Obiettivi formativi
Il corso si propone di far comprendere agli studenti l’importanza della fibra ottica convenzionale come componente di base per la realizzazione di dispositivi ottici e fotonici di grande successo sul mercato attuale, come sensori e laser in fibra, e della fibra a cristallo fotonico, ancora oggetto di attiva ricerca a livello internazionale, per i dispositivi del futuro. Inoltre, il corso si propone di fornire agli studenti conoscenze approfondite sulle metodologie numeriche più avanzate per lo studio di fibre e componenti ottici, in modo da sviluppare la capacità di analisi e progettazione di dispositivi ottici e fotonici complessi.
Prerequisiti
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Contenuti dell'insegnamento
La prima parte del corso verterà sulle fibre a cristallo fotonico, con una descrizione dettagliata delle caratteristiche che le distinguono dalle fibre ottiche convenzionali, con particolare riferimento ai meccanismi di guidaggio della luce, e che le rendono particolarmente adatte per importanti applicazioni.
La seconda parte delle lezioni riguarderà invece i laser in fibra ottica, con la presentazione delle configurazioni più diffuse, dei parametri per caratterizzarne le prestazioni e delle principali applicazioni presenti e future.
Nell'ultima parte del corso verrà affrontata in modo approfondito la tematica dei sensori in fibra ottica, sia puntuali, sia distribuiti, con particolare attenzione ai principi di funzionamento, alle applicazioni pratiche e ai prodotti presenti sul mercato, ma anche ai temi di ricerca di maggiore interesse.
Sono previste lezioni in laboratorio, con attività sperimentale e di simulazione.
Il programma del corso sarà integrato dai seminari organizzati dall'Università di Parma in occasione dell'Anno Internazionale della Luce (http://www.light2015.org/Home.html).
Programma esteso
Importanza attuale e futura delle tecnologie ottiche e fotoniche
Richiami sulle fibre ottiche standard (modi guidati, costante di propagazione, apertura numerica, monomodalità e multimodalità, attenuazione, ecc.)
Fibre a cristallo fotonico:
Caratteristiche principali, tecniche di fabbricazione, applicazioni più importanti
Meccanismo di guidaggio basato su riflessione interna totale modificata o photonic bandgap, con riferimento ai cristalli fotonici
Esempi di fibre a cristallo fotonico per applicazioni sensoristiche e per laser ad alta potenza
Laser in fibra ottica:
Configurazioni e schemi di pompaggio (componenti ottici, fibre attive e passive)
Parametri di qualità (efficienza, qualità del fascio) ed effetti parassiti (effetti nonlineari, effetti termici)
Principali applicazioni, con particolare attenzione ai laser ad alta potenza
Sensori in fibra ottica puntuali e distribuiti:
Caratteristiche e proprietà principali, principio di funzionamento, vantaggi e svantaggi
Esempi applicativi più importanti
Classificazioni dei sensori, in base a zona di sensing, meccanismo di modulazione della luce e distribuzione spaziale del sensing
Sensori di intensità
Sensori di spettro
Sensori di fase
Sensori di polarizzazione
Multiplexing di sensori
Sensori distribuiti
Sensori per applicazioni bio-mediche
Componenti e strumenti ottici per la realizzazione e caratterizzazione di sensori e biosensori in fibra ottica (in laboratorio)
Simulazione numerica:
Presentazione delle caratteristiche principali del software COMSOL
Cenni sul Metodo degli Elementi Finiti (FEM)
Simulazione (in laboratorio) di fibre ottiche speciali necessarie per la progettazione e la realizzazione di sensori e laser in fibra (fibre step-index, fibre con particolari proprietà di dispersione, fibre birifrangenti, fibre a cristallo fotonico, ecc.)
Bibliografia
S. Selleri, L. Vincetti, A. Cucinotta, “Componenti ottici e fotonici”, Esculapio, 2012
R. Paschotta, “Encyclopedia of laser physics and technology”, 2008
E. Udd, “Fiber optic sensors : an introduction for engineers and scientists”, Wiley, 1991
F. Poli, A. Cucinotta, S. Selleri, “Photonic crystal fibers: properties and applications”, Springer, 2007
Articoli scientifici segnalati durante il corso
Metodi didattici
Lezioni frontali svolte in aula dal docente con ausilio di lavagna e di computer/proiettore per presentazioni multimediali, video/immagini, pagine web, applicazioni software (approssimativamente 28 ore).
Attività sperimentale e di simulazione in laboratorio, con utilizzo del software commerciale COMSOL per l’analisi della propagazione di onde elettromagnetiche a frequenze ottiche in mezzi ottici lineari e non lineari (approssimativamente 14 ore).
Modalità verifica apprendimento
Tesina individuale su un progetto da svolgere tramite simulazione numerica con COMSOL, valutata in base a correttezza, completezza e chiarezza espositiva.
Prova orale con verifica di apprendimento e capacità analitica ed espositiva degli argomenti trattati durante il corso.
Identico peso di entrambe le prove sulla valutazione finale.
Altre informazioni
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