PARTHENOPE ANALISI FEM DI FIBRE OTTICHE HOLLOW CORE, IMPERTURBATE E PERTURBATE

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI PARTHENOPE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni ANALISI FEM DI FIBRE OTTICHE HOLLOW CORE, IMPERTURBATE E PERTURBATE Relatori: Prof.ssa Stefania Campopiano Prof. Agostino Iadicicco Autore: Giuseppe Florino Anno Accademico

2 Indice Introduzione... 1 Sensori in fibra ottica e Fibre ottiche a cristallo fotonico PCF Introduzione Fibre ottiche Fibre ottiche a cristallo fotonico PCF PCF index-guiding e PCF hollow-core Reticoli di Bragg (FBG) in fibra ottica standard Trasduttori per sensori FBG Reticolo a passo lungo (LPG) in fibra standard Conclusioni Bibliografia Capitolo I Tecniche di produzione di reticoli LPG in fibre ottiche PCF-HC Introduzione Reticoli a passo lungo LPG in PCF-HC Tecniche di fabbricazione di LPG in PCF-HC Irradiazione laser a CO Fabbricazione degli LPG mediante la tecnica di scarica ad arco (EAD) Conclusioni Bibliografia Capitolo II... 40

3 Indice 3 Ricostruzione della sezione trasversa di una fibra hollow core prima e dopo trattamento con scarica ad arco Introduzione Datasheet della fibra Hollow Core Photonic Bandgap investigata e caratteristiche fisiche della geometria Proprietà fisiche della fibra HC impiegata Geometria della sezione della fibra da analizzare Ottimizzazione delle immagini e rilievo delle dimensioni Primo tentativo di realizzazione Creazione dell algoritmo di costruzione delle geometrie Funzione esterna per il posizionamento dei fori d aria Costruzione della geometria del Core e dei fori del primo anello del cladding Costruzione dei fori del cladding posti sugli anelli più esterni Rappresentazione del risultato finale Importazione dell algoritmo nel solutore FEM Esportazione delle geometrie in software CAD Conclusioni Bibliografia Capitolo III Analisi FEM di una fibra a cristallo fotonico imperturbata e perturbata Introduzione Proprietà fisiche della fibra HC in esame Il metodo agli elementi finiti Definizione del modello Geometria per analisi FEM Condizioni al contorno Generazione della mesh Computazione della soluzione Risultati numerici delle simulazioni Conclusioni e analisi future Bibliografia Capitolo IV ii

4 Introduzione Le potenzialità di un sensore costituito da una semplice fibra ottica SMF, in grado di fornire un profilo di deformazione o di temperatura per una lunghezza di diversi chilometri ed una risoluzione spaziale inferiore al metro, sono enormi quando bisogna controllare grandi strutture come dighe, ponti, grandi edifici, etc. In questi casi, infatti, l utilizzo di sensori puntuali richiederebbe la sistemazione di un elevato numero di sensori in un numero discreto di punti ritenuti strategici, con evidenti problemi di gestione dei dati e, in ogni caso, non garantirebbe il monitoraggio dell intera struttura. Inoltre, se un guasto o un cedimento avvenisse in una zona non coperta dai sensori, sarebbe impossibile segnalarlo. La capacità di consentire misure distribuite anche su lunghe distanze è, una volta ancora, un punto di forza della tecnologia delle fibre ottiche. Esse consentono, difatti, di determinare i valori delle grandezze di interesse, in funzione della loro posizione, lungo l intera lunghezza della fibra ottica. I sensori distribuiti risultano particolarmente utili quando è necessario eseguire misure in un gran numero di punti o con continuità lungo la fibra ottica. Tipiche aree in cui trovano applicazione sono: il monitoraggio di deformazioni in grandi strutture come ponti, dighe, gallerie, edifici, serbatoi, pozzi petroliferi, navi, ecc.; le misure di profili di temperatura in trasformatori elettrici di potenza, generatori, reattori nucleari, gasdotti, oleodotti, sistemi per il controllo di processi e sistemi per la rivelazione di incendi; l identificazione di perdite in condutture, la diagnostica dei guasti e la rivelazione di anomalie elettriche o magnetiche nei sistemi di distribuzione dell energia elettrica;

