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Fibre Ottiche & Sensori

La Fibra Ottica

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce (propagazione guidata), e che trovano importanti applicazioni in telecomunicazioni, medicina, sensoristica ed illuminotecnica.

Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. Il core presenta un diametro molto piccolo di circa 10 µm per le monomodali e 50 µm per le multimodali, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 µm. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il cladding deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente 1,475) rispetto al core (circa 1,5). Come ulteriore caratteristica il mantello (cladding) deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell’onda evanescente, caratteristica della luce trasmessa in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel core.

La fibra ottica funziona come una specie di specchio tubolare. La luce che entra nel core ad un certo angolo (angolo limite) si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del core e del cladding.

All’esterno della fibra vi è una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l’ambiente esterno.

Diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del core, indici di rifrazione, caratteristiche del materiale, profilo di transizione dell’indice di rifrazione e drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per modificare le caratteristiche ottiche).
Il core e il cladding della fibra ottica possono essere realizzati in silice oppure in polimeri plastici.

Accoppiamento con LED

Per immettere la luce all’interno della fibra può essere convenientemente utilizzato un semplice LED. La testa della fibra va posta sulla lente del LED e fissata con guaina termorestringente, il tutto va coperto con una guaina in modo da massimizzare la quantità di luce immessa nella fibra. Le immagini presentate sotto mostrano un accoppiamento tra una fibra da 2mm ed un LED blu. Un metodo alternativo altrettanto semplice consiste nel fare un foro al rivestimento del LED nel quale viene inserita ed incollata la fibra.

Accoppiamento con Fotodiodo

La fibra ottica è stata accoppiata con un fotodiodo, il modello S1337 Hamamatsu (potrebbe però andare bene anche un componente equivalente) mediante il “dispositivo” visualizzato nelle immagini sotto : si tratta di due blocchetti di legno verniciati di nero che portano a stretto contatto fibra e fotodiodo e fanno sì che il fotodiodo sia raggiunto solo dalla luce portata dalla fibra.

La Fibra Ottica come Sensore

Un aspetto interessante delle fibre ottiche è il loro utilizzo come sensori. La trasmissione della luce all’interno della fibra viene alterata dalle interazioni con l’ambiente esterno : la pressione, la temperatura, le sollecitazioni meccaniche sulla fibra modificano il processo di trasmissione della luce che quindi porta questa informazione lungo tutta la fibra fino al rivelatore posta alla estremità, il quale la converte in un segnale elettrico che risente delle interazioni subite dalla fibra.

Molto spesso queste proprietà delle fibre ottiche vengono ottimizzate (ad esempio incorporando nella fibra reticoli di diffrazione) proprio allo scopo di massimizzare le possibilità di utilizzo come sensori remoti.

Un semplice esempio di questa modalità di utilizzo è la tecnica della auto-interferenza del fascio che corre nella fibra, sensibile anche a piccole modifiche della lunghezza del percorso ottico. Queste si possono ottenere facilmente fissando la fibra ad un supporto elastico, ad esempio incollando la fibra su di una sottile mensola in materiale plastico, e impartendo delle flessioni a questo supporto, ad esempio facendolo oscillare. Le oscillazioni allungano e comprimono la fibra producendo delle modulazioni nella intensità della luce trasmessa dalla fibra.

Le immagini sotto mostrano lo schema dell’apparecchiatura ed una realizzazione ottenuta con una riga da disegno fissata al tavolo mediante un morsetto.

Nelle immagini sotto si può vedere il tracciato dell’oscilloscopio che si ottiene quando si mette in oscillazione la mensola di plastica a sbalzo con la fibra. Il segnale corrisponde alla intensità luminosa misurata dal fotodiodo.
Come si vede chiaramente dai grafici si ottiene un andamento oscillante con smorzamento esponenziale, com’era logico attendersi. Dall’analisi della oscillazione si possono ricavare le frequenze naturali di risonanza meccanica della mensola.
Il primo grafico sotto corrisponde alla oscillazione della mensola in assenza di carico.

Il secondo grafico sotto riportato corrisponde sempre alla oscillazione della mensola in assenza di carico, però rappresentato su scala temporale maggiore per evidenziare lo smorzamento esponenziale.

Nel terzo grafico rappresentiamo l’andamento della oscillazione della mensola con un carico applicata alla estremità libera : in questo caso l’oscillazione ha frequenza minore e durata maggiore (si confronti con il grafico precedente). Anche in questo caso il risultato corrisponde alla attese e conferma il comportamento noto dalle leggi della meccanica.

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