Facolta' di Ingegneria dell'Informazione
Anno accademico 2009/10
REGISTRO DELLE LEZIONI
Docente: SVELTO CESARE
070990 - MISURE OTTICHE (Monodisciplinare)
Codice incarico: 480453
Sede: MI
Periodo: 1° semestre
CFU: 5.0
Mix forme didattiche:
ore lezione:
ore esercitazione:
ore laboratorio:
ore progetto:
28
20
6
0
Totali delle ore svolte per ciascuna forma didattica:
lezione
esercitazione
laboratorio
progetto
seminario
altre attività
34
20
0
0
0
0
0
0
Numero delle squadre attivate per ciascuna forma didattica:
1
1
Stampato il 08/10/2010 19:02
0
0
Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
mercoledì 30 settembre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Introduzione al corso.
Note
Scopi e struttura del corso, materiale
didattico e laboratori, modalità
d'esame.
Cenni storici sulle sorgenti laser,
spettro e.m., e dualismo della
luce (onda/corpuscolo).
Assorbimento, emissione, emissione
stimolata. Amplificazione coerente.
lunedì 05 ottobre 2009
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Richiami sul funzionamento delle
sorgenti laser.
Note
Componenti di un oscillatore laser.
Inversione di popolazione e
amplificazione ottica a 3
e 4 livelli.
Metodi di pompaggio.
Guadagno lineare e logaritmico in un
materiale attivo.
Risonatori ottici di Fabry-Perot.
Guadagno critico e condizione di soglia
laser.
Caratteristica ingresso-uscita di una
sorgente laser.
mercoledì 07 ottobre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Tipi di laser e caratteristiche d'uso.
Note
Struttura di un oscillatore laser e modi
di oscillazione
(trasversali e longitudinali).
Esempi pratici e considerazioni.
Tipi di laser e classificazioni possibili.
Tipi di laser a gas (CO2 e He-Ne).
Tipi di laser a stato solido (Nd:YAG).
Diversi tipi di pompaggio: longitudinale
e trasversale, a lampade e a diodi.
Esempi numerici sulle differenze tra il
pompaggio a lampada e a diodo.
Selezione del singolo modo
longitudinale. Esempi numerici.
Laser a semiconduttore in singolo
modo.
Laser a riga stretta a 1.5 um.
lunedì 12 ottobre 2009
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Laser impulsati per misure con impulsi
ottici brevi.
Note
Generazione di impulsi ottici brevi:
laser impulsati in regime di Q-switching
e modelocking.
Applicazioni degli impulsi brevi e/o
energetici per misure e/o applicazioni
industriali.
Proprietà del
laser a Nd:YAG e del Nd:YAG
impulsato: esempio di calcolo della
durata degli impulsi in mode-locking.
Caratteristiche dei laser di impiego
comune. Esempi e fotografie di laser a
Nd:YAG-2x e laser a He-Ne.
Qualità peculiari della radiazione laser
ed esempi di applicazione delle misure
ottiche.
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Registro con firma digitale
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Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
mercoledì 14 ottobre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Profilo trasversale (Gauss-Hermite) di
ampiezza e intensità.
Cenni al rumore di ampiezza e
frequenza nei laser e misure ottiche.
Definizioni e misure di potenza ottica.
Richiami sui fotorivelatori e loro
sensibilità spettrale.
Note
Proprietà spaziali del modo
fondamentale TEM00: profilo
trasversale di campo e di intensità;
beam waist; integrazione della
Gaussiana; relazione tra potenza e
intensità e frazione di potenza
attraverso un'apertura circolare.
Rumore di ampiezza per un oscillatore
laser, valori tipici di RIN,
metodi di stabilizzazione (passiva e
attiva).
Rumore di frequenza per un oscillatore
laser, cause di instabilità,
esempi numerici, metodi di
stabilizzazione (passiva e attiva).
Potenza ottica: definizione e metodi di
misura; accorgimenti nell'impiego di
attenuatori ottici calibrati;
caratteristiche di un Optical PowerMeter.
Richiami sui rivelatori fotovoltaici:
fotodiodi con uscita in
corrente e valori tipici di sensibilità
(responsivity); fotorivelatori con uscita
in tensione e banda passante
dell'amplificatore a transimpedenza.
lunedì 19 ottobre 2009
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Rivelazione diretta e rivelazione
coerente.
Sicurezza laser.
Note
Rivelazione diretta per misure sulla
potenza del segnale ottico. Battimento
tra due fasci laser e rivelazione
coerente per misure sulla frequenza e
fase dei segnali ottici.
Interferenza ottica e misure ottiche
coerenti.
Apparato sperimentale per la misura di
sfasamenti e deviazioni di frequenza
ottica.
Esempi di misure con rivelazione di
fase/frequenza ottica.
