PS-2001 n. 1 FENOMENI COLLETTIVI IN OTTICA NONLINEARE
Come da programma, il progetto si è articolato su 4 linee, i cui risultati sono
rispettivamente:
STUDIO DI PROCESSI STOCASTICI IN SISTEMI OTTICI
Sono state effettuate misure sistematiche della risposta del laser a cavità
verticale rispetto a modulazioni periodiche (sinusoidale e onda quadra) e
aperiodica (sequenza random di bits), al variare della quantità di rumore
immesso nel sistema. 1 dati acquisiti sono stati elaborati e, mediante il metodo
della trasformata di Hilbert, è stata ricavata la fase relativa del segnale di
uscita rispetto alla modulazione. E' stata quindi fornita evidenza del fenomeno
della sincronizzazione di fase indotta da rumore, usando come indicatori
quantitativi la frequenza media e la diffusione di fase. 1 risultati, in ottimo
accordo con simulazioni numeriche di modelli tipo Langevin e con andamenti
ricavati analiticarnente da modelli semplificati a due livelli, sono stati per
il momento presentati ad alcune conferenze. Sono in fase avanzata di
preparazione una serie di lavori su questo argomento.
LOCALIZZAZIONE DI STRUTTURE SPAZIALI IN OTTICA NONLINEARE
stato effettuato uno studio completo delle condizioni di esistenza dei solitoni.
L'indagine sperimentale ha evidenziato l'esistenza del fenomeno di
localizzazione in ampi regimi dello spazio dei parametri. Parallelamente, le
variazioni delle strutture osservate sono state carat- terizzate in modo
qualitativo e quantitativo. In una fase successiva è stato studiato il passaggio
da strutture localizzate a patterns estesi. Si è osservato come questa
transizione dipenda criticamente da diversi parametri del sistema, quali la fase
dell'interferometro e la saturazione della valvola ottica impiegata.
EMISSIONE COERENTE DI LUCE IN PRESENZA DI EFFETTI DI RINCULO
Siamo riusciti a sviluppare un metodo analitico per eliminare in modo adiabatico
le variabili atomiche interne (inversione di popolazione e polarizzazione
atomica). Il risultato è asso- lutamente non banale dato l'ampio spettro di
scale temporali presenti nel problema. Fra le conseguenze di questo primo
parziale successo, da annotare la possibilità di stimare la crescita della
soglia per la nascita di comportamenti coerenti collettivi all'aumentare della
temperatura.
PROCESSI DI SINCRONIZZAZOINE NELLA DINAMICA DI LASER IN REGIME CAOTICO E LORO
ANALOGIA CON 1 SISTEMI BIOLOGICI
In collaborazione con ricercatori del Naval Research Laboratory (Washington
D.C.) è stato
dimostrato che, in un laser modulato, una piccola perturbazione
l,.,subarmonica con una opportuna fase pu essere adoperata sia per sostenere il caos chep
.er
sopprimerlo. Lo studio a carattere teoric,o-sperimentale ha fatto uso
dell'approccio generale consistente nella ricerca delle intersezioni dei
"manifolds" instabile e stabile nelle spazio delle fasi. Lo studio sperimentale
stato realizzato mediante l'utilizzo di un generatore di forme d'onda ar-
bitrario che ha consentito un'accurata indagine della fase della perturbazione
nei diagrammi di biforcazione. Un'altra linea di ricerca è stata indirizzata
sull'effetto del rumore su di- namebe caotiche di tipo omoclinico indagate su un
laser a C02 con feedback. Questi studi hanno dato evidenza sperimentale di
importanti fenomeni quali risonanza stocastica, riso- nanza coerente,
sincronizzazione indotta dal rumore e sincronizzazione favorita dal rumore. Si è
inoltre indagato l'effetto del rumore di osservazione su un metodo di analisi
basato sui @5 recurrence plots", utilizzando dati sperimentali di un laser
modulato in regime caotico. 'E stata infine sperimentalmente indagata la
competizione tra campi ortogonalmente polarizzati nel transitorio di un laser a
C02 con cavità isotropica. Da un punto di vista sperimentale si è infìne
provveduto alla realizzazione di un secondo laser con modulatore elettro-ottico
per lo studio sperimentale di dinamiche caotiche accoppiate. t in fase di
realizzazione una seconda linea di ritardo elettronica da utilizzare per lo
studio degli effetti di feedback con lunghi ritardi in dinamiche caotiche.
SPESE INVENTARIABILE - Generatore Tektronix
23.276
- Pompa Alcatel
1.554 - Rivelatore IR Vigo
2.480 - Alimentatore Rossbauer
2.500 - PC - Essedi
4.275 - Power meter
4.092 - Oscilloscopio LeCroy
6.000 - PC Compaq
3336 - Server Compaq
7854 - Breadboard Newport
947 - Generatore RF R&S
36.328 - 3 PC Athlon per aggiornamento cluster
11.994 - 3 PC Athlon singolo processore
4.967 - Generatori di funzioni
3.984 - Accessori PC
464 - Laser Verdi Coherent
60.000
TOTALE
174.051 2
CONSUMO - Linea di ritardo
940 - Montaggi ottici
6.183 - Ottiche
3.574 - Cristalli liquidi
350 - Materiale elettronico
2.794 - Materiali vari
763 - Filtri Alcatel
920 - Software
7.819 - Componenti PC
977 - Upgrade Compaq
1.662 - Collaborazione Profess.
3.815 - Frame grabber
3828 - Scheda e software di acquisizione
4076 - Reprints, PRE
230
TOTALE
37.931 Mil.
PUBBLICAZIONI
[1] C. Giacomelli, "Experimental investigation of stochastie resonance in
vertical cav- ity lasers", presentato al meeting GDR "Effect of multiplicative
noise on spatio-temporal instabilities", INLN, Nizza (22-23 marzo 2002).
[2] G. Giacomelli, "Experimental study of phase synchronization of in vertical
cavity lasers", presentato al NATO-ASI workshop "Synchronization: theory and
applications", Yalta, Ucraina (19 maggio-1 giugno 2002).
[3] G. Giacomelli, "Experimental study of phase synchronization of in vertical
cavity lasers", presentato al congresso SYNCHRO 2002, Saratov, Russia, 22-28
settembre 2002.
[4] V. Chizhevsky, E. Smeu, ana G. Giacomelli, "Deterministie resonance in a
bistable system: an improvement of low-level detection", presentato al congresso
" 10th International workshop and school on nonlinear dynamics and complex
structures", Minsk, Belorussia, 23-26 settembre 2002.
[5] G. Giacomelli, "Experirnental investigation of stochastic processes in
vertical cavity lasers", sara' presentato al congresso MEDYFINOL 2002, Colonia
del Sacramento, Uruguay, 9-13 dicembre 2002.
[6] F. Ginelli, R. Livi, and A. Politi, "Emergenee of chaótie behaviour in
linearly stable systems", Journal of Physics A 35, 499 (2002).
[7] M. Perrin, G.L. Lippi, and A. Politi, "Optical gratings in the collective
interaetion
3
between radiation and atoms, including recoil and collisione", Journal of Modern
Optics 49, 419 (2002).
[8] I.B. Schwartz, I. Triandaf, R. Meucci and T.W. Carr, "Open loop sustained
chaos and control - a manifold approach" Phys. Rev. E 66, 026213 (2002). [9] R.
Meucci, C.S. Zhou, E. Allaria, F.T. Arecchi, S. Boccaletti and J. Kurths,
"Evidenee of Noise Induced Synchronization and Coherenee Resonance in Homoclinic
Chaos", proceeding del The 7th Experimental Chaos Conference Sand Diego,
California (USA), 26-29 August 2002.
[10] C.S. Zhou, E. Allaria, F.T. Arecchi, S. Boccaletti, R. Meneci and J.
Kurths, "Con- structive effects of noise in homoclinie chaotie systems"
sottomesso a Phys. Rev. Lett.
[11] S. Boccaletti, R. Meucci, E. Allaria, F.T Arecchi, C.S. Zhou, and J.
Kurths, "Effects of noise on homoclinie chaos" in preparazione.
[12] C.S. Zhou, E. Allaria, F.T. Arecchi, R. Meucci, S. Boccaletti and J. Kurths
"Syn- chronization of homoclinie chaos: conventional and stochastie resonance"
in preparazione.
[13] R. Meucci, C.S. Zhou, E. Allaria, F.T. Arecchi, S. Boccaletti and J.
Kurths, "Noise induced and enhanced Synehronization in C02 lasers" ,
Synchronization, collective be- baviour, and complex phenomena in chaotic
systems, Firenze, Oetober 15-16 2002.
[14] M.Thiel, M.C. Romano, J. Kurths, R. Meucci, E. Allaria and F.T. Arecchi,
"Influ- ence of observational noise in the Recurrence Quantification Anaìysis",
Physica D 171, 138 (2002).
[151 I. Leyva, E. Allaria, R. Meucci, "Polarization dynamics in a isotropie C02
laser" sottomesso a Optics Communication.
[16] P.L. Ramazza, E. Benkler, U. Bortolozzo, S. Boccaletti, S. Ducci and F.T.
Arecchi, "Tailoring the profile and interaetions of optical localized
structures", Phys. Rev. E65, 066204 (2002).
[17] P.L. Ramazza, S. Boccaletti, U. Bortolozzo and F.T. Arecchi, "Control of
localized structures in an optical feedback inteferometer", to be published on
Chaos. [18] L. Pastur, U. Bortolozzo and P.L. Ramazza, "Experimental
charaeterization of space-time cbaos in non- linear optics", to be published on
the Proceedings of the 7th Experimetal Chaos Conferenee, edited by S.
Boccaletti, J. Khurts, L. Pecora, B. Gluckmann, V. In and L. Kocarev.
4
Progetto PS/2001/3: Sviluppo dello spettrometro in differenza di frequenza (DFG)
Consuntivo
Lo sviluppo di uno spettrometro in differenza di frequenza con generazione di radiazione
coerente nell'infrarosso risponde alle crescenti richieste di strumenti in grado di rivelare "sul
campo" specie gassose in tracce. D'altro canto, la metrologia di frequenza è stata rivoluzionata negli
ultimi anni dall'invenzione di strumenti denominati "frequency-comb generator" (FCG) basati
sull'utilizzo di una sorgente coerente ad impulsi ultracorti (laser a titanio-zaffiro "mode-locked" a
femtosecondi) combinata a "photonic crystal fibers" in grado di allargare lo spettro emesso da tali
laser impulsati su tutto il visibile e vicino infrarosso. Tali laser necessitano di una sorgente di
pompa ad alta potenza ed elevata purezza spettrale nella regione ottica del verde.
