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, principalmente con attività di simulazione.
Il programma del corso potrà essere integrato da seminari.
Programma esteso
− Tecnologie fotoniche del 21simo secolo
− Fibre ottiche standard: meccanismo di guidaggio e modi guidati
− Fibre ottiche standard: monomodalità e multimodalità, applicazioni
Fibre a cristallo fotonico:
− Cristalli fotonici e loro proprietà, fibre a cristallo fotonico e loro proprietà
− Meccanismi di guidaggio e principali applicazioni delle fibre a cristallo fotonico
Laser in fibra ottica:
− Principio di funzionamento dei laser, diverse tipologie e principali applicazioni
− Configurazioni, schemi di pompaggio ed elementi droganti per laser in fibra ottica
− Prestazioni e limiti dei laser in fibra ottica ad alta potenza
− Fibre attive e passive per laser in fibra ottica ad alta potenza, principali applicazioni e ruolo sul mercato
Sensori in fibra ottica puntuali e distribuiti:
− Caratteristiche e proprietà principali, principio di funzionamento, classificazioni, vantaggi e svantaggi, esempi applicativi significativi dei sensori in fibra ottica
− Sensori di intensità
− Sensori di spettro
− Multiplexing di sensori
− Sensori distribuiti
Simulazione numerica:
− 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
− Simulazione numerica di fibre step-index
− Simulazione numerica di fibre con cladding a basso indice di rifrazione: curva di dispersione
− Simulazione numerica di fibre con cladding a basso indice di rifrazione: dispersione cromatica
− Simulazione numerica di fibre con particolari proprietà di dispersione
− Simulazione numerica di fibre a cristallo fotonico
Bibliografia
S. Selleri, L. Vincetti, A. Cucinotta, “Optical and Photonic Components”, Esculapio, 2015
R. Paschotta, “Encyclopedia of laser physics and technology”, Wiley, 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.
Il peso di entrambe le prove sulla valutazione finale è identico.
Il testo del progetto va ritirato durante l’ultima lezione del corso o, successivamente, nell’ufficio del docente, previo appuntamento.
La tesina in formato .pdf deve essere inviata via email al docente non più tardi di tre giorni prima della data dell’esame orale.
Altre informazioni
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