Sicurezza laser: precauzioni per le
classi 1,2,3A, 3B, 4; diagramma delle
classi al variare della potenza e
lunghezza d'onda. Applicazioni dei
laser: industriali; nelle
telecomunicazioni; nel medicale; nella
ricerca di base.
Riferimenti bibliografici.
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Registro con firma digitale
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Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
mercoledì 21 ottobre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
I grandi successi della strumentazione
elettroottica.
Allineamento ottico.
Note
Importanza e "mercato" della
strumentazione elettroottica.
Principali misure elettroottiche:
telemetria; interferometria; velocimetria
Doppler; giroscopi; etc..
Esempi di applicazioni scientifiche
(LURE e MOLA), militari, civili,
industriali, e commerciali della
telemetria laser.
Interferometri per misure dimensionali.
Interferometria per la rivelazione di
onde gravitazionali
(progetti LIGO, LISA, VIRGO).
Giroscopi ottici e unità di navigazione
inerziali.
Applicazioni commerciali dei FOG.
Giroscopi ottici e unità di navigazione
inerziali.
Applicazioni commerciali dei FOG.
Particle Image Velocimetry a tempo di
volo o di tipo Doppler.
Analisi ottica di particolato e misura del
diametro di particelle e fili sottili.
Allineamento/puntamento e misure
dimensionali.
Importanza della collimazione e
strumenti per allineamento nelle
costruzioni.
lunedì 26 ottobre 2009
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Allineamento ottico.
Note
Propagazione del fascio gaussiano e
raggio di curvatura del fronte d'onda.
Trasformazione attraverso una lente.
Collimazione con un telescopio e
valore ottimo per il beam waist del
fascio collimato.
Dimensione di macchia dopo il
telescopio e magnificazione.
Esempio di collimazione per un laser a
He-Ne da allineamento.
Telescopio per allineamento e sistema
di canalizzazione marino. Allineamento
su un piano con la livella laser e
sistemi ottici per la "messa in bolla"
della livella.
Trasformazione da coordinata angolare
a coordinata spaziale attraverso la
distanza focale della lente di raccolta.
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Registro con firma digitale
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Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
mercoledì 28 ottobre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Sensori di posizione e misure
dimensionali.
Note
Centratura del fascio laser e
fotorivelatori sensibili alla posizione:
fotodiodo a 4 quadranti (principio di
funzionamento e tensioni fotorivelate;
caratteristiche d'uso ed esempi di
applicazione).
Centratura del fascio laser e
fotorivelatori sensibili alla posizione:
fotodiodo PSD (analisi dei segnali di
fotocorrente ed estrazione dei segnali
analogici di posizione); sensori a
reticolo (disco rotante 0/1, rising sun
semplice e modificato).
Misura del diametro di fili mediante la
diffrazione: profilo angolare e spaziale
del campo/intensità diffratto dallo stop
rettangolare; struttura e caratteristiche
dello strumento di misura.
Misura ottica del diametro di fili dal
profilo di diffrazione.
lunedì 02 novembre 2009
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Misure ottiche di particolato e polveri
mediante analisi della luce diffusa
(scattering).
Telemetri a triangolazione.
Note
Misura del diametro (distribuzione di
diametri) di particolato:
profilo del campo/intensità diffratto dal
singolo stop circolare e intensità ottica
rivelata in funzione della distribuzione
di particelle (diametri); regimi di
scattering in funzione di r/lambda:
Rayleigh, Mie, intermedio; diversi
metodi di analisi/"inversione" del
segnale di luce diffusa. Misura dei
profili PDF(D) e CDF(D).
Telemetri ottici: sommario. Principi di
misura nella telemetria: metodi per
triangolazione; a tempo di volo,
interferometrici; caratteristiche e campi
di applicazione. Esempi d'uso dei
telemetri
e caratteristiche di misura. Metodo di
misura per triangolazione.
Triangolatore ottico passivo:
risoluzione dimensionale e
dimensionale;
caratteristiche del goniometro; esempi
di calcolo in una applicazione pratica.
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Registro con firma digitale
pag. 5/14
Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
mercoledì 04 novembre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Telemetri a triangolazione.
Note
Triangolatore ottico attivo: schema a
blocchi e funzionamento dell'apparato
sperimentale con un CCD in ricezione;
calcolo della dimensione di macchia
sul bersaglio e al ricevitore; immagine
da una
lente sottile in ottica geometrica
(richiami) e applicazioni alla
propagazione dello spot ottico nel
telemetro laser.
Triangolatore ottico attivo:
dimensionamento della macchia laser;
risoluzione assoluta e relativa della
misura; ottiche di lancio e ricezione;
esercizio sul dimensionamento delle
ottiche del telemetro
attivo per operare a una data distanza;
esempi di calcolo in una applicazione
pratica e paragone con il telemetro
passivo.
