Docente/i: Silvano Donati  

Denominazione del corso: Strumentazione optoelettronica e biofotonica()
Codice del corso: 503274
Corso di laurea: Ingegneria Elettronica
Sede: Pavia
Settore scientifico disciplinare: ING-INF/01
L'insegnamento è caratterizzante per: Ingegneria Elettronica
Crediti formativi: CFU 9
Sito web del corso: http://www-3.unipv.it/donati/; http://www-3.unipv.it/me
rlo/optobio.html

Obiettivi formativi specifici

Fare acquisire la capacita' di analizzare dapprima, e poi progettare ed ideare, la strumentazione basata sull'impiego dei laser e delle sorgenti ottiche per misure di ambito industriale e biologico/medicale. Si tratta di una capacita' altamente richiesta nella professione di ingegnere optoelettronico, in quanto sta alla base dei successi applicativi gia' largamente dimostrati (quali ad es. interferometri, giroscopi, velocimetri, ecc.) e rappresenta la sintesi delle cognizioni acquisite durante tutto il curriculum degli studi di ingegneria elettronica

Programma del corso

il corso e' strutturato in due parti: la prima verte sulla strumentazione di misura optoelettronica, coprendo gli aspetti di base e le applicazioni industriali, la seconda fa seguito con la trattazione degli strumenti e delle applicazioni biologiche e medicali

Strumentazione di allineamento e puntamento
Limiti di diffrazione e M-2, minima macchia focalizzabile, ottiche di proiezione per minimizzare la dimensione alle varie distanze. Applicazioni alla cantieristica e alla guida automatica. Effetti turbolenza atmosferica. Cenno ai problemi sicurezza nell'uso allineamenti laser. Livelle laser, posizionamento manuale o automatico, applicazioni all'edilizia e all'agricoltura.

Strumentazione per diffrazione
Sensore di diametri senza contatto: principio di funzionamento e sviluppo di strumenti per applicazioni industriali (misura di diametri fili trafilati, fibre, ecc.). Granulometri per titolazione diametri polveri di uso industriale (ceramiche, cementi, silicati, ecc.: principio di funzionamento e sviluppo di strumenti. Metodi LAELS, SEAS, DSSA.

Telemetria Laser
Telemetri per misure di distanze: a triangolazione e a tempo di volo. Sviluppo strumenti per triangolazione, nomogramma progetto e valutazione prestazioni. Telemetri a tempo di volo: ad impulsi e a modulazione sinusoidale. Equazioni di sistema, accuratezza, distanza, potenza, rumore. Analisi dettagliata limiti di prestazione. Accuratezza in forma canonica (L su radice di N). Sviluppo strumentale telemetro ad impulsi, circuiti di rivelazione, misura di tempo, aggiustamento fattore di scala. Telemetro a onda sinusoidale, problema dell'ambiguita'. Metodi a scansione in frequenza e a multi-frequenza. Sviluppi strumantali. Strumenti derivati: il LIDAR:

Interferometria Laser
Principio di funzionamento dell'interferometro laser. Conteggi di frangia e frazioni di frangia. Interferometri per misura di spostamenti: configurazione base a conteggi di quarti d'onda, estensione della risoluzione con trattamento analogico e digitale. Correzione dell’indice rifrazione, analisi dei limiti fisici (limite quantico e suo calcolo, coerenza temporale, errori di speckle-pattern, errori ciclici, limite termodinamico). Vibrometri per l’industria e la diagnostica strutturale, sviluppi strumentali per differenti prestazioni di sensibilita' e dinamica. Configurazioni interferometriche: esterna, interna, a modulazione indotta. Caratteristiche e applicazioni dell'interferometro a modulazione indotta. Speckle pattern: proprietà statistiche. Strumentazione a speckle-pattern per il rilievo di vibrazioni e deformazioni.

Velocimetria Doppler
Velocimetri Doppler per misure di velocita' in fluidi (aeriformi - camere a vento, e liquidi - condotte in moto laminare e turbolento). Principio di funzionamento, fattore di scala, campo di misura, varianti di configurazione ottica. Processing del segnale rivelato: per conteggio di frange e per trasformate di Fourier. Sviluppi strumentali: parte elettronica e configurazioni ottiche, analisi delle prestazioni, campi ed esempi di applicazione.

Giroscopi optolettronici
L'effetto Sagnac, sua valutazione e requisiti di misura per il sensore. Campi di applicazione dei giroscopi per: piattaforme inerziali, guida automatica, girobussole, azionamenti robotizzati. Versioni di giroscopi: a laser HeNe e a fibra ottica. Sviluppo del giroscopio HeNe con Zeeman e dither per superare il locking: analisi dettagliata, sviluppo parte elettronica e ottica del dispositivo. Prestazioni. Giroscopio a fibra ottica: il requisito della reciprocita' e sua realizzazione mediante la configurazione FOG anello aperto. Fibre HiBi, modulatori e accoppiatori del FOG. La sorgente SLED. Giroscopio in versione serrodina a circuito chiuso. Il FOG risonante. Tecnologie per i giroscopi integrati. Altre tecnologie: giroscopi MEMS, piezolettrico e a fascio ionico.

Sensori a Fibra Ottica
Classificazione dei FOS: a effetti diretti/indiretti, a lettura di intensita'/polarizzazione / interferometrica. FOS ad intensita' per misure di temperatura, pressione, forze, e indice di rifrazione. Sensori a lettura polarimetrica, lineare e circolare, configurazione ottica per la lettura ad alta linearita' e dinamica. Applicazione alla misura di forze e alla misura di correnti (effetto Faraday). Sensori interferometrici, sensibilita' delle fibre ai diversi missurandi. Riduzione della cross-sensitivity mediante opportuno rivestimento. Sensori a multiplazione e sensori distribuiti. Sensori di sforzo e temperatura mediante SBS.

Biofotonica
Misure per assorbimento e fluorescenza e loro applicazioni in campo biomedico. Spettrofotometria. Meccanismi di interazione fra radiazione laser e tessuti biologici. Sensori ottici e a fibra per diagnostica e monitoraggio in campo biomedico. Biosensori ottici a coloranti, biosensori ottici “label-free” (SPR, reticoli, cristalli fotonici). Citofluorimetria a flusso. Flussimetria Laser-Doppler. Fotopletismografia e ossimetria. Tomografia ottica coerente.

Esercitazioni
Telemetri, interferometri, LDV

Prerequisiti

Prerequisiti sono i Corsi di Elettronica e Fotonica, ovvero una preparazione con buone basi sia di elettronica che di sorgenti laser e componenti associati

Tipologia delle attività formative

Lezioni (ore/anno in aula): 55
Esercitazioni (ore/anno in aula): 12
Attività pratiche (ore/anno in aula): 12

Materiale didattico consigliato

S. Donati. Electrooptical Instrumentation. Prentice Hall.

S. Merlo. Appunti delle lezioni di Biofotonica.

Modalità di verifica dell'apprendimento

un esame scritto con 10 domande (durata 2 ora) piu' un colloquio orale (durata 30 minuti)