Gli obiettivi principali che ci eravamo posti erano:
1) il miglioramento del sistema DFG operante nel medio infrarosso (4.25 µm), nel senso di una
maggiore potenza infrarossa generata;
2) la messa in funzione dello strumento FCG con l'introduzione di una sorgente di pompa di
potenza adeguata;
3) l'uso congiunto di tale strumento e del sistema DFG, per consentire l'estensione al medio
infrarosso del suo campo di misura, dove le molecole di interesse atmosferico costituiscono
riferimenti naturali di frequenza (ad esempio la CO2 );
4) l'utilizzo di una cella multi-passo e la realizzazione di cavità ottiche ad alta finezza per
aumentare la sensibilità di rivelazione della CO2 e dei suoi isotopi con la radiazione generata dal
sistema DFG;
5) l'utilizzo della radiazione infrarossa per testare l'efficienza a 4.25 µm di un modulatore ottico
in niobato di litio costruito presso la sede INOA di Napoli.
Il sistema di generazione di frequenza-differenza (DFG) è stato trasferito in un laboratorio del
LENS, presso il Polo Scientifico Universitario a Sesto Fiorentino. Questo ha comportato il trasloco
e la reistallazione di tutti gli apparati dell'esperimento ed in vari casi la loro modifica, con una
conseguente non operatività degli esperimenti di alcuni mesi. L'attività svolta nell'ambito del
progetto si può riassumere come segue.
1) Nella sede INOA di Firenze il sistema DFG è stato modificato attraverso l'introduzione di un
amplificatore a fibra drogata con ioni itterbio, in grado di erogare fino a 5 W di potenza ottica a
1064 nm. Tale amplificatore è stato iniettato da una piccola frazione (decine di mW) della potenza
erogata dal laser a Nd:YAG, precedentemente utilizzato come sorgente di pompa per il cristallo
non-lineare (Fig. 1). La potenza generata a 4.25 µm, grazie all'amplificatore, è salita fino a circa 100
µW, consentendo sia di estendere il numero di specie molecolari saturabili, sia di risolvere il
problema dell'assorbimento in aria della CO2 atmosferica. Nella sezione INOA di Napoli, inoltre,
sono state costruite le prime strutture in niobato di litio con "polarizzazione periodica" che saranno
presto testate e sostituite all'attuale cristallo non-lineare che è stato finora utilizzato nell'apparato
DFG.
2) E' stato installato un laser Coherent Verdi V-8 all'interno del FCG (Fig. 2), che ha agevolato il
sistema di auto-aggancio in frequenza. La complessità dell'apparato FCG ha richiesto un periodo
sufficientemente lungo di apprendimento per il suo utilizzo.
3) Sono state effettuate registrazioni di transizioni saturate della CO2 fino a J molto alti e su un
intervallo di intensità di riga che spazia su 4 ordini di grandezza [1], creando le condizioni per
successive misure accurate di frequenza della banda ν 3 attraverso l'utilizzo del FCG [2]. A questo
scopo sono state effettuate prove preliminari per l'aggancio in frequenza dei 2 laser di pompa del
sistema DFG al sistema di misura FCG.
4) L'apparato DFG è stato impiegato dapprima in combinazione con una cella multi-passo [3],
poi con una cavità risonante di alta finezza di tipo Fabry-Perot per testare la massima sensibilità
raggiungibile nella rivelazione di CO2 gassosa e per studiarne i parametri spettroscopici (frequenza,
intensità, allargamento). Il fascio infrarosso è stato accoppiato in una cavità ad alta finezza e
agganciato in frequenza ad essa con la tecnica Pound-Drever-Hall per effettuare spettroscopia in
assorbimento saturato ed aumentare il cammino ottico effettivo di interazione con la CO2 . Infine si è
progettata una cavità di finezza ancora più elevata, che verrà impiegata per testare una tecnica di
altissima sensibilità (NICE-OHMS) per la rivelazione di isotopi rari della CO2 con metodi
totalmente ottici, alternativi alla spettroscopia di massa.
5) Il fascio generato a 4.25 µm è stato focalizzato su un cristallo di niobato di litio,
sull'interfaccia tra 2 domini con polarizzazione ferroelettrica opposta. Si è sfruttato l'effetto di
riflessione totale interna per modulare in ampiezza la radiazione infrarossa attraverso l'applicazione,
alle facce del cristallo, di un'onda quadra di alta tensione, fino a frequenze superiori a 10 kHz [4]. È
stata così dimostrata la possibilità di estendere alla regione del medio infrarosso le potenzialità di un
dispositivo elettro-ottico già testato con successo nel visibile.
Figure
Fig. 1 (a destra): schema completo
dell'apparato
sperimentale
dello
spettrometro DFG.
Fig. 2 (sotto): fotografia del "frequencycomb generator" con il laser di pompa
Verdi V-8.
φ−lock
Pubblicazioni
[1] "Low-power Lamb-dip spectroscopy of very weak CO2 transitions near 4.25 µm"
D. Mazzotti, S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, and P. De Natale
Optics Letters 27, 1256-1258 (2002).
[2] "Difference-frequency generation as a precise tool for high-resolution spectroscopy"
S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and P. De Natale
"Conference on Lasers, Applications and Technology 2002", "SPIE Proceedings", in press.
[3] "High-sensitivity spectroscopy of CO2 around 4.25 µm with difference-frequency radiation"
D. Mazzotti, G. Giusfredi, P. Cancio, and P. De Natale
Optics and Lasers in Engineering 37, 143-158 (2002).
[4] "Electro-optically controlled total internal reflection switching in domain-engineered LiNbO3 "
M. Iodice, G. Coppola, P. Ferraro, S. De Nicola, S. Grilli, D. Mazzotti, and P. De Natale
in "Photonics Fabrication Europe 2002 - Integrated Optical Devices: Fabrication and Testing", Vol.
4944 of "SPIE Proceedings", in press.
Spese sostenute
Inventariabile
Monitor
Laser di pompa
Totale
Spesa € Consumo
1.432,80 sost. diodi di pompa
99.960,00 componenti ottici
componenti vuoto
software
parti laser di potenza
software
diodi laser di pompa
impianto fibre ottiche
101.392,80 Totale
Spesa € Personale
2.640,00 Contratto collab.
1.236,18
319,13
556,80
12.981,60
1.429,56
17.138,40
1.116,32
Spesa €
3.000,00
37.417,99 Totale
3.000,00
P.S. 2/2001
LASER ULTRAINTENSI PER OTTICA QUANTISTICA E NON-LINEARE
Gli obiettivi di questo progetto di sviluppo erano essenzialmente legati al potenziamento del sistema
laser attualmente disponibile presso l’Istituto Nazionale di Ottica Applicata (INOA) per la
generazione di fenomeni quantistici e altamente non-lineari in ottica.
Nel corso dell’anno di attività ha avuto luogo il trasferimento del laboratorio di ottica quantistica
dalla vecchia sede presso l’INOA verso le nuove aree messe a disposizione presso il Dipartimento
di Fisica, nel Polo Scientifico dell’Università di Firenze. Tale trasferimento ha fortemente
condizionato lo sviluppo del programma e, se da un lato ha reso notevolmente più agevole ed
efficiente l’interazione con altri gruppi e laboratori, dall’altro ha comportato la necessità di
procedere all’acquisizione ex novo di gran parte della strumentazione precedentemente utilizzata in
modo condiviso con altri gruppi.
In questo contesto si è quindi deciso di procedere lungo due linee: la prima, già menzionata,
concernente la realizzazione e la messa in funzione di un nuovo laboratorio di ottica quantistica
presso la nuova sede, e la seconda consistente nel potenziamento del sistema laser esistente per
questo laboratorio e nell’acquisizione di strumentazione atta ad accrescere le possibilità di ricerca in
collaborazione.
Si è così proceduto all’acquisto di un nuovo laser di pompa a stato solido con potenza raddoppiata
(10 W) per il sistema laser pulsato al Titanio:Zaffiro che è alla base del processo di generazione di
stati di campo non classici. Grazie a tale acquisizione è stato possibile ottimizzare l’intero sistema
di produzione di coppie di fotoni entangled tramite il processo di generazione di seconda armonica
e conversione parametrica, e si sono realizzate importanti misure che hanno messo in evidenza il
carattere quantistico e non locale della radiazione generata. La generazione di stati quantistici
correlati di carattere più macroscopico richiede la produzione e la rivelazione di stati a più fotoni,
quindi l’accresciuta potenza del laser di pompa, incrementando l’efficienza di generazione, apre la
strada a nuovi studi in questa direzione, tuttora quasi inesplorata.
Sul fronte della strumentazione, le acquisizioni più significative hanno riguardato un nuovo
oscilloscopio digitale, essenziale per l’acquisizione e il trattamento dei segnali ad alta frequenza e
basso rumore per le misure di ottica quantistica, ed un sistema per la misura interferometrica delle
caratteristiche degli impulsi laser ultracorti utilizzati negli esperimenti.
I risultati scientifici fondamentali conseguiti nell’ambito del progetto sono stati i seguenti:
I) Si è realizzato il nuovo laboratorio di ottica quantistica nella nuova sede del Dipartimento di
Fisica e si è messo a punto, con caratteristiche ampiamente migliorate, il sistema in grado di
generare in modo efficiente coppie di fotoni correlati per misure di ottica quantistica. Si è
caratterizzata in modo sistematico la catena di interazioni non lineari tra impulsi laser e cristalli per
l’ottimizzazione del processo [3].
II) Si sono osservate correlazioni non locali tra le caratteristiche spettrali e temporali di coppie di
impulsi generati nel processo di down-conversion da cristalli parametrici. E’ stata osservata per la
prima volta una cosiddetta “ghost interference” spettrale, consistente nella comparsa di frange di
interferenza nello spettro di un fotone, allorché l’altro fotone della coppia correlata attraversi un
interferometro di Michelson sbilanciato [8].
III) Si è messa a punto una tecnica innovativa di rivelazione omodina per la ricostruzione
tomografica di stati di campo elettromagnetico: tale tecnica è stata per la prima volta applicata a
sistemi impulsati ad alta frequenza di ripetizione e sarà fondamentale per l'analisi degli stati
quantici generati in laboratorio [1,2].
