Le potenzialita' nascoste di un sensore in fibra ottica

L'utilizzo di una sorgente laser e lo sviluppo di tecniche ottiche avanzate permettono di estrarre da un semplice tratto di fibra ottica informazioni prima impensabili. Questa tipologia di sistemi sensoriali potrà aprire nuove strade verso il monitoraggio dell'ambiente, di aree a rischio sismico, di edifici o di processi industriali.
Di Gianluca Gagliardi, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto Nazionale di Ottica (INO) Unità operativa di Napoli

Verso la fine del secolo scorso, le fibre ottiche hanno rappresentato un volano eccezionale per il settore delle telecomunicazioni, cambiando in maniera radicale il mondo in cui viviamo.

L’invenzione delle fibre ottiche è universalmente riconosciuta come un passo scientifico e tecnologico fondamentale, culminato nel 2009 con l’assegnazione a Charles K. Kao del premio Nobel per la fisica.

Una fibra ottica è in realtà un oggetto di grande semplicità, costituito da un capillare di silice pura (vetro) di spessore circa pari a quello di un capello.

Le proprietà di trasparenza e la capacità di confinamento della luce, nell’intervallo spettrale del vicino infrarosso (1-1.6 micron in lunghezza d’onda), consentono la trasmissione quasi indisturbata di segnali per decine, centinaia di chilometri. La robustezza meccanica, le piccole dimensioni e l’immunità delle fibre alle interferenze elettromagnetiche le hanno rese ideali come ‘cavi ottici’ per le telecomunicazioni a grande distanza, rimpiazzando quasi totalmente altre modalità di trasmissione.

Sin dalle prime fasi storiche di produzione dei cavi in fibra ottica, negli anni ’70, si affacciarono in campo scientifico nuove tipologie di dispositivi basati sulla propagazione guidata: tra questi i reticoli di Bragg in fibra, anche detti FBG (“Fiber Bragg Grating”), e con essi vari altri sistemi realizzabili a partire da singole unità in fibra ottica o da architetture leggermente più complesse. Tali dispositivi possono essere fabbricati con lunghezze dell’ordine del centimetro mediante tecniche standard che non modificano in maniera significativa la struttura e le caratteristiche ottiche-meccaniche della fibra stessa. Per molti di questi dispositivi, la funzione principale è quella di filtri ottici o sensori.

Un sensore in fibra ottica, come un FBG o un piccolo risonatore fatto da più FBG, è in grado di rivelare piccolissime deformazioni e/o variazioni di temperatura che avvengono sul tratto di fibra dove sono localizzati, lungo pochi centimetri appunto.

Per diversi anni i singoli FBG sono stati adottati come sensori termo-meccanici: con poco sforzo, adoperando sorgenti di luce infrarossa a largo spettro di emissione (come lampade, LED o altre sorgenti ad emissione spontanea), un sensore del genere può misurare variazioni relative di lunghezza di poche parti per milione e variazioni di temperatura locale inferiori al millesimo di grado [1]. La loro rapida risposta meccanica e dimensione quasi puntuale li rende inoltre particolarmente adatti alla misura di deformazioni dinamiche e quindi di vibrazioni e accelerazioni a frequenze nel range acustico e ultrasonico, con la possibilità di misure non invasive e non distruttive, in ambienti pericolosi o di difficile accesso.

La gamma di applicazioni di questi sensori è vastissima ed è stata ampiamente esplorata negli ultimi due decenni, per settori quali l’ingegneria strutturale e la geofisica. Tuttavia, le prestazioni complessive in termini di risposta in frequenza e di sensibilità, o per essere più espliciti, di capacità di rivelazione, possono andare ben al di là di quanto dimostrato con gli schemi convenzionali. Tali schemi presentano infatti limiti intrinseci legati al rumore, di varia natura, presente nella fase di rivelazione dei segnali ottici e alle instabilità proprie delle sorgenti luminose.