5 Introduzione la valutazione, in tempo reale, delle deformazioni, delle vibrazioni e della temperatura nei materiali compositi mediante sensori inglobati negli stessi, in settori come l industria aerospaziale. Nell ultimo decennio, un nuovo tipo di fibra ottica, la fibra a cristallo fotonico (Photonic Crystal Fiber, PCF), è uscito dai laboratori e sta trovando applicazioni laddove la fibra standard non può essere usata o esibisce prestazioni inferiori. La prima fibra a cristalli fotonici venne venduta a partire dal Esse possono essere progettate per trasportare un maggiore quantitativo di energia rispetto alle fibre convenzionali, e le loro proprietà, variabili a seconda della lunghezza d'onda, possono essere manipolate per migliorare le loro prestazioni in certe applicazioni. Le fibre a cristallo fotonico PCF, presentano un cladding microstrutturato forato e un core che può essere solido, fibre a cristallo fotonico index-guiding (PCF-IG), oppure cavo, fibre a cristallo fotonico hollow-core (PCF-HC) anche dette PBF (Photonic Bandgap Fiber). Nelle le PCF il core e i buchi del cladding possono essere facilmente riempiti con gas o liquidi, e ciò ne permette quindi utilizzi finora impossibili con le fibre ottiche standard SMF. Essendo il modo ottico guidato nella stessa regione in cui è presente il materiale da analizzare, la lunghezza d interazione tra il campo modale e un gas nel core è limitata, in pratica, solo dalla perdita della fibra, a beneficio di applicazioni quali spettroscopia di gas ad alta sensibilità ed ottica non-lineare in gas. I sensori che sfruttano le PCF si basano su una varietà di proprietà fisiche del campione sotto investigazione o della guida d onda stessa, includendo assorbimento, fluorescenza, onde evanescenti, riflessione Bragg e accoppiamento a modi di cladding nei long-period gratings. Negli ultimi anni, inoltre, è stata rivolta particolare attenzione a sensori in fibra ottica basati su reticoli (OFG, Optical Fiber Gratings). La tecnologia basata su reticoli (FBG, Fiber Bragg Gratings, LPG, Long Period Gratings) applicata al mondo della sensoristica, è ad oggi la più diffusa e conosciuta, seguita da quella interferometrica. Nell attività di tesi svolta, l attenzione è stata concentrata su una PBF commercialmente disponibile, prodotta da NKT Photonics (HC ), progettata per operare nella finestra di trasmissione intorno a 1550 nm. Quindi, grazie all analisi modo fondamentale, mediante un software FEM (Finite Element Method), studieremo le differenze tra il caso della fibra non ii

6 Introduzione perturbata (datasheet) e della fibra perturbata nel caso della fabbricazione di reticoli LPG, mediante la nuova tecnica di scarica ad arco. Di seguito è brevemente descritta la linea seguita nel presente lavoro di tesi. Nel corso del primo capitolo verranno introdotti brevemente i concetti teorici di reticoli FBG e LPG, e le proprietà fisiche ed ottiche delle fibre a cristallo fotonico, ponendo particolare attenzione verso le fibre ottiche hollow core PCF-HC, oggetto del presente lavoro di tesi. Nel secondo capitolo, invece, saranno descritte le comuni tecniche di fabbricazione di reticoli LPG in fibre ottiche SMF e PCF. Inoltre verrà descritta la tecnica EAD (Electrode Arc Discharge) scarica ad arco modificata, ideata e sperimentata presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria dell Università di Napoli Parthenope, impiegata per la produzione di reticoli LPG in fibre ottiche a cristallo fotonico hollow-core. Successivamente, nel terzo capitolo verrà descritto il processo di ricostruzione del modello geometrico della sezione trasversa della fibra, nel caso non perturbato e perturbato. Il modello geometrico necessario per procedere all analisi FEM della sezione trasversa della fibra. Infine, nel quarto capitolo verrà argomentato il processo di pre-analisi FEM e commentati i relativi risultati ottenuti, mettendo poi a confronto i valori pervenuti nel caso dell analisi della fibra non perturbata e della fibra perturbata, osservandone le conseguenze che l applicazione della scarica ad arco modificata ha prodotto localmente sulla sezione della fibra. iii

7 Capitolo 1 Sensori in fibra ottica e Fibre ottiche a cristallo fotonico PCF 1.1 Introduzione Il sensore è un trasduttore che si trova in diretta interazione con il sistema misurato ed è, in ambito strettamente metrologico, riferito solamente al componente che fisicamente effettua la trasformazione della grandezza d'ingresso in un segnale di altra natura [1], Fig Fig Schema a blocchi di un sensore. In generale la grandezza in uscita dal sensore, viene elaborata da un opportuno sistema condizionatore e inviata a uno strumento di misura, oppure a un sistema di controllo. Il condizionatore fornisce una grandezza analogica, spesso convertita in una digitale di più facile trattamento ed elaborazione. I sensori possono essere classificati sulla base del tipo di grandezza rilevata: meccanica (posizione, velocità, accelerazione, pressione, forza, deformazione, massa, densità, momento, vibrazioni ecc.); termica (temperatura, calore specifico, conducibilità termica ecc.); acustica (livello sonoro ecc.); elettrica (carica, intensità di corrente, tensione, resistenza elettrica ecc.); magnetica (intensità di campo, permeabilità ecc.); ottica; elettromagnetica.