IV) Si è effettuato uno studio accurato dell'efficienza e delle proprietà spettrali degli impulsi
armonici di ordine elevato generati nell’interazione tra impulsi laser altamente energetici e gas
fortemente ionizzati. Si è dimostrato che l'effetto di defocheggiamento indotto dalla presenza di un
plasma di elettroni liberi può contribuire in modo determinante ad esaltare o deprimere l'efficienza
di conversione armonica, portando a risultati apparentemente controintuitivi [7].
V) Si è dimostrata per la prima volta una tecnica spettroscopica alla Ramsey per lo studio ad alta
risoluzione di transizioni atomiche di alta energia. In particolare, una coppia di impulsi
corrispondenti alla nona armonica (88 nm) del laser di pompa è stata utilizzata per analizzare le
transizioni verso due stati autoionizzanti dell’atomo di kripton. Si è dimostrata la presenza di un
effetto di interferenza quantistica, evidenziato dalla comparsa di frange di interferenza (con un
periodo di circa 290 attosecondi = 290x10-18 s) nel segnale degli elettroni prodotti per ionizzazione,
in funzione del ritardo tra gli impulsi. Tale risultato apre la strada all’utilizzo delle sorgenti
armoniche (con la conseguente semplificazione rispetto alle sorgenti di sincrotrone normalmente
impiegate) nella spettroscopia XUV ad alta risoluzione [4,5].
SPESE
Inventariabile
Multimetro EMA
Stampanti EsseDi
Femtometer Femtolasers
Diodi Millennia
Laser Millennia Xs
Computer Fuj-Siem EXPLEO
Tavolo Newport
Oscilloscopi Paoletti
Reticolo ARC-Crisel
Traslatore PI
Telecamera CCD DTA
Rivelatori SPCM Unifibre
PZT Jena Microcontrol
Delay Italia
Amplificatore Italia
Oscilloscopio Tektronix
Traslatore Standa Microcontrol
Waveform generator Agilent
Consumo
375.6
671.81
24083.48
26648.68
88183.33
3215.18
9496.8
2880
6204
8256.96
9118.8
13008.07
7576.8
1416
1968
28285.8
3336
5054.4
Lenti GRIN Newport
Traslatori PI
Pinholes Coherent
Iridi DB
Lab-jack Laborchimica
Attrezzi Fati
Contratto collab.
Montaggi Magini
Riparazione PC office
Parabolic mirror SORL
Montaggi Newport
Software Proxeo
Rotatori ThorLabs xxxx
Componenti elettr. RS
Connettori LEMO
1029.6
2800.8
1140
921
123.77
249.49
4000
666
288
3950
5097.6
838.8
678
99.5
351.6
TOTALE
239779.71
22234.16
PUBBLICAZIONI
[1] “Time domain analysis of quantum states of light: noise characterization and homodyne
tomography”
A. Zavatta, M. Bellini, P. L. Ramazza, F. Marin and F. T. Arecchi
Journal of the Optical Society of America B, 19, 1189-1194 (2002)
[2] “Quantum state reconstruction of a squeezed laser field by self-homodyne tomography”
A. Zavatta, F. Marin and G. Giacomelli
Physical Review A, 66, 043805 (2002)
[3] “Second harmonic generation from a ps Ti:Sa laser in LBO: conversion efficiency and
spatial properties”
P. L. Ramazza, S. Ducci, A. Zavatta, M. Bellini and F. T. Arecchi
Applied Physics B, 75, 53-58 (2002)
[4] “Ramsey-type spectroscopy with high-order harmonics”
S. Cavalieri, R. Eramo, M. Materazzi, C. Corsi and M. Bellini
Physical Review Letters, 89, 133002 (2002)
[5] “Armoniche laser e supercontinuo: proprietà di coerenza di sorgenti di radiazione
estreme”
M. Bellini
Il Nuovo Saggiatore, 18 (3-4), 43-51 (2002)
[6] “Intermolecular and diffusive dynamics of pure acetonitrile isotopomers studied by
depolarized Rayleigh scattering and femtosecond optical Kerr effect”
P. Foggi, P. Bartolini, M. Bellini, M. G. Giorgini, A. Morresi, P. Sassi and R. S. Cataliotti
The European Physical Journal D, 21, 143-151 (2002)
[7] “On the effects of strong ionization in medium-order harmonic generation”
M. Bellini, C. Corsi and M. C. Gambino
Laser and particle beams, accepted for publication
[8] “Nonlocal pulse shaping with entangled photon pairs”
M. Bellini, F. Marin, S. Viciani, A. Zavatta and F. T. Arecchi
Physical Review Letters, submitted
[9] “Robustness of phase coherence against amplification in a multipass femtosecond laser”
C. Corsi and M. Bellini
Optics Letters, submitted
Progetto PS/2001/3: Sviluppo dello spettrometro in differenza di frequenza (DFG)
Consuntivo
Lo sviluppo di uno spettrometro in differenza di frequenza con generazione di radiazione
coerente nell'infrarosso risponde alle crescenti richieste di strumenti in grado di rivelare "sul
campo" specie gassose in tracce. D'altro canto, la metrologia di frequenza è stata rivoluzionata negli
ultimi anni dall'invenzione di strumenti denominati "frequency-comb generator" (FCG) basati
sull'utilizzo di una sorgente coerente ad impulsi ultracorti (laser a titanio-zaffiro "mode-locked" a
femtosecondi) combinata a "photonic crystal fibers" in grado di allargare lo spettro emesso da tali
laser impulsati su tutto il visibile e vicino infrarosso. Tali laser necessitano di una sorgente di
pompa ad alta potenza ed elevata purezza spettrale nella regione ottica del verde.
Gli obiettivi principali che ci eravamo posti erano:
1) il miglioramento del sistema DFG operante nel medio infrarosso (4.25 µm), nel senso di una
maggiore potenza infrarossa generata;
2) la messa in funzione dello strumento FCG con l'introduzione di una sorgente di pompa di
potenza adeguata;
3) l'uso congiunto di tale strumento e del sistema DFG, per consentire l'estensione al medio
infrarosso del suo campo di misura, dove le molecole di interesse atmosferico costituiscono
riferimenti naturali di frequenza (ad esempio la CO2 );
4) l'utilizzo di una cella multi-passo e la realizzazione di cavità ottiche ad alta finezza per
aumentare la sensibilità di rivelazione della CO2 e dei suoi isotopi con la radiazione generata dal
sistema DFG;
5) l'utilizzo della radiazione infrarossa per testare l'efficienza a 4.25 µm di un modulatore ottico
in niobato di litio costruito presso la sede INOA di Napoli.
Il sistema di generazione di frequenza-differenza (DFG) è stato trasferito in un laboratorio del
LENS, presso il Polo Scientifico Universitario a Sesto Fiorentino. Questo ha comportato il trasloco
e la reistallazione di tutti gli apparati dell'esperimento ed in vari casi la loro modifica, con una
conseguente non operatività degli esperimenti di alcuni mesi. L'attività svolta nell'ambito del
progetto si può riassumere come segue.
1) Nella sede INOA di Firenze il sistema DFG è stato modificato attraverso l'introduzione di un
amplificatore a fibra drogata con ioni itterbio, in grado di erogare fino a 5 W di potenza ottica a
1064 nm. Tale amplificatore è stato iniettato da una piccola frazione (decine di mW) della potenza
erogata dal laser a Nd:YAG, precedentemente utilizzato come sorgente di pompa per il cristallo
non-lineare (Fig. 1). La potenza generata a 4.25 µm, grazie all'amplificatore, è salita fino a circa 100
µW, consentendo sia di estendere il numero di specie molecolari saturabili, sia di risolvere il
problema dell'assorbimento in aria della CO2 atmosferica. Nella sezione INOA di Napoli, inoltre,
sono state costruite le prime strutture in niobato di litio con "polarizzazione periodica" che saranno
presto testate e sostituite all'attuale cristallo non-lineare che è stato finora utilizzato nell'apparato
DFG.
2) E' stato installato un laser Coherent Verdi V-8 all'interno del FCG (Fig. 2), che ha agevolato il
sistema di auto-aggancio in frequenza. La complessità dell'apparato FCG ha richiesto un periodo
sufficientemente lungo di apprendimento per il suo utilizzo.
3) Sono state effettuate registrazioni di transizioni saturate della CO2 fino a J molto alti e su un
intervallo di intensità di riga che spazia su 4 ordini di grandezza [1], creando le condizioni per
successive misure accurate di frequenza della banda ν 3 attraverso l'utilizzo del FCG [2]. A questo
scopo sono state effettuate prove preliminari per l'aggancio in frequenza dei 2 laser di pompa del
sistema DFG al sistema di misura FCG.
4) L'apparato DFG è stato impiegato dapprima in combinazione con una cella multi-passo [3],
poi con una cavità risonante di alta finezza di tipo Fabry-Perot per testare la massima sensibilità
raggiungibile nella rivelazione di CO2 gassosa e per studiarne i parametri spettroscopici (frequenza,
intensità, allargamento). Il fascio infrarosso è stato accoppiato in una cavità ad alta finezza e
agganciato in frequenza ad essa con la tecnica Pound-Drever-Hall per effettuare spettroscopia in
assorbimento saturato ed aumentare il cammino ottico effettivo di interazione con la CO2 . Infine si è
progettata una cavità di finezza ancora più elevata, che verrà impiegata per testare una tecnica di
altissima sensibilità (NICE-OHMS) per la rivelazione di isotopi rari della CO2 con metodi
totalmente ottici, alternativi alla spettroscopia di massa.
5) Il fascio generato a 4.25 µm è stato focalizzato su un cristallo di niobato di litio,
sull'interfaccia tra 2 domini con polarizzazione ferroelettrica opposta. Si è sfruttato l'effetto di
riflessione totale interna per modulare in ampiezza la radiazione infrarossa attraverso l'applicazione,
alle facce del cristallo, di un'onda quadra di alta tensione, fino a frequenze superiori a 10 kHz [4]. È
stata così dimostrata la possibilità di estendere alla regione del medio infrarosso le potenzialità di un
dispositivo elettro-ottico già testato con successo nel visibile.
Figure
Fig. 1 (a destra): schema completo
dell'apparato
sperimentale
dello
spettrometro DFG.
