slab lineare, guida
circolare a salto d’indice)

Applicazioni
1. Le applicazioni delle onde: le bande per radionavigazione e radiolocalizzazione, bande
amatoriali, radiomobili civili e militari, broadcast radiofonico e televisivo, bande civili e
dedicate ai trasporti, ponti radio e radiomobili terrestri, satelliti meteo e televisivi, radar
2. Altre applicazioni delle onde elettromagnetiche: la diagnostica del terreno in bassa
frequenza (CSEM e induction logging), il ground penetrating radar (GPR), le applicazioni
industriali (forni ed essicatori), i sistemi RFid, la diagnostica medica (NMR e pet) e il
trattamento, l’astronomia ottica e la radioastronomia.

 

MODULO 2 - OTTICA

1. Polarizzazione della luce. Vettori e matrici di Jones. Parametri di Stokes. Rappresentazione della polarizzazione della luce mediante la sfera di Poincaré. Lamine birifrangenti, rotatori di polarizzazione e polarizzatori.

2. Interferenza e proprietà di coerenza della luce. Definizione generale di coerenza per un fascio di luce. Coerenza temporale. Coerenza spaziale. Contenuto spettrale. La luce laser. Interferometri di Michelson e di Mach-Zehnder. Esempi di sensori basati su interferometria ottica.

3. Ottica di Fourier. Analisi di sistemi bidimensionali per il trattamento ottico delle informazioni. La diffrazione della luce. L’integrale di Huygens e l’approssimazione di Fresnel. Il concetto di frequenza spaziale. L’approssimazione di Fraunhofer. Diffrazione da aperture singolari. Diffrazione da reticoli.

4. Lenti, sistemi ottici e immagini. Azione delle lenti. Le lente come filtro di fase e la formazione delle immagini. Magnificazione, criterio di Rayleigh e limite di risoluzione. Analisi in frequenza dei sistemi ottici. Obiettivi e loro caratterizzazione. Fotografia e sistemi di acquisizione e riproduzione delle immagini. Sistemi per l’elaborazione ottica dell’informazione. Tecniche di filtraggio spaziale. Riconoscimento di caratteri.

5. Propagazione della luce e applicazioni nelle comunicazioni. Propagazione di fasci gaussiani in spazio libero. Propagazione guidata in fibra ottica. Accoppiamento tra spazio libero e fibra ottica. Introduzione alle comunicazioni ottiche wireless e in fibra.

 


Prerequisiti

Conoscenze elementari di algebra delle matrici e dei vettori. Operatori differenziali. Conoscenza del concetto di campo elettrico e magnetico e delle equazioni di Maxwell. Conoscenza delle linee di trasmissione e dei parametri caratteristici delle onde di tensione e corrente. Elementi di teoria dei circuiti. Conoscenze matematiche di base relative alla trasformata di Fourier.


Modalità di valutazione

L'esame consta in due prove scritte, una inerente agli argomenti trattati nel Modulo 1 (Onde Elettromagnetiche) e l'altra agli argomenti trattati nel Modulo 2 (Ottica). Il voto finale è dato dalla media dei voti delle due prove scritte, purché entrambi i voti siano non inferiori a 15/30.

Più in dettaglio, la prova scritta per il Modulo 1 comprende:

- esercizi di tipo numerico, per valutare risultati di apprendimento associati ai Descrittori di Dublino 1 e 2;

- esercizi di tipo progettuale, per valutare risultati di apprendimento associati ai Descrittori di Dublino 2 e 5.

La prova scritta per il Modulo 2 comprende:

- esercizi di tipo numerico, per valutare risultati di apprendimento associati ai Descrittori di Dublino 1 e 2;

- domande teoriche a risposta aperta, per valutare risultati di apprendimento associati ai Descrittori di Dublino 1, 2 e 5.


Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativaG. G. Gentili, C. Riva, APPUNTI DI ONDE ELETTROMAGNETICHE CON ESERCIZI, Editore: Maggioli, Anno edizione: 2008, ISBN: 9788838741944
Risorsa bibliografica facoltativaJ. W. Goodman, Introduction to Fourier Optics (4th Ed.), Editore: W. H. Freeman & Co, Anno edizione: 2017
Risorsa bibliografica facoltativaB. E. A. Saleh, M. C. Teich, Fundamentals of Photonics (2nd Ed.), Editore: Wiley-Interscience, Anno edizione: 2007
Risorsa bibliografica obbligatoriaLucidi e materiale didattico relativi al Modulo 2 forniti sulla piattaforma BEEP https://beep.metid.polimi.it/

Software utilizzato
Nessun software richiesto

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
62:30
93:45
Esercitazione
37:30
56:15
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 100:00 150:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
Disponibilità di supporto didattico in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.9 / 1.6.9
Area Servizi ICT
21/10/2021