Risoluzione del telemetro attivo a CCD
e interpolazione su più pixel. Esercizio
di calcolo sul triangolatore laser con
rivelazione a CCD.
lunedì 09 novembre 2009
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Telemetri a tempo di volo.
Power budget per i telemetri ottici.
Telemetri: attenuazione ed esempi di
calcolo.
Note
Telemetri a tempo di volo: principio e
equazioni di funzionamento;
risoluzione spaziale e temporale;
misura di intervallo di tempo;
discriminazione a soglia e rumore.
Telemetri a onda continua: principio e
equazioni di funzionamento;
risoluzione, accuratezza, e problemi di
ambiguità.
Power budget nei telemetri ottici con
bersaglio cooperativo: guadagno
d'antenna per bassa divergenza;
potenza al ricevitore.
Power budget nei telemetri ottici:
bersaglio non cooperativo coefficiente
di diffusività e angolo solido di vista dal
ricevitore al bersaglio; potenza al
ricevitore.
Power budget con divergenza e perdite
aggiuntive: trasmissione non unitaria
delle ottiche (riflessione alle interfacce
e assorbimento/diffusione nel
substrato) e dell'atmosfera (coefficiente
di assorbimento e picchi di risonanza
molecolari).
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Registro con firma digitale
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Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
mercoledì 11 novembre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Telemetri: attenuazione atmosferica,
rumore al ricevitore, accuratezza,
ambiguità.
Note
Attenuazione atmosferica nei telemetri
ottici: cause, equazioni, ed esempi
numerici.
Lunghezza equivalente e diagrammi
esemplificativi.
Equazioni di sistema e SNR nel
telemetro: rapporto segnale/rumore al
ricevitore; potenza equivalente del
telemetro; esempio con
un telemetro impulsato; esempio con
un telemetro a onda continua.
Contributi di rumore al ricevitore:
rumore shot associato alla potenza
ottica di segnale e a quella della luce di
fondo; rumore dell'elettronica di
rivelazione.
Calcolo della luce di fondo dalla
radianza spettrale della scena (cielo).
MI SONO FERMATO QUI... C.S.
Accuratezza del telemetro pulsato.
Accuratezza del telemetro a
modulazione sinusoidale.
Ambiguità nei telemetri a tempo di volo
e considerazioni
generali di progetto.
Sistemi e misure LIDAR.
lunedì 16 novembre 2009
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di esercitazione
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Argomento (Attività svolta da:
Randone Enrico)
Esercizi sul filtro Fabry-Perot.
Registro con firma digitale
Note
Fabry-Perot. Richiami teorici ed
esempi numerici (dall' O. Svelto) di
dimansionamento. Rapporto tra la
lunghezza del filtro e la lunghezza
d'onda trasmessa. Uso
dell'interferometro come analizzatore di
spettro ottico: dimensionamento per
l'analisi spettrale della radiazione
emessa da un laser a ioni di Ar. Uso
del filtro come selettore di singolo
modo longitudinale in cavità laser.
Dimensionamento nel caso di laser
Nd:YAG e Ar+ (da O. Svelto).
Dipendenza della frequenza di
trasmissione del filtro FP dalla
temperatura del corpo del filtro:
esempio numerico con Al e INVAR.
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Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
mercoledì 18 novembre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di esercitazione
Argomento (Attività svolta da:
Randone Enrico)
Esercizi su telemetria laser.
Note
Power budget in presenza di bersaglio
cooperativo e non cooperativo: esempi
numerici, importanza dell'attenuazione
atmosferica in presenza di bersaglio
cooperativo, attenuazione nella misura
di distanza terra-Luna. Telemetro a
triangolazione: schema con in
ricezione PSD lineare. Campo di
misura: valori di Lmax per avere un
certo errore dato il dx del PSD o per
avere un certo rapporto segnale
rumore ipotizzando di ricevere la
radiazione con uno schema a
transimpedenza.
Ripasso regime quantico e regime
termico. Telemetro sinusoidale: campo
di frequenze possibili per una certa
Lmax e una certa risoluzione assoluta.
Telemetro pulsato: precisione assoluta
costante e precisione relativa.
Esercizio da temi esame C. Svelto.
lunedì 23 novembre 2009
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di esercitazione
Argomento (Attività svolta da:
Randone Enrico)
Interferometria Laser
Note
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Registro con firma digitale
Introduzione. Concetto di interferenza di due
campi ottici alla stessa frequenza. Campo di
misura e campo di riferimento. Spostamento di
un bersaglio ricavabile dallo sfasamento dei due
campi. Concetto di frange interferometriche.
Albero di Donati: possibilità di applicare una
misura interferometrica in moltissime discipline.
Principali applicazioni. Principali configurazioni
dell'interferomatro e loro caratteristiche:
Michelson - Mach/Zehnder - Sagnac.