Fig. 2 (sotto): fotografia del "frequencycomb generator" con il laser di pompa
Verdi V-8.
φ−lock
Pubblicazioni
[1] "Low-power Lamb-dip spectroscopy of very weak CO2 transitions near 4.25 µm"
D. Mazzotti, S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, and P. De Natale
Optics Letters 27, 1256-1258 (2002).
[2] "Difference-frequency generation as a precise tool for high-resolution spectroscopy"
S. Borri, P. Cancio, G. Giusfredi, D. Mazzotti, and P. De Natale
"Conference on Lasers, Applications and Technology 2002", "SPIE Proceedings", in press.
[3] "High-sensitivity spectroscopy of CO2 around 4.25 µm with difference-frequency radiation"
D. Mazzotti, G. Giusfredi, P. Cancio, and P. De Natale
Optics and Lasers in Engineering 37, 143-158 (2002).
[4] "Electro-optically controlled total internal reflection switching in domain-engineered LiNbO3 "
M. Iodice, G. Coppola, P. Ferraro, S. De Nicola, S. Grilli, D. Mazzotti, and P. De Natale
in "Photonics Fabrication Europe 2002 - Integrated Optical Devices: Fabrication and Testing", Vol.
4944 of "SPIE Proceedings", in press.
Spese sostenute
Inventariabile
Monitor
Laser di pompa
Totale
Spesa € Consumo
1.432,80 sost. diodi di pompa
99.960,00 componenti ottici
componenti vuoto
software
parti laser di potenza
software
diodi laser di pompa
impianto fibre ottiche
101.392,80 Totale
Spesa € Personale
2.640,00 Contratto collab.
1.236,18
319,13
556,80
12.981,60
1.429,56
17.138,40
1.116,32
Spesa €
3.000,00
37.417,99 Totale
3.000,00
Firenze, 24 ottobre 2002
Oggetto: Rendiconto del progetto di sviluppo PS/2001/5
“Misura della rugosità media (Ra) di superfici lucidate otticamente”
Premessa
Presso il laboratorio d’interferometria dell’Istituto Nazionale di Ottica Applicata si
eseguono misure riguardanti il controllo di qualità di componenti ottici; in particolare viene
eseguita la taratura di campioni di planarità (accreditamento come Centro SIT conseguito
il 15/12/2000) che servono come riferimento per i laboratori di prova operanti nel settore
della metrologia legale.
Negli ultimi anni sono giunte a questo laboratorio diverse richieste per la
caratterizzazione non invasiva di superfici ottiche tradizionali e diffrattive. In risposta a
queste richieste l’I.N.O.A. ha acquistato alla fine del 1999 il microscopio interferenziale a
luce bianca NEW VIEW 5020 della ditta Zygo con il quale è possibile misurare la
microtopografia di superfici ottiche con tecniche di non contatto.
Contenuto della ricerca
Si è svolta un’attività di ricerca sperimentale, nell’ambito della metrologia legale, allo scopo di
determinare una procedura per la misura della rugosità media Ra di superfici lucidate otticamente,
mediante il sistema interferometrico New View 5020. Particolare attenzione è stata rivolta alla
caratterizzazione dello strumento di misura per quanto riguarda la ripetibilità, l’accuratezza e la
riferibilità delle misure.
Dato che il processo di lucidatura può generare delle superfici ottiche di ottima finitura con Ra
< 0.5 nanometri, e che la tecnica interferometrica per sua natura è relativa, si sono acquisiti
dispositivi campione che permettono di rivelare l’errore strumentale e di separare il contributo della
superfice investigata dal riferimento strumentale.
E’ stata svolta una campagna di misure sia su campioni preparati appositamente sia su
manufatti sottoposti dalla commitenza esterna.
Risultati della ricerca
Sono state acquisite competenze per la caratterizzazione di superfici in vetro, quarzo e
metalli speciali, definendo i metodi sperimentali per la misura della rugosità media Ra.
Oltre che a scopo di ricerca intrinseca, si sono eseguite misure di caratterizzazione di
superfici per altri laboratori INOA, per INFN (Dipartimento di Fisica, Università degli Studi
di Firenze) e per Ditte esterne su commesse di lavoro.
In relazione alla sua presenza attiva nel settore della nanometrologia dimensionale, il
laboratorio è stato incluso nelle seguenti iniziative:
- Expression of Interest for a Network of Excellence , EU Framework 6 in priority
thematic area 1.1.3 “Nanometrology and Nanosciences”
Title: “Microscope step height interferometry”.
- IMGC/CNR – Piano Triennale 2003-2005, Progetto “Ruolo del CNR nella Metrologia”,
linea progettuale 3: “Nanometrologia Dimensionale”
(valore proposta: 100 KEuro in 2 anni).
- COST P7, EU Action on X-ray and Neutron Optics, Workpackage 2
“Surface preparation and test”.
Spese della ricerca
Disponibilita' Lire 88 700 000 (Euro 45809,73), allocati come ‘consumo’
Rendiconto delle spese
Ord. n. 198, 19/03/02
Ord. n. 199, 19/03/02
Ord. n. 201, 19/03/02
Ord. n. 208, 22/03/02 Gambetti
Ord. n. 276, 29/04/02
Ord. n. 362, 06/06/02
Ord. n. 481, 11/07/02
Consumo
2042,40
210,00
31721,18
Magini
Vobis Computer
Lot Oriel
5238,00
Eu-Tech
ILEE-AG (Edmund)
Magini
2577,35
2162,40
Totale:
Euro 45751,33
Costo della ricerca
4 rate trimestrali del leasing:
strumentazione:
materiale di consumo:
L. 54 000 000
L. 41 000 000
L. 5 000 000
Totale:
L. 100 000 000
Microscopio confocale a scansione laser multifotone
PS4
Contesto esterno e obiettivi generali dell'attività di ricerca
Questo progetto rientra in una attività di ricerca che ha come obiettivo la progettazione,
realizzazione e messa in opera di strumentazione e tecniche
all'avanguardia per
lo studio della
dinamica di microsistemi biologici (cellulari e biomolecolari) e materiali di alta rilevanza
applicativa nel campo delle bio- e nano-tecnologie.
Si
tratta
di
strumentazione
e
tecniche
integrate
di
microscopia
ottica
avanzata
quali:
epifluorescenza, DIC, confocale con eccitazione a singolo ed a due fotoni, FRET (Fluorescence
Resonance
Energy
Transfer),
FLIM
(Fluorescent
Lifetime
Imaging
Microscopy),
FCS
(Fluorescence Correlation Spectroscopy); abbinate a tecniche di nanoscopia e nanomanipolazione
con microscopia a scansione di sonda (SPM).
Queste sono infatti le tecniche principali di osservazione e manipolazione di microsistemi
biologici nel loro ambiente fisiologico e, usate in combinazione, permettono un esame (o
manipolazione ) a livello nanoscopico della superficie cellulare e, al tempo stesso, una
osservazione ottica del suo volume interno.
In particolare, di grande interesse per le bio- e nano-tecnologie è la microscopia confocale
multifotone (MPM) che ha il vantaggio, rispetto a quella tradizionale a singolo fotone, di essere
meno invasiva dal punto di vista della fototossicità permettendo quindi l'osservazione di campioni
"in vivo" per un più lungo periodo di tempo. Questo è possibile anche grazie al ridotto effetto di
fotodecadimento dei fluorocromi nel processo di eccitazione a due fotoni. Un altro vantaggio è la
maggior penetrazione della radiazione NIR all'interno del campione con la possibilità di indagine di
campioni spessi quali i tessuti.
Attività svolta
E' stato progettato, realizzato e messo in opera un microscopio confocale a scansione laser con
eccitazione a più fotoni. Il sistema è basato su un microscopio confocale commerciale
opportunamente modificato sostituendo la sorgente Laser di eccitazione (a singolo fotone; le
sorgenti normalmente utilizzate sono: Ar, ArKr, HeNe) con un sistema Laser ultraveloce.
Sistema di scansione confocale
Il sistema di scansione confocale scelto è stato il modello PCM
2000 della ditta Nikon. Si tratta di un sistema a controllo manuale, con una configurazione ottica
particolarmente semplice e compatta.
Il sistema è dotato di un ingresso in fibra monomodale per il trasporto del fascio laser di eccitazione
e di due uscite in fibra multimodale per la raccolta della luce di fluorescenza. I fotomoltiplicatori
sono infatti alloggiati esternamente all'unità di scansione ed il trasporto della luce di emissione del
fluorocromo viene effettuato tramite queste fibre. Questa soluzione se da un lato risulta meno
efficiente in termini di luminosità rispetto ad un accoppiamento diretto, dall'altro permette un
maggior controllo sulla luce emessa. Fra l'uscita della testa di scansione ed il fotomoltiplicatore può
ad esempio essere inserito un analizzatore di spettro oppure, può essere operato un filtraggio
spaziale oppure, nel caso si lavori in luce riflessa, può essere di interesse inserire un filtro di
polarizzazione oppure ancora, un interferometro per le tecniche di tomografia ottica coerente.
Microscopio ottico
Il sistema di scansione confocale è stato accoppiato ad un microscopio ottico
rovesciato Nikon TE 2000 U. Si tratta di uno stativo per ricerca di ultima generazione operante in
luce trasmessa, DIC (Differential Interference Contrast), Contrasto di Fase, epifluorescenza. Il
microscopio è motorizzato sull'asse z con due sistemi alternativi e complementari: il primo è un
attuatore accoppiato alla micrometrica del microscopio e permette in intervallo di scansione
estremamente ampio (limitato soltanto dalla meccanica del microscopio) con una risoluzione di
circa 0,1 µm; l'altro è un attuatore piezoelettrico (Physik Instrument PIFOC P-721 con sensore
LVDT + Controller E-662 LVPZT ) con un intervallo di scansione limitato a 100 µm, ma con una
risoluzione di circa 0,01 µm. Quest'ultimo movimenta soltanto l'obiettivo e permette una frequenza
massima di scansione z dell'ordine di 100 Hz.
Il microscopio è equipaggiato con un sistema termostatato per mantenere la vitalità delle cellule in
cultura ed un sistema di micromanipolazione e di microiniezione per l'introduzione di fluorocromi o
altre sostanze durante l'osservazione.