I margini possono essere enormemente estesi attraverso l’utilizzo di metodologie d’interrogazione e lettura basate su sorgenti laser e tecniche di derivazione spettroscopica. La spettoscopia di alta precisione e la metrologia ottica di frequenza, altro settore in grande sviluppo dall’inizio del nuovo millennio, possono fornire alla sensoristica ottica nuovi strumenti che consentono di estrarre le informazioni desiderate alla massima possibile sensibilità e con caratteristiche di rumore quasi ideali. I ricercatori del laboratorio ‘Sensori Ottici’, presso l’Unità di Napoli del CNR-Istituto Nazionale di Ottica (INO), hanno sviluppato un estensimetro-vibrometro-geofono ultrasensibile basato su uno speciale sensore di frequenze ottiche (“Optical frequency Comb”) che funge da riferimento, dimostrando risoluzioni dell’ordine di 10–13 Hz–1/2 da frequenze audio fino a quelle infrasoniche [2].

La sua sensibilità ultima è apparentemente influenzata dalle sole fluttuazioni termodinamiche proprie della fibra ottica. Il sensore è costituito da un risonatore ottico interno alla fibra formato da una coppia di FBG altamente riflettenti. Esso viene interrogato da un diodo laser preventivamente stabilizzato sul pettine di frequenze a sua volta riferito ad un oscillatore al quarzo ultrastabile. Gli spostamenti delle risonanze della cavità in fibra, risultanti da eventuali perturbazioni meccaniche, vengono trasformate in variazioni di frequenza rispetto alla frequenza di riferimento del pettine. Il gruppo ‘Sensori Ottici’ dell’INO ha continuato il lavoro svolto per l’ottimizzazione dei sensori basati su risonatore in fibra nella direzione di dimostrarne l’applicabilità in alcuni casi concreti.

In figura 1, viene mostrato il segnale di uscita di un sistema sperimentale realizzato presso CNR-INO in cui una coppia di sensori in fibra viene incollata all’interno di un cilindro che funge da antenna meccanica: la sua deformazione viene trasferita ai sensori e le componenti del vettore accelerazione nel piano orizzontale vengono rivelate e misurate separatamente [3].

Il confronto con un sismometro commerciale (EpiSensor) ha confermato la risposta attesa dai sensori ottici che risultano competitivi con la strumentazione esistente. La figura 2 è una foto che ritrae una chitarra realizzata con un sensore in fibra ottica all’interno della cassa, in modo che questo possa misurarne le vibrazioni prodotte dal suono strumentale. Il confronto con un ‘pick-up’ di tipo piezoelettrico o magnetico ha dimostrato la superiorità del sensore in fibra in termini di purezza spettrale.

I livelli di sensibilità e precisione raggiunti così come la versatilità propria dei sistemi in fibra, nelle varie versioni implementate, consentiranno di progettare una nuova generazione di sensori finalizzati alla misura di quantità fisiche fondamentali per le più svariate applicazioni, dalla sismometria avanzata al monitoraggio in campo aerospaziale e alle nanotecnologie.


Riferimenti bibliografici 

  1. Y. J. Rao, In-fibre Bragg grating sensors, Meas. Sci. Technol. 8, 355-375 (1997).
  2. G. Gagliardi, M. Salza, S. Avino, P. Ferraro, P. De Natale, Probing the Ultimate Limit of Fiber-optic Strain Sensing, Science 330, 1081-1084 (2010).
  3. G. Gagliardi, M. Salza, P. Ferraro, P. De Natale, A. Di Maio, S. Carlino, G. De Natale and E. Boschi, Design and test of a laser-based optical-fiber Bragg-grating accelerometer for seismic applications, Meas. Sci. Technol. 19, 085306 (2008)
  4. S. Avino, J. A. Barnes, G. Gagliardi, X. Gu, D. Gutstein, J. R. Mester, C. Nicholaou, and H.-P. Loock, Musical instrument pickup based on a laser locked to an optical fiber resonator, Opt. Express 19, 25057–25065 (2011)  


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