Interferometro di Michelson: semplice schema di
elaborazione del segnale per conteggio di frange
e risoluzione dell'interferometro pari a lambda
mezzi. Possibilità di utilizzare l'interferometro per
misurare spostamenti inferiori a lambda quarti:
aggancio a mezza frangia. L'interferometro di
Twymam/Green: vantaggi e svantaggi rispetto
allo schema di Michelson. Ambiguità sulla
determinazione del verso dello spostamento del
bersaglio.
Interferomatro a doppio fascio: configurazione,
segnale coseno e segnale seno. Schema di
elaborazione per squadratura dei segnali e delle
derivate analogiche degli stessi segnali.
Recupero dell'informazione sul verso dello
spostamento del bersaglio. Risoluzione migliore
che nei casi precedenti: lambda ottavi. Sensibilità
pari a 1e-6. Misura di spostamenti di 1m con
risoluzione di 100nm. Problemi dello schema:
taglio delle componenti in bassa frequenza (a
causa della derivata dei segnali), errore sulla
misura nel caso d'interruzione del fascio ottico,
problema nella scelta del valore di tensione dei
comparatori, sensibilità alle EMI, misura
praticamente in banda base.
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Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
mercoledì 25 novembre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di esercitazione
Argomento (Attività svolta da:
Randone Enrico)
Interferometria Laser
Note
lunedì 30 novembre 2009
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di esercitazione
Argomento (Attività svolta da:
Randone Enrico)
Interferometria Laser
Note
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Registro con firma digitale
Seconda soluzione per rimuovere l'ambiguità sul
verso dello spostamento: interferometro a due
frequenze. Sorgente HeNe Zeeman e principio di
funzionamento. Segnale di fase interferometrico
non più in banda base ma sovrapposto ad una
portante alla frequenza f = f1 -f2. Elaborazione
dei segnali di misura e riferimento mediante
squadratura e conteggio. Vantaggi: possibilità di
filtrare il segnale
eliminando la continua e conseguente minor
criticità di progetto dei comparatori, minor
sensibilità alle EMI rispetto all'interferometro a
doppio fascio, minor sensibilità ai disturbi
ambientali. Svantaggi: risoluzione pari a lambda
mezzi (quarti), banda di misura di pochi MHz
(inferiore ai 5MHz). Possibilità di migliorare la
risoluzione fino a lambda 2centesimi: battimento
con un segnale if a 10-100kHz.
Schemi per misure su tre assi, di planarità e di
ortogonalità.
Prestazioni limite dell'interferometro. Grafico
spostamento e frequenza e limitazioni legate al
rumore elettronico, di fase e di quantizzazione
(per il minimo spostamento misurabile) e
limitazioni alla velocità del bersaglio in funzione
della banda di osservazione della misura. Errore
legato alla propagazione non parallela al fascio
del bersaglio. Minimo spostamento misurabile in
relazione alla larghezza di riga non nulla del
laser: coerenza temporale. Segnale
interferometrico in forma generale: visibilità delle
frange V e responsività dell'interferometro R.
Minima distanza misurabile legata al rumore
elettronico: rumore quantico. Confronto numerico
nei due casi precedenti: limitazione maggiore
legata alla larghezza di riga del laser nel caso sm
diverso da sr. Contributi a V legati alla
sovrapposizione spaziale dei segnali di misura e
riferimento, e allo stato di polarizzazione degli
stessi. Dipendenza dell'indice di rifrazione
dell'aria dalla temperatura e dalla pressione,
possibili correzioni sul valore di lambda.
Dimostrazione dell conservazione
dell'Accettanza e, in assenza di perdite o
guadagno ottico, della Brillanza. Calcolo dalla
potenza ricevuta tramite la brillanza della
sorgente e l'accettanza del ricevitore.
Speckle Pattern: sorgente laser incidente su una
superficie diffondente. Perché si formano gli
speckle e principali caratteristiche, speckle
intensi e speckle bui (esempio pratico con il
puntatore laser rosso!). Dimensioni trasversali e
longitudinali esatte degli speckle generati da una
superficie diffondente circolare. Calcolo
dell'accettanza di radiazione laser a singolo
modo longitudinale, a partire da un HeNe.
Calcolo dei valori approssimati delle dimensioni
degli speckle usando la conservazione
dell'accettanza. Esempio numerico della potenza
complessivamente ricevuta da un fotodiodo a
distanza z da un diffusore ed esempio numerico
dell'effettiva potenza utile associata al singolo
speckle. Schema interferometrico simil
Michelson su superficie diffondente in presenza
di una lente di focalizzazione del fascio ottico sul
diffusore. Apertura numerica della lente ed
apertura
numerica effettiva del fascio, dimensione della
macchia sul diffusore.