Infine, particolare attenzione è stata rivolta alla scelta degli obiettivi e l'attuale patrimonio è
costituito da: CFI Plan Fluor 20X 0,5 NA; CFI Plan Fluor 40X (oil) 1.3 NA; CFI Plan Fluor 40X
0,75 NA; CFI Plan Apochromat 60X (oil) 1,4 NA; CFI Plan Apochromat 60X WI 1.2 NA; CFI Plan
Apochromat 100X (oil) IR 1.4 NA.
Sistema Laser Ultraveloce
Il sistema Laser per l'eccitazione a più fotoni è della ditta Coherent ed
è costituito da un Laser di pompa (Verdi V-5)
Nd:YVO 4 duplicato operante in continua alla
lunghezza d'onda di 532 nm con potenza massima di 5 W ed un oscillatore Ti:Sapphire (Mira 900
f) .sintonizzabile fra 700 nm e 980 nm, con potenza media di 650 mW (@ 800 nm), larghezza degli
impulsi di circa 150 fs e frequenza di ripetizione di 76 MHz.
Sistema di accoppiamento della sorgente Laser
Per permettere l'accoppiamento con il sistema
laser ultraveloce, la testa di scansione confocale è stata modificata sostituendo lo specchio dicroico
originario con un 650DCSPXR (Chroma Technology Corp.) che riflette le lunghezze d'onda > 700
nm del Ti:Sapphire e trasmette quelle < 650 nm del segnale di fluorescenza.
L'accesso del laser di eccitazione tramite fibra ottica non è attuabile perché la dispersione introdotta
dalla fibra allargherebbe la durata temporale dell'impulso riducendo drasticamente l'efficienza del
sistema di eccitazione a più fotoni, è' quindi inevitabile ricorrere ad un accoppiamento di tipo
diretto. Questo è stato realizzato montando tutto il sistema su di un tavolo antivibrante. Il sistema di
movimentazione e trattamento del fascio è costituito da un'ottica di espansione, un attenuatore
variabile per regolare la potenza di eccitazione, specchi di rinvio e movimentazione ed un'ottica di
focalizzazione su traslatori xyz per l'introduzione del Laser all'interno della testa confocale
sfruttando l'ingresso della fibra ottica monomodo. Tutto il percorso del fascio è adeguatamente
protetto per problemi di sicurezza.
Per un utilizzatore, il sistema di accoppiamento diretto è certamente meno pratico di uno basato su
fibra ottica ma, per le nostre esigenze, questo tipo di soluzione è l'ideale in quanto ci offre la
possibilità di azione sul fascio di ingresso e di diagnostica (potenza, larghezza dell'impulso,
lunghezza d'onda, stato di polarizzazione).
Per quanto riguarda la durata dell'impulso (la cui misura è descritta in seguito), è in fase di
realizzazione un sistema di compressore d'impulso per la compensazione della dispersione della
velocità di gruppo introdotta dalle ottiche del microscopio.
Sistemi Laser complementari
E' stata prevista anche una modalità di eccitazione a singolo
fotone e, per questo motivo, è stato valutato l'acquisto di sorgenti Laser complementari quali ad
esempio un Laser Ar o ArKr. Infine è stato deciso l'acquisizione di un sistema di duplicazione di
frequenza da utilizzare in cascata al Sistema Ti:Sapphire. Questa soluzione ci permetterà, oltre ad
avere un'intervallo di lunghezze d'onda variabile da
circa 360 nm a 490 nm, di utilizzare detta
sorgente per misure di fluorescenza risolte nel tempo.
Sistema di analisi del segnale di fluorescenza
E'
stato
sperimentato
l'utilizzo
di
uno
spettrografo (Oriel Instrument MS 125) all'uscita del canale di fluorescenza al posto dei filtri
interferenziali. Il segnale ottico di fluorescenza all'uscita della testa confocale, raccolto dalla fibra
multimodale, veniva inviato allo spettrografo all'uscita del quale un'altra fibra multimodale lo
inviava al fotomoltiplicatore all'interno del sistema di controllo del confocale. Il sistema si è rivelato
molto poco luminoso. Per il futuro è previsto il progetto di un sistema più efficiente utilizzante un
accoppiamento ottico diretto con la testa confocale. Per il momento abbiamo ritenuto migliore
l'utilizzo dei filtri interferenziali e le bande di emissione attualmente coperte sono: 610/75, 535/50,
595/70, 485/25, 405/30, 460/50, BG39.
Per la rivelazione del segnale di fluorescenza è stato previsto anche l'utilizzo di un sistema non
"descanned" sfruttando, come uscita, l'ingresso ottico del microscopio riservato all'illuminatore per
epifluorescenza. Come rivelatore è stato previsto l'impiego della telecamera raffreddata (Chroma
3200 della ditta DTA).
Ambientazione dello strumento
Come abbiamo già detto, il sistema è stato montato su tavolo
antivibrante (sistema Laser, microscopio ottico con testa di scansione confocale, ottiche di
movimentazione e trattamento del fascio) tutta l'elettronica di alimentazione e controllo dello
strumento è invece alloggiata su rack a fianco dello strumento (Alimentatore del Laser di pompa,
sistema di controllo e computer della testa confocale, sistema di diagnostica dell'emissione laser
Ti:Sapphire, sistema di raffreddamento Laser). Tutto il sistema nel suo complesso occupa uno
spazio di circa 6 mq al centro di un laboratorio appositamente dedicato (Laboratorio di Biofotonica
dell'INOA ospitato presso il Dipartimento di Anatomia, Istologia e Medicina Legale dell'Università
di Firenze). Il resto della stanza è attrezzato con strumentazione ed accessori di supporto. Il
laboratorio è condizionato e l'accesso è ristretto a personale qualificato per motivi di sicurezza.
Caratterizzazione del sistema
E' stata effettuata una diagnostica delle prestazioni del microscopio
in particolar modo per quanto riguarda la risoluzione spaziale. A tale scopo sono state effettuate
misure della Point Spread Function (PSF) di vari obiettivi (CFI Plan Fluor 40X 0,75 NA; CFI Plan
Apochromat 60X (oil) 1,4 NA; CFI Plan Apochromat 60X WI 1,2 NA) utilizzando sferette
fluorescenti sottorisolte di 0,175 µm di diametro (Calibration Standards for PSF della Molecular
Probes). Per ogni obiettivo, le misure sono state effettuate in funzione della lunghezza d'onda di
eccitazione, del mezzo di immersione (aria, acqua, olio), e della profondità z. E' stato anche
sviluppato un software opportuno in IDL per l'analisi delle immagini.
E' stato affrontato anche il problema della aberrazione cromatica dell'obiettivo dovuta alla grande
differenza in lunghezza d'onda fra l'eccitazione e l'emissione. La soluzione più pratica è stata quella
di eliminare il pin-hole di filtraggio confocale permettendo così una maggior efficienza di raccolta
della luce di fluorescenza anche di quella fuori fuoco a causa dell'aberrazione cromatica.
Altra soluzione prospettabile è la rivelazione non "descanned" di cui abbiamo già parlato. Infine,
l'acquisto dell'obiettivo CFI Plan Apochromat 100X (oil) IR 1.4 NA, la cui correzione cromatica è
estesa nel vicino infrarosso contribuisce in parte alla soluzione di questo problema.
Per quanto riguarda la misura della lunghezza d'onda di eccitazione è stata messa a punto una
semplice metodologia che, con un reticolo posto sul piano oggetto del microscopio (senza
obiettivo), utilizza il sistema confocale stesso per la misura.
Per quanto riguarda la misura di durata temporale dell'impulso, questa è stata effettuata con un
autocorrelatore (Femtochrome FR-103MN) all'uscita del Laser Ti:Sapphire. Per applicazioni di
microscopia confocale a più fotoni è però interessante la misura di questo parametro sul piano
oggetto del microscopio. A questo proposito è stato sviluppato, ed è attualmente in fase di
sperimentazione, un semplice sistema di autocorrelazione che, per la rivelazione, utilizza anche in
questo caso il sistema confocale stesso.
Sistema FLIM
Il
sistema
FLIM
(Fluorescence
Lifetime
Imaging)
è
di
complemento
al
microscopio confocale a due fotoni e permette lo studio dei tempi di decadimento delle
fluorescenze. Due sistemi sono stati presi in considerazione: uno basato sul principio della raccolta
di fotoni entro intervalli temporali predefiniti (gating); l'altro basato sul sistema TCSPC "Time
Correlated Single Photon Counting" cioè sul principio della statistica dei tempi di arrivo dei fotoni
dopo ogni impulso laser. Dopo attenta valutazione si è scelto la seconda delle due tecniche.
Il sistema acquistato è un prodotto della ditta Becker & Hickl GmbH e consiste di:
Una scheda SPC-830 in grado di acquisire "immagini" di 256x256 pixels x 256 canali temporali.
Oppure 256x256 pixels x 16 canali temporali x 16 differenti fotorivelatori oppure ancora, un solo
canale temporale ed un solo rivelatore a 4096x4096 pixels.
Ha anche la possibilità di effettuare
misure FCS (Fluorescence Correlation Spectroscopy).
Di complemento alla scheda sono stati acquistati i seguenti dispositivi:
•
PMH-100-0 PMT fotomoltiplicatore veloce (FWHM=150..220ps)
•
PHD-400 fotodiodo veloce per il segnale di riferimento dal Laser
Inoltre, per misure ad alta risoluzione temporale (circa 30 ps) il sistema base è stato integrato con i
seguenti sottosistemi:
•
Fotomoltiplicatore Hamamatsu R3809U-52 MCP PMT
•
Preamplificatore HFAC-26-01
•
Alimemtatore ad Alta Tensione FuG HCN 3500V
•
Scheda di controllo DCC-100
Infine, per misure spettrali:
•
Fotomoltiplicatore a 16 canali PML-16 da interfacciare all'uscita di uno spettrografo.
Microscopio ottico + SPM
Sono state progettate e realizzate due diverse meccaniche di
accoppiamento per posizionare un microscopio SPM (PicoSPM della ditta Molecular Imaging)
sopra il microscopio ottico invertito. Questa soluzione consente di effettuare un esame (o
manipolazione ) a livello nanoscopico della superficie cellulare e, al tempo stesso, una osservazione
ottica del suo volume interno. Per il momento il sistema funziona ottimamente nelle modalità di
osservazione ottica non confocale mentre, nel caso della scansione confocale, il laser di eccitazione
interferisce con il sistema di monitor della deflessione della sonda dell'SPM. Un opportuno sistema
di isolamento ottico costituito da un filtro interferenziale e relativa meccanica di supporto andrà
progettato.
