Obiettivi formativi
Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
− comprendere 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;
− comprendere l’importanza della fibra a cristallo fotonico, ancora oggetto di attiva ricerca a livello internazionale, per i dispositivi ottici e fotonici del futuro;
− analizzare con un metodo numerico avanzato (metodo agli elementi finiti) le proprietà delle fibre ottiche;
− riassumere e comunicare tramite la redazione di un report i principali risultati di un’attività di analisi numerica.
Prerequisiti
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Contenuti dell'insegnamento
La prima parte del corso verte 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 riguarda 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 viene 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 di simulazione numerica.
Il programma del corso potrà essere integrato da seminari.
Programma esteso
La durata di ogni lezione è pari a 2 ore
LEZIONE 1: Tecnologie fotoniche del 21simo secolo
Fibre ottiche standard:
LEZIONE 2: Meccanismo di guidaggio e modi guidati
LEZIONE 3: Monomodalità e multimodalità, applicazioni
LEZIONE 4: Fibre ottiche per comunicazioni a grande distanza
Fibre a cristallo fotonico:
LEZIONE 5: Cristalli fotonici e loro proprietà, fibre a cristallo fotonico e loro proprietà
LEZIONE 6: Meccanismi di guidaggio e principali applicazioni delle fibre a cristallo fotonico
Laser in fibra ottica:
LEZIONE 7: Principio di funzionamento dei laser, diverse tipologie e principali applicazioni
LEZIONE 8: Configurazioni, schemi di pompaggio ed elementi droganti per laser in fibra ottica
LEZIONE 9: Prestazioni dei laser in fibra ottica ad alta potenza
LEZIONE 10: Limiti dei laser in fibra ottica ad alta potenza
LEZIONE 11: Fibre attive e passive per laser in fibra ottica ad alta potenza, principali applicazioni e ruolo sul mercato
LEZIONE 12: Laser processing con sorgenti laser in fibra ad alta potenza
Sensori in fibra ottica puntuali e distribuiti:
LEZIONE 13: Caratteristiche e proprietà principali, principio di funzionamento, classificazioni, vantaggi e svantaggi, esempi applicativi significativi dei sensori in fibra ottica
LEZIONE 14: Sensori di intensità
LEZIONE 15: Sensori di spettro
LEZIONE 16: Multiplexing di sensori
LEZIONE 17: Sensori distribuiti
Simulazione numerica:
LEZIONE 18: Cenni sul Metodo degli Elementi Finiti (FEM) e presentazione delle caratteristiche principali del software COMSOL Multiphysics per la simulazione di fibre ottiche e componenti fotonici
LEZIONE 19: Simulazione numerica di fibre step-index: curva di dispersione
LEZIONE 20: Simulazione numerica di fibre con cladding a basso indice di rifrazione: curva di dispersione
LEZIONE 21: Simulazione numerica di fibre con cladding a basso indice di rifrazione: area efficace, integrale di overlap
LEZIONE 22: Simulazione numerica di fibre a cristallo fotonico con core solido
LEZIONE 23: Simulazione numerica di fibre a cristallo fotonico con core solido: perfectly matched layers
LEZIONE 24: Simulazione numerica di fibre a cristallo fotonico con core solido: condizioni al contorno
Bibliografia
F. Poli, A. Cucinotta, S. Selleri, “Photonic crystal fibers: properties and applications”, Springer, 2007
R. Paschotta, “Encyclopedia of laser physics and technology”, Wiley, 2008
E. Udd, “Fiber optic sensors: an introduction for engineers and scientists”, Wiley, 1991
S. Selleri, L. Vincetti, A. Cucinotta, “Optical and Photonic Components”, Esculapio, 2015
Articoli scientifici segnalati durante le lezioni del corso.
Metodi didattici
Le attività didattiche comprendono lezioni svolte in aula dal docente con l’ausilio della lavagna e del computer/proiettore per mostrare presentazioni multimediali, video/immagini e pagine web (34 ore). A queste si alternano lezioni laboratoriali, che prevedono l’utilizzo del software COMSOL Multiphysics per l’analisi della propagazione di onde elettromagnetiche a frequenze ottiche in mezzi ottici lineari e non lineari (14 ore).
Le slide delle presentazioni utilizzate a supporto delle lezioni sono caricate con cadenza settimanale sulla piattaforma Elly. Per scaricare le slide è necessaria l’iscrizione al corso.
Le slide vengono considerate parte integrante del materiale didattico. Si ricorda agli studenti non frequentanti di controllare il materiale didattico disponibile e le indicazioni fornite dal docente tramite la piattaforma Elly.
Modalità verifica apprendimento
La valutazione dell’apprendimento è effettuata tramite:
− prova orale con domande sugli argomenti trattati durante le lezioni svolte in aula, per verificare il livello di apprendimento dello studente. La prova orale è valutata con scala 0/30;
− report individuale su un’attività di simulazione numerica da svolgere tramite COMSOL Multiphysics. L’attività, che deve essere svolta in modo individuale, riguarda una delle tipologie di fibra ottica presentate durante le lezioni laboratoriali. Il testo dell’attività va ritirato durante l’ultima lezione del corso o, successivamente, nell’ufficio del docente, previo appuntamento. Il docente fornisce allo studente anche un template Word (in formato .docx) che lo studente è invitato ad utilizzare per preparare il report. Il report va inviato via e-mail in formato .pdf al docente non più tardi di tre giorni prima della data dell’esame orale. Il report è valutato in base a correttezza, completezza e chiarezza espositiva, con scala 0/30.
Il voto della prova orale viene comunicato immediatamente al termine della prova stessa. Il voto del report è comunicato allo studente al termine della prova orale. Contestualmente, lo studente può visionare il report con le relative correzioni. Il voto finale è calcolato come media aritmetica dei voti dell’interrogazione orale e del report, entrambi in trentesimi. La lode viene assegnata nel caso del raggiungimento del massimo punteggio su entrambe le prove.
L’iscrizione on-line all’appello è obbligatoria e va effettuata non più tardi di tre giorni prima della data dell’esame.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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