Dimensione trasversale e longitudinale degli
speckle che si possono sovrapporre al segnale di
riferimento. Calcolo numerico della dimensione
trasversale dello speckle: il sistema ottico "autofiltra" gli speckle. Problemi in configurazioni a
Speckle Pattern: fading del campo elettrico e
possibili soluzioni. Utilizzo dello schema per la
realizzazione di vibrometri per misure di
spostamenti tra qualche nanometro e qualche
centinaio di micron.
pag. 9/14
Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
mercoledì 02 dicembre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di esercitazione
Argomento (Attività svolta da:
Randone Enrico)
Interferometria Laser
Note
mercoledì 09 dicembre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di esercitazione
Argomento (Attività svolta da:
Randone Enrico)
Interferometria Laser
Note
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Registro con firma digitale
Ulteriori commenti sul problema del fading in
presenza di speckle pattern. Accenno alla NED
relativa al caso di superficie diffondente: per
avere un'elevata sensibilà nel vibrometro a
speckle occorre avere una dimensione
longitudinale dello speckle molto maggiore dello
spostamente che si vuole misurare. Se si esce
da uno speckle e si entra nel successivo c'è la
possibilità di perdere il segnale. Funzione densità
di probabilità dell'intensità degli speckle.
Possibilità di realizzare uno strumento a speckle
pattern per la misura di spostamenti con
dinamimca da 50cm ad un 1 m: Bright Speckle
Tracking. Errore di lambda nel passaggio da uno
speckle all'altro.
ESPI: introduzione, schema di principio e idea.
Interferometria su più canali in parallelo dove
ogni canale è rappresentato da uno speckle
generato dalla superficie diffondente. Vantaggi e
svantaggi della tecnica "Time Averaging": misure
per analisi modale di superfici in vibrazione.
Vantaggi e svantaggi della tecnica "Frame
Subtraction": misura quantitativa del profilo di
variazione s(x,y). Frange interferometriche
quando si esegue la sottrazione di due immagini
della superficie prima e dopo una deformazione
Tecnica statica o real-time a seconda delle
necessità. Problema ambiguità sul segno della
variazione s(x,y): soluzioni software (phase
unwrapping) e hardware (generazione del
segnale sin e cos). Limitazioni dinamiche legate
sempre alla dimensione longitudinale dello
speckle. Trade-off tra dimensione dello speckle e
risoluzione spaziale e visibilità degli stessi.
Tema esame Cesare e discussione sensibilità di
misura con confronto NED rumore quantico e
NED di riga per un laser a semiconduttore.
Riepilogo proprietà interferometri in configurazione esterna:
informazione sullo spostamento dall'intensità della radiazione.
Configurazione interna: funzionamento della sorgente su 2 modi
longitudinali, uno di riferimento ed uno di misura. L'informazione
sullo spostamento si ottiene dalla variazione di frequenza del
modo di misura. Elevata responsività della configurazione e
limitata dinamica (lambda mezzi) dello spostamento del
bersaglio.
Interferometria a retro-iniezione. Schema di principio. Interferenza
fra campo elettrico presente in cavità e la frazione del campo
elettrico re-iniettato nel laser dopo propagazione nella cavità
laser-bersaglio. Risultato: campo enmesso modulato in ampiezza
e in frequenza: cos(2ks) e sin(2ks). Schema di rivelazione
coerente: prestazioni al limite quantico di rivelazione. Necessità di
controllare la retro-iniezione ottica nella sorgente laser. Schema
Donati di interferometro a retro-iniezione con sorgente laser
HeNe Zeeman splitted: principio di funzionamento, modo di
riferimento e modo di misura. Recupero della modulazione di
frequenza grazie al battimento fra il modo di misura ed il modo di
riferimento: l'informazione passa su una portante ad un centinaio
di kHz. Recupero, tramite demodulazione, dei segnali cos(2ks) e
sin(2ks) e due possibili schemi di elaborazione: digitale come
nell'interferometro a doppio fascio ed analogica, con conseguente
recupero anche dell'informazione sulla v(t) del bersaglio e
successivo ricavo di s(t) per integrazione. L'elaborazione
analogica elimina anche la discretizzazione della misura: si può
realmente lavorare al limite di sensibilità della NED legata al
regime quantico di rivelazione. Risultati ottenuti con bersaglio
diffondente applicato ad un altoparlante. Funzionamento in
regime di speckle-pattern, dimensione della macchia laser sul
bersaglio e dimensione trasversale dello speckle sul laser. Limite
dello schema su superficie diffondente: range dinamico limitato
alla dimensione longitudinale dello speckle. Esercizio da tema
esame per quantificare quanto detto. Vantaggi e svantaggi della
configurazione rispetto agli interferometri "classici".