Consuntivo del progetto speciale Studio di fattibilità del progetto
scientifico “Ergonomia visiva” PS 2001/6
Uno studio di fattibilità deve forzatamente essere composto di una serie di
fasi, distinte tra loro, che servono come preparazione all’avviamento del
lavoro di ricerca vero e proprio.
All’interno di questo progetto speciale abbiamo potuto identificare le seguenti
fasi, che non possono comunque essere considerate come completamente
separate. In particolare sono stati presi in considerazione i seguenti settori:
• Indagine sullo stato dell’arte della ricerca nel campo dell’ergonomia visiva
• Indagine sulle necessità, da parte degli enti di ricerche e delle aziende, di
condurre ricerche nel campo dell’ergonomia della visione
• Strumentazione necessaria e competenze utili allo sviluppo di un
laboratorio di ergonomia della visione
• Sviluppi futuri e conclusioni dello studio di fattibilità
Indagine sullo stato dell’arte della ricerca nel campo dell’ergonomia visiva
Il primo passo necessario è stato quello di effettuare un’indagine per capire lo stato dell’arte della
ricerca nel campo dell’ergonomia visiva. Questo tipo di indagine è stata condotta in una prima fase
con uno studio bibliografico partendo dalle principali riviste del settore. Sono stati poi acquistati
dalla biblioteca dell’Istituto nazionale di Ottica Applicata i principali testi. In un secondo tempo è
stato necessario visitare alcuni gruppi di ricerca che operano nel settore dell’ergonomia della
visione. Di particolare interesse sono risultate in questo senso le visite al laboratorio di psicofisica
situato nell’area CNR di Pisa, diretto dai Prof.Burr e Morrone. Tale laboratorio può infatti essere
considerato un esempio già attivo di quello che dovrebbe essere realizzato presso il nostro Istituto.
La strumentazione utilizzata è quella “classica” della psicofisica; la differenza principale tra le due
strutture è invece relativa allo scopo del laboratorio: mentre quello di Pisa è principalmente dedicato
alla ricerca psicofisica di base, il laboratorio da istituire presso l’INOA ha come fine ultimo una
ricerca applicata, in grado cioè di rispondere a tutte quelle richieste, nel campo dell’ergonomia
visiva, che giungono da aziende private o altri enti pubblici.
Indagine sulle necessità, da parte degli enti di ricerche e delle aziende, di condurre
ricerche nel campo dell’ergonomia della visione
Questa parte dello studio di fattibilità è stata di estrema importanza poiché ha dovuto mostrare se vi
sia un reale interesse nel mondo della ricerca applicata, pubblica e privata, per l’istituzione di un
laboratorio di ergonomia della visione.
La nostra indagine è partita naturalmente con aziende e enti di ricerca con cui era già avviato un
rapporto di collaborazione e per tale ragione il primo settore di indagine è stato quello relativo
all’illuminotecnica. In tale settore l’interesse per la scienza della visione sta diventando sempre più
rilevante, dato le molteplici possibilità di applicazione. Infatti è sempre più evidente che le
performance visive di una persona in un ambiente di lavoro sono strettamente legate non solo alla
quantità di luce presente nell’ambiente, ma anche alla qualità della luce stessa, cioè a quali
lunghezze d’onda giungono sul nostro occhio. Questo interesse ci è stato confermato da due diverse
realtà nel campo dell’illuminotecnica: la Lighting Academy e la Targetti Sankey. La Lighting
Academy è un’associazione senza fini di lucro che ha tra i suoi scopi statutari la diffusione di una
cultura della luce. La collaborazione con questo ente si è concretizzata in un accordo formale per la
realizzazione di una serie di corsi di illuminotecnica, in cui il personale del nascente laboratorio di
ergonomia della visione dell'INOA ha il compito di curare la sezione dedicata alla scienza della
visione. I corsi sono stati anche l’occasione, dato che sono rivolti a professionisti del settore, per
entrare in rapporto con altre realtà del mondo dell’illuminotecnica. Sempre per la Lighting
Academy il personale del Laboratorio ha creato un’enciclopedia della luce (la “Lighting
Encyclopedia”) ospitata dal sito Internet della Lighting Academy (www.lightingacademy.org) e
descritta in una nota interna dell’INOA [1]. Il successo di tale strumento multimediale ha fatto si
che sia stata immediatamente realizzata anche una versione in inglese rivolta al pubblico di tutto il
mondo.
Un campo di rilevante importanza per la scienza della visione è quello della corretta percezione
delle opere d’arte. In questo senso si è potuta apprezzare l’importanza del contributo dell’ergonomia
visiva per la realizzazione di un sensore rivolto a controllare l’illuminazione nelle sale di un museo
[2]. Il prototipo di questo sensore è stato realizzato all’interno di un progetto svolto in
collaborazione con la Targetti S.p.A., una delle più importanti aziende del settore illuminotecnico.
Un aspetto interessante di questo sensore è che non si limita a controllare la radiazione dannosa per
il dipinto, ma controlla anche che la luce presente nella sala sia rimasta quella più adatta a una
corretta percezione dell'opera, in particolare del colore dell’opera stessa. Il sensore è stato testato
all’interno della Galleria dell’Accademia di Firenze, famosa per ospitare il David di Michelangelo.
Anche altre istituzioni hanno colto l’importanza dell’ergonomia visiva in campo artistico. Prova ne
è il lavoro [3] condotto insieme anche all’architetto Godoli, responsabile dell’allestimento degli
Uffizi, per studiare le diverse proprietà cromatiche di diversi tipi di sorgenti in una serie di stanze
della nota Galleria fiorentina.
Sempre nel settore museale vi è interesse che il laboratorio di ergonomia della visione possa
coinvolgersi in una ricerca dedicata alla realizzazione di vetri protettivi per i dipinti che siano in
grado sia di proteggere le opere sia di non interferire con la corretta visione da parte dei visitatori.
Questo progetto è da svolgersi con la collaborazione dell’Optical Coatings Group dei laboratori
dell’ENEA, della Targetti Sankey e della azienda LAV (Laboratori Alto Vuoto) operante nel settore
dei trattamenti oftalmici.
Un settore particolarmente attento alle novità della scienza della visione è ovviamente quello
dell’ottica oftalmica ed in particolare quello degli occhiali da Sole. Infatti al giorno d’oggi un
occhiale da Sole deve poter rispondere contemporaneamente a due distinte problematiche:
sicuramente deve proteggere il nostro occhio dalle radiazioni che possono danneggiarlo
(essenzialmente l’ultravioletto) ma al contempo deve permettere in certe circostanze un
miglioramento delle nostre performance visive, per esempio eliminando effetti indesiderati di
scattering [4]. Questo tema acquista particolare importanza quando si ha a che fare con persone
operate di chirurgia refrattiva. Gli ultimi studi evidenziano infatti che questa particolare categoria di
pazienti deve proteggere particolarmente i propri mezzi oculari. Tale ricerca è stata avviata in
collaborazione con Sola Optical, una delle principali aziende nella produzione di lenti oftalmiche
con una grande esperienza nel settore filtri. Lo stesso interesse sta emergendo nel settore dei filtri
per pazienti ipovedenti [5]. L’importanza di un laboratorio di ergonomia della visione è in questo
caso riconosciuta da molte aziende, dato che tutti gli studi evidenziano che non è possibile
individuare un’unica lente per tutte le patologie; sembra anzi che ogni soggetto debba utilizzare una
filtratura personalizzata che può essere correttamente individuata solo grazie a una serie di
esperimenti psicofisici. A questo scopo è stato allestito un prototipo di laboratorio presso la Clinica
Oculistica dell’Università degli Studi di Firenze.
Strumentazione necessaria e competenze utili allo sviluppo di un laboratorio di ergonomia della
visione
Negli ultimi anni si è assistito a un cambiamento nella strumentazione utilizzata nei laboratori di
psicofisica. Mentre alcuni anni fa tutti gli stimoli necessari per l’indagine erano realizzati tramite
strumentazione ottica tradizionale, recentemente si è affermato l’utilizzo di stimoli creati grazie a
monitor di computer. I fondi del progetto speciale hanno permesso di provare la strumentazione più
interessante in questo settore. La conclusione dell’indagine evidenzia che per misure estremamente
precise la migliore soluzione è offerta dalla scheda grafica prodotta dalla Cambridge Research
System, che è in grado di produrre stimoli con estrema rapidità e con una precisione nella
risoluzione, nei toni di grigio e nel colore, difficilmente eguagliabile. Di estremo interesse è pero’
anche la soluzione offerta dallo Psychtoolbox, un software che utilizza l’ambiente Matlab e che
permette di ottenere prestazioni interessanti a un costo ridotto. Questa soluzione potrebbe infatti
permettere di ottenere stazioni sperimentali che potrebbero essere distribuite sul territorio per
permettere un’indagine di un numero maggiore di pazienti.
Quando si vogliano condurre misure precise è necessario dotarsi di monitor estremamente precisi,
che possano riprodurre esattamente lo stimolo progettato dal software: lo standard in questo caso è
rappresentato dai monitor Sony Trinitron
Dato che gli stimoli devono essere controllati dal punto di vista delle varie grandezze fotometriche
risulta indispensabile che il laboratorio di ergonomia visiva possa essere dotato della
strumentazione necessaria al controllo di tali grandezze. Il fatto di trovarsi all’interno dell’INOA
facilita questo tipo di operazione, dato che l’INOA stesso può vantare un attrezzato laboratorio di
fotometria e di radiometria con cui è in atto una proficua collaborazione.
Sviluppi futuri e conclusioni dello studio di fattibilità
Come si può evincere da questa relazione sono emersi molti fattori che possono far guardare con
ottimismo alla realizzazione di un laboratorio di ergonomia visiva.
1) La scienza della visione è un settore in rapido sviluppo ed in tale ricerca sono impegnati molti
laboratori a livello internazionale. È quindi un campo in cui l’Italia deve poter rimanere
all’avanguardia.
2) Moltissime aziende private hanno interesse a stringere rapporti di collaborazione con un
laboratorio di ergonomia visiva, data l’immediata ricaduta pratica di queste ricerche, ed in molti
casi questi rapporti di collaborazione si sono già concretizzati. Questo permette di ipotizzare che
il laboratorio di ergonomia visiva potrà diventare occasione per l’INOA per trovare fondi per la
ricerca nel settore privato.
