Idrofoni utilizzanti come sensori cavità laser in fibra ottica

Questo progetto di ricerca ha permesso di costruire per la prima volta in Italia sensori acustici optoelettronici, che utilizzano una cavità laser con reticoli Bragg (il Fiber Bragg Laser: FBL) impiantata su una fibra monomodale per telecomunicazioni. Il segnale acustico è trasformato dal sensore in segnale ottico nella banda di trasmissione della fibra e può viaggiare su di essa con bassissima attenuazione per poi essere analizzato a grande distanza.

A differenza dei trasduttori piezoelettrici correntemente utilizzati quali idrofoni, il nostro trasduttore non richiede dunque alcuna elettronica in prossimità del sensore né necessita di alimentazione elettrica in loco. Anche l’energia di pompa del laser è fornita per via ottica. Esso ha inoltre il pregio di poter utilizzare le note tecnologie di multiplexing sviluppati ai fini delle telecomunicazioni: si può impiantare su un’unica fibra una serie di sensori a distanze opportune ed utilizzare un solo sistema opto-elettronico di interrogazione, locato insieme con il laser di pompa in posizione remota.

Trasduttori ottici puramente passivi, costituiti da singoli reticoli di Bragg fotoincisi su fibra ottica sono utilizzati da lungo tempo come sensori di stress e quindi anche di pressione, monitorando le variazioni della lunghezza d’onda del loro picco di riflessione. In Italia alcuni gruppi di ricerca lavorano su questi trasduttori (e tra gli altri anche il gruppo del IFAC-CNR che è nostro partner nel progetto e che possiede la strumentazione per fotoincidere i reticoli di Bragg). In quanto a sensibilità, questi sensori sono piuttosto grossolani, arrivando ad apprezzare solo variazioni dell’ordine del decimo di atmosfera.

Il tipo di tecnologia da noi adottato dovrebbe permettere, anche alla luce del lavoro sperimentale già eseguito, la realizzazione di schiere di idrofoni elettricamente passivi, immuni da campi elettromagnetici e resistenti ad ambienti chimicamente aggressivi, di piccole dimensioni (il sensore è una porzione di fibra ottica lunga alcuni centimetri e dal diametro esterno di 125 µm), con elevato range dinamico e sensibilità di molti ordini di grandezza migliori di quelle dei singoli reticoli Bragg, confrontabili o migliori di quelle dei sensori piezoelettrici. Si prevede di poter rivelare, a costi contenuti con interrogazione in remoto ed rivelazione in multiplexing, un segnale acustico di intensità pari al livello di fondo del rumore in mare calmo (che è dell’ordine del mPa) in una banda fino a 100 kHz, nella quale la lunghezza di attenuazione del segnale acustico in acqua è maggiore del chilometro.

La cavità ottica di un FBL consiste in una porzione di fibra singolo modo drogata all’erbio (vedi figura) compresa tra due reticoli di Bragg, fotoincisi su di essa, facenti la funzione di specchi selettivi in lunghezza d’onda. Se pompata con una radiazione a 980 nm, questa struttura si comporta come una cavità Fabry-Perot attiva, con picco di emissione a ~ 1530 nm, determinato dalla curva di guadagno dell’erbio e dalla geometria della cavità. Variazioni della lunghezza della cavità Fabry-Pérot determinano variazioni della lunghezza d’onda d’emissione del laser e danno la misura dello strain, della pressione o della temperatura.

I laser che abbiamo realizzato hanno lunghezze di pochi centimetri ed emettono in singolo modo con una larghezza di banda strettissima (< 5 kHz rispetto ad una frequenza ottica di ≈200 THz) ed una potenza dell’ordine del milliwatt. Le variazioni della lunghezza d’onda d’emissione del laser vengono trasformate da un interferometro di Mach-Zender in variazioni di fase, amplificandole di un fattore pari al rapporto tra lo sbilanciamento tra le lunghezze dei due rami dell’interferometro e la lunghezza d’onda l, che grazie all’elevata coerenza dell’emissione laser può superare 10⁸. Per rivelare onde di pressione di ampiezza dell’ordine del mPa occorre misurare variazioni di lunghezza d’onda dell’ordine di 10-8 pm ovvero misurare sfasamenti dell’interferometro di 1 mrad.