Programma del
cosrso di Fisica Atomica
a.a. 2002/2003
(indice delle dispense)
1 Introduzione: 3
1.1 Caratteristiche delle sorgenti radiative rispetto allo
spettro
elettromagnetico 3
1.2 Principio di funzionamento di un laser 3
1.3 Caratteristiche principali della luce laser 5
1.4 Usi di un laser 9
2 Radiazione ed interazione Radiazione -Materia 11
2.1 Onde elettromagnetiche 11
2.2 Emissione di dipolo elettrico 12
2.3 Modi della cavitˆ 15
2.4 Radiazione termica e legge di Planck 16
2.5 Assorbimento ed emissione 17
2.6 Quantitˆ fotometriche 20
2.7 Richiami di ottica geometrica 21
3- Struttura di Atomi e Molecole: spettri, forme di riga,
saturazione 24
3.1 L?atomo di idrogeno 24
3.2 Atomi a molti elettroni 29
3.3 Effetto Zeeman normale e anomalo, effetto Paschen-Back 36
3.4 Larghezza e forma delle righe 39
3.4.1 Introduzione 39
3.4.2 Costanza dell'assorbimento integrato nei sistemi
lineari.
Principio
di stabilitˆ spettroscopica 40
3.4.3 Larghezza Naturale 41
3.4.4 Allargamento per effetto Doppler 43
3.4.5 Profilo di Voigt 44
3.4.6 Righe omogenee e righe disomogenee 44
3.4.7 Riduzione dell'effetto Doppler: effetto Dicke 45
3.4.8 Perturbazioni esterne o per pressione 46
3.4.9 Forze interatomiche 48
3.4.10 Allargamento per collisioni tra atomi neutri 48
3.4.11 Allargamento per collisioni con particelle cariche 54
3.4.12 Allargamento delle righe dello spettro dell?idrogeno
in un
plasma 56
3.4.13 Teoria di Holtsmark per l?allargamento dovuto agli
ioni 56
3.4.14 Determinazione della densitˆ elettronica Ne da misure
di
allargamento
e Stark shift 58
3.4.15 Allargamento per campi esterni lentamente variabili 61
3.4.16 Tempo di interrogazione finito 61
3.4.17 Effetti non lineari: mezzi otticamente opachi 62
3.4.18 Effetti
non lineari: saturazione di righe omogenee 64
3.4.19 Saturazione di righe disomogenee 66
3.4.20 Transizioni a due fotoni in assorbimento 68
3.4.21 Conclusioni 69
4 - Laser 71
4.1 principi generali di funzionamento 71
4.2 tipi di laser 76
4.2.1 laser ad azoto 76
4.2.2 laser a rubino 77
4.2.3 Laser Nd-YAG 78
4.3 inversione della popolazione nei laser a gas 83
4.3.1 Caratteristiche della saturazione. 84
4.4 laser a gas 90
4.4.1 Laser He-Ne 90
4.4.2 Laser a CO2 93
4.4.3 Laser CO2 a guida d?onda 96
4.4.4 Laser a ionizzazione Penning 105
4.4.5 Laser a gas nobili 106
4.6 Estensione delle frequenze laser 108
4.7 Laser a colorante o dye laser 113
4.8 Far Infrared Laser pompati otticamente 117
4.8.1 Modello con le equazioni di rate 120
4.8.2 Criteri di selezione per le righe FIR 123
4.8.3 Aumento delle righe FIR a disposizione 127
4.8.4 Miglioramento dell?efficienza dei laser FIR 129
4.8.5 Trasmittivitˆ e assorbimenti nel FIR 134
4.8.6 Accordabilitˆ in frequenza 135
4.8.7 Caratteristiche tipiche dei FIRL (FIR laser) 137
4.8.8 Risuonatori per laser FIRe guide d?onda 137
4.8.9 FIR per misure in astrofisica e FIR di alta purezza
spettrale 149
4.9 Selezione e controllo della frequenza di un laser 152
5 Cavitˆ ottiche 155
5.1 Stabilitˆ di una cavitˆ ottica 159
5.2 Interferenza tra fasci multipli 160
5.3 Fasci gaussiani 163
5.4 Cavitˆ stabili 171
5.5 Specchi dielettrici 173
5.6 Filtri interferenziali e trattamenti antiriflesso 175
5.7 Cavitˆ passive 180
5.8 Cavitˆ attive 190
5.9 Pulling dei modi 202
5.10 Potenza di un laser nel caso di piccolo guadagno 205
5.11 Hole burning 209
5.12 Dipendenza della potenza dal tuning della cavitˆ 212
5.13 Equazione di Rigrod (alto guadagno) 213
5.14 Riga disomogenea - singolo modo - guadagno piccolo 215
5.15 Metodo per misurare i parametri di un laser 217
6 spettrometria 219
6.1 Spettri 219
6.2 Spettroscopi 221
6.3 Teoria della diffrazione e reticoli 222
6.4 Spettroscopia a trasformata di Fourier 227
6.5 Fabry Perot e prisma 234
6.6 Tecniche spettroscopiche non convenzionali 238
6.6.1 Spettroscopia optogalvanica 238
6.6.2 Spettroscopia optoacustica 240
6.7 Spettroscopia ad alta risoluzione 243
6.7.1 Tecniche di spettroscopia di saturazione,
spettroscopia di
intermodulazione 243
6.7.2 Spettroscopia di intermodulazione della polarizzazione 248
6.7.3 Spettroscopia a sovrapposizione di fasci 250
6.7.4 Spettroscopia a doppia risonanza 250
6.7.5 Pompaggio ottico 250
6.7.6 Spettroscopia a due fotoni 251
6.7.7 Battimenti quantici 251
6.7.8 Effetto Hanle non lineare e spettroscopia a incrocio
dei
livelli (level crossing) 252
6.7.9 Spettroscopia a particelle intrappolate 253
7 Metrologia 254
7.1 Definizioni del metro 254
7.2 Qualitˆ di uno standard in frequenza 255
7.2.1 Stabilitˆ 255
7.2.2 Accuratezza 259
7.2.3 Riproducibilitˆ 260
7.3 Applicazioni di uno standard in frequenza 262
7.4 Stabilizzazione di un laser 269
7.5 Catene di sintesi di frequenza 274
7.6 Misura di c e misure con una catena di frequenza 280
7.7 Sviluppi negli standard di frequenza ottici 282
7.8 Pettini di frequenza 283
A- Scariche nei gas 286
A.1 Scarica e
bagliore 292
A.2 Scarica ad
arco 296
B Spettri molecolari rotovibrazionali 299
B.1 caratteristiche generali 299
B.2 Effetto Stark 302