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
- - -
Contenuti dell'insegnamento
Nella prima 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.
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.
L’ultima 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.
Sono previste lezioni in laboratorio, con attività sperimentale e di simulazione.
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.)
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)
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, photodarkening, effetti termici)
Principali applicazioni, con particolare attenzione ai laser ad alta potenza
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
Simulazione numerica:
Presentazione delle caratteristiche principali del software COMSOL Multiphysics
Cenni sul Metodo degli Elementi Finiti (FEM)
Simulazione (in laboratorio) di fibre ottiche speciali e di componenti ottici necessari per la progettazione e la realizzazione di sensori e laser in fibra (fibre step-index, fibre a cristallo fotonico, fibre con perdite per curvatura, beam splitter, accoppiatori direzionali, cavità Fabry-Perot, 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 Multiphysics 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 Multiphysics, 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
- - -