3) I laboratori italiani dedicati alla psicofisica sono pochi e in massima parte dedicati alla ricerca di
base. La realizzazione di un laboratorio applicato, oltre che essere in linea perfetta con la
denominazione dell’INOA, risponderebbe a un bisogno largamente diffuso da parte di molte
aziende (illuminotecnica, ottica oftalmica, monitor di computer).
4) La strumentazione necessaria è diventata più economica, permettendo di ipotizzare la
realizzazione di esperimenti che possano essere condotti sul campo, nelle reali condizioni in cui
un soggetto si trova a svolgere il compito visivo, e non nelle condizioni irrealistiche di un
laboratorio
In conclusione si può quindi affermare che esistono tutte le condizioni per la realizzazione di un
laboratorio di ergonomia visiva. Gli sviluppi futuri del progetto prevedono quindi la messa in opera
di tale laboratorio.
Referenze bibliografiche
[1] Carlo Castellini, Maurizio Cetica e Alessandro Farini "Realizzazione di
un portale Web dedicato alla luce e alla visione e delle sue applicazioni
multimediali per la creazione di immagini e stimoli" INOA-TN-00/8 (2001)
[2] Carlo Castellini, Maurizio Cetica, Alessandro Farini, Franco Francini,
Paola Sansoni "Dispositivo per il monitoraggio della radiazione ultravioletta e
visibile in ambiente museale" INOA-TN-00/6 (2000)
[3] M.Cetica, A.Farini, c.Godoli, A.Reggiani “Vision performances in exhibition spaces: light,
lighting systems and colour appearance” proceedings Luxeuropa 2001 9th European Lighting
conference (2001)
[4] Alessandro Farini, Maurizio Cetica, Franco Francini e Carlo Castellini
“Parametri ottici degli occhiali da Sole” INOA-TN-01/3 2001
[5] S.Abati e A.Farini "Ipovisione e lenti filtranti" all'interno del volume
"Argomenti di Ipovisione" curatori S.Abati, G.Giacomelli, R.Volpe (Fabiano
Editore, Canelli (AT), 2002)
Relazione sull'impiego dei fondi PS/2001/7
I fondi assegnati per il Progetto di Sviluppo PS/2001/7 sono stati impiegati per la maggior
parte la realizzazione di un dispositivo per riprese ad alta risoluzione trasportabile per lo studio e la
documentazione di testi su papiro. Il rimanente per l'acquisto di una taglierina per grande formato
necessaria per stampe di immagini di grande dimensione registrate con il dispositivo.
La realizzazione del sistema si inserisce nella più generale linea di ricerca in atto presso il
Laboratorio relativa alle tecniche di imaging operanti in diverse regioni spettrali per lo studio e la
documentazione dei Beni Culturali che sono di interesse anche per il Progetto Finalizzato Beni
Culturali del CNR e del progetto Art & Science.
Il dispositivo è stato concepito sulla base dell'esperienza acquisita nella messa a punto di un
precedente sistema, realizzato con fondi universitari, che pur essendo in grado di fornire dati di
altissima qualità, impiegava un rivelatore che non poteva essere efficacemente usato in condizioni
ambientali diverse da quelle controllate di un laboratorio. Per un sistema trasportabile,
essenzialmente ragioni di maggiore affidabilità e rapidità di ripresa hanno portato alla scelta di un
rivelatore Sinar CCD da 4000 x 4000 pixel
montato su un sistema di movimentazione che,
collegato ad un PC portatile, permette di registrare riprese fino a poco più di 6000 x 6000 pixel alla
volta in modo totalmente automatico, sia nel visibile che nel vicino infrarosso. Questa ultima
caratteristica è essenziale per rendere visibile il testo di manoscritti su papiro il cui supporto si è
scurito.
Una prima configurazione del sistema, è stata inizialmente provata su reperti del
Dipartimento di Scienze dell'Antichità dell'Università degli Studi di Milano e dell'Istituto
Papirologico di Firenze e poi in una campagna di riprese concordata con il Museo del Cairo che
aveva anche lo scopo di costituire il primo vero test di impiego sul posto in condizioni simili a
quelle che si prevede saranno in futuro le condizioni di lavoro più frequenti.
Da queste prime prove sono emerse alcune importanti indicazioni come la necessità di
progettare un
supporto del dispositivo di ripresa e dei reperti da esaminare che assicuri una
maggiore stabilità rispetto a quello attuale: la stabilità meccanica è forse la difficoltà principale
emersa durante queste prime prove. Questo supporto, smontabile, sarà pensato in modo che in
futuro si possa anche fare ricorso ad una meccanica di posizionamento del sensore che permetta
riprese ad una risoluzione ancora maggiore. Quest'ultima è una esigenza emersa grazie alla
possibilità avuta di ampliare la casistica dei reperti considerati includendo alcuni pezzi, in
particolare alcuni della collezione del Museo del Cairo, che presentavano caratteristiche non
riscontrate in precedenza.
La qualità dei risultati è stata giudicata buona ed è stata provata anche paragonando stampe
fatte con un sistema professionale in dotazione presso il Laboratorio, di reperti milanesi esaminati
con il sistema da laboratorio.
Si è anche iniziato a considerare la possibilità di usare il sistema per l'esame di papiri
carbonizzati e per questo sono state fatte delle prove del tutto preliminari presso l'Istituto
Papirologico Vitelli nella cui collezione sono presenti sia papiri scuri che carbonizzati. Le prime
prove hanno fornito risultati incoraggianti evidenziando però come questi singolari reperti siano
particolarmente difficoltosi da esaminare e riprodurre in modo da evidenziare il testo con una
leggibilità paragonabile a quella dei papiri scuri.
Si tratta di oggetti estremamente fragili, incollati
su cartoncino che nonostante ciò si sbriciolano irrimediabilmente se non trattati con la massima
attenzione. Anche l'uso della colla per farli aderire al cartoncino provoca difficoltà a registrare
immagini di uguale grado di leggibilità del testo su tutta l'area dei reperti. Quello che al momento
possiamo dire è che i risultati ad oggi ottenuti in questo importante settore, sono paragonabili, se
non superiori a quanto di meglio ad oggi sia stato fatto in campo internazionale. Ulteriori
miglioramenti saranno possibili con la progettazione di un metodo diverso di illuminazione che si
sta già studiando.
Oltre all'utilizzo nel campo della papirologia, il sistema si dimostra particolarmente duttile e
la possibilità di registrare in futuro riprese ad ancor più alta risoluzione, ne prospetta un uso
complementare ad altre tecniche adottate per lo studio di dipinti. In particolare, oltre al semplice uso
per sostituire completamente la pellicola invertibile di grande formato, saranno effettuate prove nel
campo della Fluorescenza UV.
In conclusione possiamo dire che lo strumento, pur nella sua attuale prima versione, ha già
risposto positivamente alle attese e che notevoli migliorie saranno possibili sulla scorta
dell'esperienza acquisita durante le prime prove. La maneggevolezza e la versatilità del sistema
unita alla qualità del rivelatore hanno suggerito anche di esaminare la possibilità di un suo impiego
anche in settori di ricerca inizialmente non previsti.
Consuntivo PS2001 N°8
PROGETTO DI COLLETTORI SOLARI PER LA DEPURAZIONE DI ACQUE DI
SCARICO
Il processo denominato "Solar detoxification" usa la luce solare come energia primaria in una
reazione chimica che riduce la quantità di molecole contaminanti disperse in acqua o in aria. Questa
reazione, di tipo photochimico, usa la frazione UV dello spettro solare congiuntamente a un
catalizzatore che distrugge i legami chimici dei contaminanti. Il catalizzatore più impiegato è il
TiO2 che è chimicamente molto stabile non tossico, ampiamente utilizzato come colorante nella
fabbricazione di vernici.
Nell'ambito di questa ricerca, è stato studiato un collettore di luce solare in grado di depurare un
flusso d'acqua tramite l'illuminazione di una cella di reazione a flusso.
Il progetto si è svolto secondo le fasi seguenti:
Collaborazione con il CSGI
La collaborazione con il Consorzio per lo Sviluppo di Sistemi a Grande Interfase c/o Il
Dipartimento di Chimica Fisica dell’Università degli Studi di Firenze è stata necessaria per la
preparazione dei campioni e per la messa a punto di un metodo affidabile che consentisse la taratura
delle soluzioni e la verifica dell'abbattimento degli inquinanti.
Dal momento che tra i principali inquinanti delle acque si annoverano i composti aromatici, è stata
studiata l'azione di un catalizzatore denominato A/HR (polvere di TiO2) su soluzioni acquose di
alcol benzilico, scelto come rappresentativo dei composti aromatici e relativamente solubile in
acqua. Sono state preparate diverse "soluzioni standard" di alcol benzilico in presenza del
catalizzatore ed è stata ricavata una retta di taratura mediante misure con metodi di gascromatografia per una misura affidabile dei valori di concentrazione di alcol benzilico.
Irraggiamento dei campioni in laboratorio
In laboratorio è stato approntato un sistema per l'irraggiamento dei campioni costituito da una
sorgente luminosa con lampada allo xenon, da un monocromatore e da filtri interferenziali per la
selezione delle lunghezza d'onda. La cella di misura è rappresentata da una cuvetta in quarzo
riempita con la soluzione da irraggiare. Sono state fatte molte prove con diverse concentrazioni, con
differenti zone dello spettro luminoso e con diversi tempi di esposizione. I valori di concentrazione
dell'alcol benzilico sono stati misurati prima e dopo l'esposizione alla luce.
Studio della cella di reazione da usare nel collettore solare
Il catalizzatore (Ti02) che si trova commercialmente sotto forma di polvere deve essere disperso in
acqua e riutilizzato alla fine del processo tramite un filtro o per decantazione. La dispersione
consente un rendimento più alto rispetto al fissaggio della polvere su un supporto stabile per
esempio la lana di vetro. L'uso della lana di vetro o di altri supporti porosi è vantaggioso (come
rendimento) solo nel caso si voglia purificare dell'aria. In ogni caso la cella di reazione deve essere
trasparente ai raggi ultravioletti per poter permettere la reazione fotochimica. I materiali più adatti
per questa applicazione sono i fluoropolimeri che nel migliore dei casi hanno però una trasparenza
nell'UV solo del 30%. Commercialmente sono reperibili tubi di PVTFE che sono costosissimi e
producibili solo su richiesta. Queste difficoltà ci hanno spinto a progettare una cella di reazione
aperta, a forma di canale, sulla quale concentrare la luce solare.