Interferometro a retro-iniezione con sorgente a semiconduttore
(LS). Uso del fotodiodo di monitor di cui sono generalmente dotati
i LS per la misura del segnale interferometrico. Inizio confronto
tra LS e laser HeNe (collimazione, riflettività degli
specchi, larghezza di riga). Necessità di introddurre un
attenuatore variabile nelle cavità laser-bersaglio per controllare
l'intensità della retro-iniezione. Impossibilità di recuperare la
modulazione di frequenza legata con un diodo laser: possibilità di
utilizzare il solo
il canale d'ampiezza. Equazioni di Lang&Kobayashi (ELK):
parametro di retro-iniezione epsilon e tempo di volo della cavità
laser bersaglio laser. Conseguenza delle ELK: I = I0(1 +
mF(2ks)). Dipendenza di F(2ks) dalla quantità di radiazione
reiniettata in cavità: parametro C e classificazione dei quattro
regimi di retro-iniezione. Confronto tra diodi laser e laser HeNe in
termini di possibili valori del parametro C (alfa, lunghezza della
cavità, ecc...). Esempi della forma di F nei diversi regimi e
fenomeno dell'isteresi per C > 1: salti positivi, quando 2ks
diminuisce, e salti negativi, quando 2ks aumenta, nella funzione
F. Frange interferometriche corrispondenti a variazione di 2ks
pari a 2pi. Segnali di modulazione indotta osservati per
spostamenti del bersaglio sinusoidali.
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Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
lunedì 14 dicembre 2009
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di esercitazione
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Argomento (Attività svolta da:
Randone Enrico)
Interferometria Laser
Registro con firma digitale
Note
Schema di lettura del segnale a modulazione indotta nel caso di
laser a semiconduttore e C > 1. Derivata e conteggio di frange.
Grazie alle caratteristiche dei diodi laser (alfa, lunghezza cavità,
ecc) dalla sola modulazione di ampiezza e dal funzionamento a C
> 1 è possibile realizzare uno strumento per la misura di
spostamento e verso di un bersaglio con risoluzione pari a
lambda mezzi. Banda di misura di qualche MHz e velocità
massime del bersaglio più che accettabili: prestazioni vicine agli
interferometri "classici". Vantaggi e svantaggi della configurazione
a modulazione indotta. Realizzazione di un misuratore di distanza
assoluta in configurazione a modulazione indotta: si sfrutta la
possibilità di modulare la lunghezza d'onda tramite la corrente di
alimentazione del diodo laser. Frange interferometriche, sempre
ogni 2pi, anche in presenza di bersaglio fermo. Risoluzione del
sistema dipendente dall'ampiezza della modulazione di corrente.
Onde gravitazionali.
Principali interazioni esistenti in natura: l'interazione
gravitazionale è la meno forte. Teoria della gravitazione
Newtoniana: l'informazione sulla variazione di posizione di una
massa si trasmette a velocità infinita. Lo stesso Newton resta
molto turbato da questa supposizione! Teoria della gravitazione di
Einstein: concetto di spaziotempo, deformazione dello spaziotempo, formazione delle onde gravitazionali che si propagano alla
velocità della luce, non a velocità infinita. Prova indiretta
dell'esistenza delle onde gravitazionali: sistema binario di stelle di
neutroni e diminuzione dell'orbita a spirale misurata in perfetto
accordo con le previsioni della teoria di Einstein: le onde
gravitazionali esistono. Una rivelazione diretta è però molto
difficile a causa della bassissima interazione delle onde con la
materia. Interazone che garantisce che le onde si propaghino
nello spazio senza essere attenuate. Interazione quadrupolare fra
l'onda gravitazionale e masse. Ipotesi di misura per mezzo
dell'interferometro di Michelson. Parametro h per le onde
gravitazionali. Ordini di grandezza della variazione di fase da
risolvere: confronto con NED di riga e quantico. Interferometri
VIRGO, LIGO, AIGO ecc... Interferometro di Michelson con bracci
a Fabry-Perot. Specifiche del progetto VIRGO, molto simili a
quelle del progetto LIGO: ordini di grandezza e tolleranze,
sorgenti laser ad hoc, super-attenuatori di vibrazioni ambientali,
purezza degli specchi, vuoto da assicurare all'interno dei bracci
dell'interferometro ecc... Limiti di prestazione e banda di misura di
VIRGO-LIGO. Estensione dell'osservazione in bassa frequenza e
lontano dalle fonti di rumore terrestri: laser interferometer space
antenna (LISA). Idea e principio di funzionamento. La misura
riguarda sempre la variazione di posizione relativa di masse di
sonda, ma ogni astronave dell'interferometro è dotata di due
sorgenti laser e due masse sonda. Video sul posizionamento
delle astronavi nella costellazione a triangolo e orbita
dell'interferometro. Principio di misura sempre a partire
dall'interazione quadrupolare tra onde e le masse sonda. Misura
vera e propria in due parti: mantenimento delle masse sonda
all'interno dell'astronave in assenza di onde gravitazionali e
misura interferometrica all'interno di ogni astronave in presenza di
onde gravitazionali. Motivazioni relative allo sforzo della comunità
scentifica per la rivelazione e lo studio di tali onde.