8 Capitolo I Sensori in fibra ottica e Fibre ottiche a cristallo fotonico PCF È possibile classificare e quindi studiare i sensori in base al principio di funzionamento, ovvero alla grandezza di uscita e individuare sensori di tipo meccanico, elettrico, ottico (o meglio, sensori a fibra ottica). Le principali caratteristiche di un sensore sono: campo di misura, sensibilità, precisione (immunità dal rumore, insensibilità a grandezze diverse, assenza di deriva), finezza (il sensore non deve perturbare la grandezza da rilevare e quindi le sue dimensioni devono essere modeste), rapidità, economicità [1]. I sensori in fibra ottica rappresentano oggi un compromesso accettabile tra queste caratteristiche. Negli ultimi anni le caratteristiche dei sensori in fibra ottica (OFS, Optical Fiber Sensors) hanno suscitato notevole interesse e stimolato notevolmente la ricerca e lo sviluppo di quest ultimi. Risulta di particolare interesse la variazione della propagazione della luce all interno della fibra in relazione ai diversi agenti esterni, caratteristica che offre la possibilità di realizzare diverse tipi di sensori prendendo in considerazione parametri come, temperatura, pressione e deformazione. I sensori in fibra ottica sono caratterizzati da una sorgente luminosa LED, da un elemento sensibile (fibra) e infine un sistema di elaborazione del segnale e di conversione in segnale elettrico. Tra le innumerevoli peculiarità dei sensori in fibra ottica, ve ne sono alcune di particolare interesse, tra cui un elevata immunità alle interferenze elettromagnetiche (EMI), una maggiore durata della fibra, minori costi di manutenzione, un minor peso e ancora una scarsa invasività, l integrabilità con diverse strutture, l accuratezza delle misure e la maggiore velocità di risposta. L elevata immunità alle interferenze elettromagnetiche (EMI) permette l impiego di questi sensori in ambienti in cui è presente un elevato inquinamento elettromagnetico, ma anche quando è necessario che lo strumento di misura non emetta nessun tipo di radiazione elettromagnetica [2]. La fibra ottica non subisce l usura e il deperimento tipico dei metalli, per questo a differenza dei sensori elettrici fa sì che i sensori realizzati mediante fibra ottica, godino di una durata maggiore e necessitino di una manutenzione meno dispendiosa. Inoltre la fibra presenta un peso inferiore rispetto a quello del rame, trova pertanto impiego in diversi campi, tra cui quello aerospaziale, dove ad esempio, è importante il contenimento dei 2

9 Capitolo I Sensori in fibra ottica e Fibre ottiche a cristallo fotonico PCF pesi. Tale tecnologia può essere adottata anche in ambienti ostili in cui si richiede, ad esempio, il funzionamento a basse temperature (applicazioni aerospaziali), oppure a temperature elevate (sensori per la rilevazione incendi, monitoraggio vulcani, ecc). Grazie alla possibilità di integrarli all interno dei sistemi di comunicazione, il meccanismo di interrogazione del sensore risulta particolarmente semplice. Si illustrano in definitiva i due possibili schemi di interrogazione, Fig. 1.2 e Fig. 1.3: 1. in trasmissione: Fig Schema di interrogazione in trasmissione. 2. in riflessione: Fig Schema di interrogazione in riflessione. Il principio di funzionamento dei OFS è basato sulla possibilità di modulare, in seguito alle variazioni del misurando, uno o più parametri del segnale ottico inviato al sensore: intensità, fase, polarizzazione, lunghezza d onda, distribuzione spettrale. Il segnale cosí alterato è trasmesso ad un detector che registra queste variazioni con continuità. Nel grafico rappresentato in Fig. 1.4 è possibile osservare le percentuali di utilizzo dei sensori in fibra ottica OFS in diversi campi di applicazione e misurazione come ad esempio temperatura, pressione, deformazione, vibrazione, spostamento, accelerazione ecc. 3