Studio di sistemi ottici adatti a raccogliere la luce solare nella cella di reazione.
Questa fase della ricerca è servita ad individuare le caratteristiche geometriche del sistema ottico ed
i materiali da adoperare per la costruzione degli specchi. Il sistema che ha dato i risultati migliori è
rappresentato nella figura seguente (Fig.1). Esso è costituito da una coppia di specchi cilindrici
primario-secondario
con profilo sferico. I raggi solari illuminano uniformemente il canale di
reazione
Fig.1 schema ottico del concentratore solare
Il prototipo dell'impianto dimostrativo
E' in fase di realizzazione un prototipo sperimentale di impianto solare costituito da una culla
ruotante solidale con i due specchi ed orientata in direzione del sole (Fig.2). La cella di reazione
invece è fissa e posizionata lungo l'asse di rotazione degli specchi. La forma della cella è di tipo
aperto e permette lo scorrimento dell'acqua semplicemente per caduta. La movimentazione degli
specchi è realizzata semplicemente tramite un piccolissimo motore elettrico sincronizzato con il
moto orario solare. I campioni da depurare sono rappresentati da soluzioni acquose di alcol
benzilico a differenti concentrazioni. I campioni circolano continuamente nel canale per mezzo di
una pompa che preleva a ciclo chiuso il liquido da un serbatoio.
Particolare attenzione è stata dedicata alla ricerca di una soluzione economica per la realizzazione
degli specchi che potesse consentire in futuro una replica dell'impianto su vasta scala a basso costo.
Gli specchi sono realizzati in lamiera di rame curvata tramite calandratura. La loro superficie è resa
lucida con particolare procedimento di verniciatura; successivamente si procede ad una deposizione
di alluminio con tecniche di evaporazione industriale.
La ricerca è ancora in atto e continuerà nel prossimo anno con una serie di misure sull'impianto
dimostrativo atte a verificare il grado di abbattimento delle molecole inquinanti.
L’intero sistema segue il sole ruotando
attorno al canale di scorrimento che è
fisso
H2
O
Canale aperto
per lo
scorrimento
delle acque
Specchio Secondario
Specchio
Fig2 Schema di principio dell'impianto per il trattamento di acque inquinate.
Consuntivo delle spese relative al progetto
Inventariabile 6.083 €
Consumo
36.502 €
--------------------------------Totale
42.585 €
Il responsabile della UO3
Ing. Franco Francini
Relazione finale del progetto speciale-PS9
OLOGRAFIA DIGITALE PER L’ANALISI DI FRONTI D’ONDA
Obiettivo principale del presente progetto è stato quello di sviluppare una metodologia
diagnostica con possibilità applicative in diversi campi, basata sull’impiego della tecnica di
olografia digitale.
La disponibilità, da qualche anno, di tecnologie di acquisizione ed elaborazione delle immagini
ad alta risoluzione spaziale, ha consentito di utilizzare in alternativa al tradizionale sistema di
registrazione di tipo fotografico, la ricostruzione numerica di immagini olografiche. L’Olografia
Digitale presenta diversi vantaggi rispetto alla tecnica tradizionale ed, in particolare, tempi di
registrazione e di ricostruzione ridotti, semplificazione del processo di ricostruzione e disponibilità
in forma digitale sia dell’ampiezza sia della fase ottica, possibilità di compensazione delle
aberrazioni, distorsioni, ecc.
In particolare la ricostruzione della fase ottica ha permesso di ottenere misure quantitative del
profilo a pieno campo di microstrutture con risoluzione nanometrica.
Infatti sono state analizzate microstrutture MEMS in silicio di diversa geometria e
microstrutture realizzate in cristalli ferroelettrici di Niobato di Litio.
In generale un limite tecnologico risiede nella limitata risoluzione spaziale dei rivelatori allo
stato solido CCD (Charged Coupled Devices), anche se tale limite è continuamente eroso dai
progressi rapidi delle tecniche di fabbricazione in microelettronica. In particolare la recente
disponibilità di sensori CCD ad elevata risoluzione, con dimensione del pixel di circa 6 micrometri,
consente di esplorare diversi ambiti di applicazione finora non indagati. E’ stata inoltre dimostrata
la possibilità di applicare l’Olografia Digitale nell’IR alla lunghezza d’onda di 10,6 micrometri
(laser a CO2) attraverso l’impiego di una termocamera con risoluzione spaziale di 100 micrometri.
Nell’ambito delle attività di questo Progetto, sono stati sviluppati ed applicati algoritmi di
ricostruzione numerica dell’ologramma basati sulla tecnica del "phase-shifting".
I risultati ottenuti consentono di impiegare l’olografia digitale in diverse applicazioni industriali per
il controllo non distruttivo di materiali e componenti.
Personale INOA
P. De Natale, Riccardo Meucci, S. Grilli (Assegnista);
Personale associato
S. De Nicola, Istituto di Cibernetica del CNR, Sez. di Napoli
Collaborazioni
Collaborazioni italiane:
•
CNR, Ist. Cibernetica, (Pierattini, De Nicola)
•
CNR, Ist. Per la Microelettronica e i Microsistemi (IMM) Sez. di Napoli (P. Ferraro, G.
Coppola, M. Iodice)
•
ST Microelectronics CATANIA (C. Magro)
Collaborazioni estere:
•
Insitute of fine mechanics and Optics, St.Petersburg – Russia (Prof. Igor Gurov)
•
Laser Physics and Quantum Optics, Department of Physics, Royal Institute of Technology ,
Svezia (Prof .Fredrik Laurell)
Spese effettuate:
Inventariabile
163.270,20
Consumo (componentistica ottica e altro)
14.515,28
Consulenze, contratti di collaborazione
2.860,00
Totale ( Euro)
180.645,48
Dettaglio analitico delle attrezzature e dei materiali di consumo acquistati per il progetto:
Inventariabile
Oscilloscopio digitale
N. 4 Rack + kit accessorio
15000
1944,24
Generatore di funzione
N. 2 Tavoli Ottici con piedi +
installazione
16560
Analizzatore di spettro ottico
Microscopio con accessori
Sorgente laser
TOTALE
49896,96
36000
42000
163270,2
Consumo
Generatore Honda
Materiale per banco ttico
Componentistica per banco ottico
Viti fissaggio
Photo Resist
Accessori elettric/lettronici
Software MatLab
N. 1 Fotodiodo
Materiali ottici (Niobato di Litio)
TOTALE
1869
1008,95
2007,6
1015,12
158,15
802,8
684,31
1200
708
6930,35
14515,28
Lista delle pubblicazioni:
1. S.Grilli, P.Ferraro, S.De Nicola, A. Finizio, G. Pierattini and R. Meucci, “Whole optical
wavefields reconstruction by digital holography”, Optics Express, 9, 294-302 (2001);
2. S.De Nicola, P.Ferraro, A.Finizio, G.Pierattini, “Compensation of severe anamorphism by
digital holography" Optics Letters, 26, 974-976 (2001);
3. S. DeNicola, P.Ferraro, A.Finizio, G.Pierattini, “Wave front reconstruction of Fresnel offaxis holograms with compensation of aberrations by means of phase-shifting digital
holography” Optics and Lasers in Engineering , 37, (4), 331-340 (2002);
4. S. Brugioni, S. De Nicola, P.Ferraro, S. Grilli and R. Meucci, "Digital Holography at
10.6mm", accepted for Optics Communications (2002);
5. P.Ferraro, S.De Nicola, A.Finizio, G.Coppola, S.Grilli, C.Magro, G.Pierattini,
"Compensation of the inherent wave-front curvature in digital holographic coherent
microscopy for quantitative phase contrast imaging", submitted to Applied Optics (2002);
6. P.Ferraro, S. De Nicola, A. Finizio, S. Grilli and G. Pierattini “Digital holographic
interferometry for characterization of transparent materials” Proc. SPIE Vol. 4399, p.9-16,
Optical Measurement Systems for Industrial Inspection II: Applications in Production
Engineering, R.Hoefling, W.P. Jueptner, M.Kujawinska, Editors, (2001);
7. S. DeNicola, P.Ferraro, A.Finizio and G. Pierattini, “Compensation of Aberrations in
Fresnel off-axis Digital Holography” International Conference FRINGE’01, Bremen, Sept.
17-19 (2001). W. Osten, W. P. Jüptner, Editors, Elesevier, p.407-412;
8. S. De Nicola, P.Ferraro, A.Finizio, S.Grilli, R. Meucci, "Phase-shifting digital holography
with compensation of aberrations", Proc. SPIE Vol. 4627, p. 189-194, Fifth International
Workshop on Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and
Engineering, Alexander I. Melker; Ed. (2002);
9. P.Ferraro, G. Coppola, S.De Nicola, A.Finizio, S. Grilli, M. Iodice, C. Magro, and G.
Pierattini, “Digital Holography for characterization and testing of MEMS structures”, Proc.
Of IEEE/LEOS Intern. Conf. On Optical MEMS, 20-23 Aug. 2002, p.125-126.
10. E.Allaria, S.Brugioni, S.DeNicola, P.Ferraro, S.Grilli, R.Meucci, and G.Pierattini,
“Interferometric analysis of self-phase-modulation at 10.6µm in a nematic crystal”, ICO
XIX, 19th Congress of the International Commission for Optics, Firenze, Italy 25-31 August
2002, Technical Digest, Part 2, p.761-762;
11. S.De Nicola, A.Finizio, G.Pierattini, G.Coppola, P.Ferraro, M.Iodice, C.Magro, S.Grilli,
"Characterization of MEMS structures by microscopic digital holography", accettato come
presentazione orale alla conferenza: "MEMS/MOEMS for Photonics Communications,
Sensing and Metrology, Part of SPIE's Photonics Fabrications Europe, 28Oct.-1 Nov. 2002,
Brugge;(SPIE code number 4945A-11);
12. S.DeNicola, P.Ferraro, A.Finizio, S.Grilli, M.Iodice, G.Pierattini, M.Chiarini,
"Characterization of microstructures in lithhium niobate crystals by digital holography",
accettato come presentazione orale alla conferenza: "MEMS/MOEMS for Photonics
Communications, Sensing and Metrology, Part of SPIE's Photonics Fabrications Europe, 28
Oct.-1 Nov. 2002, Brugge;