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Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
mercoledì 16 dicembre 2009
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di esercitazione
Argomento (Attività svolta da:
Randone Enrico)
Sensori in Fibra Ottica
Note
lunedì 21 dicembre 2009
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Strumentazione per misure ottiche.
(optical power meter; CCD and beam
profile analysis, wave-meter)
Note
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Registro con firma digitale
Introduzione, schema, differenze tra sensori
intrinseci ed estrinseci. Schemi di lettura
d'intensità, polarimetrici, interferenziali. Sorgenti
e fibre per i tre possibili schemi di lettura e
prestazioni. Vantaggi e svantaggi dei sensori in
fibra rispetto ai sensori elettronici. Esempio di
sensore di strain realizzato con tutte e tre le
possibilità di lettura. Sensibilità relativa
crescente: prestazioni migliori nel caso di lettura
interferometrica. Esempio di sensore d'intensità,
il sensore di pressione per riflessione ed il
sensore di temperatura per assorbimento con
fibra drogata a Nd: schemi, principi di
funzionamento e circuiti di lettura. Lettura
polarimetrica: birifrangenza circolare e lineare.
Esempio di sensore in fibra di corrente:
birifrangenza circolare indotta nella fibra di
misura per Effetto Faraday e associato schema
di lettura. Principio di funzionamento e
scomposizione del campo elettrico in due
componenti. Rapporto tra differenza e somma
dei segnali di corrente associati alle due
componenti del campo. Segnale proporzionale al
sin dell'angolo da misurare. Ambiguità per angoli
maggiori di 2pi. Necessità di un segnale cos:
schema di principio. Schema tutto fibra,
differenze fra fibre hbl, hbc, lb. Schema
analogico di elaborazione del segnale. Limite
inferiore di banda!. Schema di lettura
polarimetrico per birifrangenza lineare: principio
e segnali sin e cos dello sfasamento da
misurare, proporzionale al misurando che induce
la birifrangenza lineare. Sensori in fibra a lettura
interferometrica: M, MZ, FP e S tutto fibra.
Differenze, ripasso su
responsività e vantaggi/svantaggi dal punto di
vista dell'utilizzo come Sensori in Fibra.
Interferometria a luce bianca: principio di
funzionamento e lunghezza di coerenza.
Differenze sorgenti Laser SLED LED e utilizzo
SLED per tali interferometri. Modularità ed
esempio
in configurazione Michelson.
Strumentazione per misure ottiche: tipi di
strumenti da laboratorio, campi di applicazione.
Optical power meter: definizioni e metodi di
misura della potenza/energia ottica; struttura di
un power meter ottico; effetti dei filtri spaziali e
attenuatori/diffusori; rivelatori termici e a
semiconduttore; funzionamento della termopila;
curve di calibrazione per i PD a semiconduttore;
teste per la lettura in aria o in fibra; commenti e
considerazioni sulle specifiche tecniche di un
power meter commerciale.
Rivelatori CCD e loro impiego per la misura del
profilo spaziale di
intensità di un fascio laser. Misura della
dimensione di macchia, della divergenza e del
fattore di qualità M^2 di un fascio ottico.
Misure di astigmatismo e fit per ricavare i
parametri di propagazione.
Misure di lunghezza d'onda: tecnica
interferometrica di misura a due lunghezze
d'onda; wave-meter "doppio Michelson" da
laboratorio; prestazioni e limiti di misura;
incertezza strumentale; caratteristiche di misura
di un wave-meter per sistemi D-WDM.
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Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
lunedì 11 gennaio 2010
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Strumentazione per misure ottiche.
(monocromatore; OSA; OTDR; misure
di PMD e BER.)
Rumore di ampiezza e frequenza negli
oscillatori ottici.
Note
mercoledì 13 gennaio 2010
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Rumore di frequenza negli oscillatori
ottici.
Spettroscopia laser.
Note
Cause di instabilità di frequenza per un
oscillatore ottico.
Esempi di variazioni della frequenza
ottica con le variazioni
di temperatura.
Importanza dei sistemi di
stabilizzazione passiva e soprattutto
attiva: esempi.
Laser monolitici intrinsecamente stabili
e in singola frequenza.
Esempi di anelli di controllo
optoelettronici per la soppressione del
rumo re di frequenza.
Misure delle fluttuazioni di frequenza
ottica con un discriminatore di FabryPerot, sfruttando la conversione
frequenza--->potenza sul fianco della
risonanza; misure attraverso il
battimento e downconversion tra due
oscillatori ottici.
