Obiettivi Formativi

Il corso si propone di fornire le conoscenze relative alle diverse tipologie di laser e alle tecniche spettroscopiche ed ottiche di indagine in cui possono essere utilizzati. Obiettivo del corso è anche quello di fornire gli elementi di base di microscopia ottica e di utilizzo dei laser nelle tecniche di microscopia avanzate fino a quelle a super-risoluzione.

Learning Goals

The course aims to provide knowledge on the different types of lasers and the spectroscopic and optical techniques in which they can be used. The aim of the course is also to provide the basic elements of optical microscopy and the use of lasers in advanced microscopy techniques up to the super-resolution one.

Metodi didattici

Il corso si basa su lezioni teoriche frontali e alcune esercitazioni/esperimenti in laboratorio

Teaching Methods

The course is based on lectures and experiments in laboratory.

Prerequisiti

Lo studente deve avere conoscenze dei principi base dell’ottica fisica, di fotofisica ed elementi di chimica fisica

Prerequisites

The Student must have basic knowledge on physical optics, of Physical Chemistry and Photophysics

Verifiche dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento prevede la valutazione dei risultati ottenuti durante un colloquio orale. Le soglie di sufficienza dell’apprendimento consistono nelle conoscenze di base delle tecniche sperimentali di base che utilizzano i laser come sorgente e nei metodi di generazione di impulsi. Nel giudizio si fa riferimento alle competenze acquisite, alle capacità di apprendimento, alle modalità di studio, all’interesse, all'impegno.

Assessment

The evaluation of the learning includes an oral examination. The student should demonstrate a sufficient knowledge of the foundations of the laser spectroscopy and of the interaction between the laser radiation and molecular systems.

Programma del Corso

Principi di funzionamento dei laser: emissione stimolata, inversione di popolazione, i risonatori. Proprietà caratteristiche della radiazione laser. Le principali tecniche di pompaggio utilizzate: Laser ad emissione continua e ad emissione pulsata. Le varie tipologie di sorgenti laser e i fenomeni spettroscopici che ne permettono il funzionamento. Amplificazione Ottica Parametrica. Strumentazione laser per la chimica (analitica, inorganica, fisica, org..). Sorgenti pulsate, Detector e Laser come sonda di investigazione. (4 ore) Spettroscopia molecolare con i laser. Applicazioni dei laser pulsati in spettroscopia ottica veloce (ns, ps) ed ultraveloce (fs) Time correlated single photon counting Spettroscopia ultraveloce applicata alle reazioni chimiche: processi chimici laser indotti; dinamica molecolare; reazioni di trasferimento elettronico Spettroscopia di tipo pump-probe e nuove tecniche di indagine: Spettroscopia di assorbimento transiente; Strumentazione e principi dell’up-conversion; Time-resolved IR absorption spectroscopy; Time-resolved fluorescence spectroscopy; Laser come reattivi nelle reazioni. Elementi di microscopia ottica. Limite di Abbe, airy disk, Pinzette ottiche.Microscopia a fluorescenza, confocale ed elementi di microscopia a super risoluzione (STED, STORM, PALM). principi di digitalizzazione dell’immagine

Course Syllabus

This course will lay the foundations of the interaction between the laser radiation and atomic and molecular systems. Different types of lasers and their operational characteristics. 3- and 4- level laser systems. Solid state lasers. Gas lasers. Excimer lasers. Dye lasers. Semiconductor lasers. Free electron lasers. Q-switching and Mode-locking operation of lasers. Propagation of laser beams (Gaussian beams). Spatial structure and Beam Quality parameters (TEM -modes) laser characteristic parameters such as wavelength coverage, temporal coherence (spectral bandwidth), spatial coherence, photon irradiance and fluence , and non - linear effects (frequency conversion and mixing) will be discussed in detail: Lasers and their properties. Electromagnetic waves. Cavity and cavity modes. Thermal and laser radiation. Einstein coefficients. Temporal and spatial coherence. Laser bandwidth (broad band versus monochromatic radiation). Single mode and multi-mode emission. Non-linear Optics. Polarizability, Hyperpolarizability, third order susceptibility. Frequency doubling and mixing. Non-linear laser techniques: Coherent Anti-Stokes Raman spectroscopy. Multi -photon absorption and fluorescence The course will finally cover the basic principles and analytical applications of the most popular spectroscopic techniques (e.g., absorption, emission, fluorescence, ionization, Raman and scattering methods) using lasers as primary excitation sources; with some emphasis on Transient absorbtion spectroscopy (pump-probe) and up-conversion. Optical microscopy, Abbe’s limit, Airy disk Fluorescence microscopy, Optical tweezers, Confocal microscopy and Super resolution microscopy, (STED, STORM, PALM). Image digitalization