Analisi del rumore di frequenza con
digrammi temporali, analisi spettrale,
con la varianza di Allan.
Spettroscopia laser di righe di
risonanza atomiche e molecolari.
Cause e tipi di allargamento di riga,
con profili spettrali Lorentziano,
Gaussiano, e di Voigt.
Considerazioni.
lunedì 18 gennaio 2010
aula: D.0.1
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di lezione
Argomento
Laser stabilizzati su Fabry-Perot o
riferimenti molecolari.
Orologi atomici alle frequenze ottiche.
Velocimetria laser.
Note
FARE
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Registro con firma digitale
Spettrometro e monocromatore: schemi di
principio con configurazioni a prisma e a reticolo
di diffrazione; risoluzione spettrale, rapporto S/N
e velocità della misura. Analizzatore di spettro
ottico (OSA): principio di funzionamento;
modalità d'impiego; caratteristiche metrologiche;
esempi di misure su segnali DWDM e rumore da
ASE; OSA da laboratorio e OSA da campo;
esempio di analizzatore ultracompatto - "PCcard"
per l'analisi parallela dello spettro ottico.
Domain Reflectometry (OTDR). OTDR: potenza
di backscattering in funzione del tempo/distanza;
estensione tempo/spaziale dell'impulso e
conseguente risoluzione della misura; effetto dei
giunti a fusione e dei connettori per fibre ottiche;
misura del coefficiente di attenuazione (da
scatter); saturazione e ripristino della linea di
base; riflessioni multiple e artefatti di misura.
Misure di insertion loss. Misure di Polarization
Mode Dispersion (PMD): cause ed effetti della
PMD; tecniche di misura a singola e
multilunghezza d'onda; analisi statistica. Misure
diagrammi a occhio e misura indiretta di BER
dall'apertura dell'occhio.
Rumore di ampiezza e frequenza nelle
sorgenti laser: importanza e metodi per
una stabilizzazione attiva/passiva.
Rumore di ampiezza (RIN) per le
sorgenti laser e sua eliminazione con
anelli di controreazione.
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Docente: SVELTO CESARE
Insegnamento: MISURE OTTICHE
Codice incarico: 480453
Anno accademico: 2009/10
mercoledì 20 gennaio 2010
aula: D.2.4
orario: 08:15 - 10:15
2:00 ore di esercitazione
venerdì 08 ottobre 2010 19:02
Argomento (Attività svolta da:
Randone Enrico)
Esercizi su Interferometri, LDV e
stabilità.
Registro con firma digitale
Note
Esercizi su interferometri. Schema michelson a
specchi fermi: sfasamento interferometrico in
presenza di una variazione della lunghezza
d'onda della sorgente con la temperatura. Caso
Lm = Lr e Lm diverso da Lr. Interferometro con
bersaglio vibrante (altoparlante). rifelttività
specchio di R e altoparlante diverse: calcolo del
massimo e del minimo valore di potenza orrica
incidente sul fotodiodo. Forma analitica del
segnale in uscita dal transimpedenza in funzione
del tempo. Fase interferometrica accumulata
nello spostamento picco-picco dell'altoparlante.
Numero di frange interferometriche dalla fase o
dallo spostamento del bersaglio. Come
realizzare la misura di vibrazioni inferiori a
lambda mezzi: aggancio a mezza frangia e
prestazioni limite considerando la NED di riga
(fase) e la NED elettronica. Piezoceramica al
posto dell'altoparlante. Velocità di spostamento
della PZT per un dato segnale di comando e
requisiti di banda per risolvere correttamente il
segnale interferometrico. Pregi e difetti
dell'interferometro di Michelson.
LDV. Ripasso, distanza D fra due frange
interferometriche nella zona di misura dell'LDV,
sensibilità dell'LDV e relazione
frequenza/velocità. Sorgente ottimale per un
LDV. Dimensionamento dell'LDV per un certo D.
Campo di lavoro in velocità dell'LDV e associato
campo di frequenze da misurare. Risoluzione in
frequenza per una data risoluzione di velocità.
Scelta del fotorivelatore e scelta dello strumento
adatto al campo di frequenze. LDV con lettura da
AS a FFT. Uso di un oscillatore locale e di un
mixer per riportare la frequenza da misurare nel
campo di misura dell'AS a FFT. AS a FFT con
fADC = 200kSa/s e 1024 punti. Risoluzione sulla
misura di velocità in queste condizioni.
Stabilità. Laser Nd:YAG e seconda armonica
stabilizzata sulla componente a1 della riga
spettrale R(85)33-0 della molecola di Iodio.
Stabilità assoluta e relativa. Stabilità assoluta e
relativa per la fondamentale (I armonica).
Varianza di allan nel caso di rivelazione di un
segnale di battimento delle armoniche (I e II) di
due laser di questo tipo.
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