Il laser a fibre ottiche a fluoruri rappresenta un'importante possi-bilità di applicazione della tecnologia delle fibre ottiche per l'infra-rosso. Questo dispositivo converte la luce laser dal blu-verde all'in-frarosso. Una «matassa» di fibra di vetro a fluoruri di metallipesanti, drogata con neodimio, è collocata fra due specchi (le strut-ture cilindriche a destra e a sinistra). La luce blu-verde stimola gli

ioni neodimio, che emettono luce infrarossa. Questa luce percorreripetutamente la fibra ed è riflessa dagli specchi posti alle estremità,così da venire amplificata. Uno degli specchi è parzialmente tra-sparente e lascia uscire parte della radiazione infrarossa. Questaapparecchiatura è stata costruita presso i GTE Laboratories, Inc.,da William J. Miniscalo, Leonard Andrews e Barbara Thompson.

Fibre ottiche per l'infrarosso

Nuove fibre ottiche molto più trasparenti e in grado di trasmettere luce dilunghezza d'onda maggiore rispetto alle fibre di silice sono allo studioper essere applicate alle comunicazioni, alla diagnostica medica e ai laser

di Martin G. Drexhage e Cornelius T. Moynihan

che nel nucleo, quest'ultimo ha indice dirifrazione più elevato. Quando la lucepassa da un mezzo con indice di rifrazio-ne elevato a uno con indice di rifrazionepiù basso, viene in parte riflessa e in par-te trasmessa. La frazione di luce tra-smessa dipende sia dall'angolo di inci-denza, sia dalla differenza fra gli indicidi rifrazione dei due materiali.

Scegliendo opportunamente la diffe-renza fra gli indici di rifrazione del nu-cleo e del mantello e regolando il diame-tro del nucleo, è possibile migliorare l'ef-fetto di guida, in modo che i segnali lu-minosi restino focalizzati e tutte le lorocomponenti giungano al ricevitore si-multaneamente (si veda l'articolo Le co-municazioni su fibre ottiche di J. S. Cookin «Le Scienze» n. 66, febbraio 1974). Setutto va bene, parte della luce emessa

dalla sorgente emerge all'altro capo delnucleo della fibra e illumina il ricevitore,che di solito è un rivelatore fotosensibileche fa parte di un circuito integrato.

Ache se la luce è entrata nella fibraed è stata guidata lungo il nucleo,

effetti di diffusione e di assorbimento in-terni possono ostacolarne la propagazio-ne e attenuare il segnale. In un solidotrasparente la luce viene attenuata pereffetto di tre processi indipendenti cheavvengono nel materiale: assorbimentoelettronico, diffusione della luce e assor-bimento vibrazionale. Benché l'entità diquesti tre fenomeni possa variare da unmateriale all'altro, essi si presentano intutti i solidi trasparenti.

L'assorbimento elettronico è respon-sabile dell'attenuazione alle piccole lun-

ghezze d'onda. In ultima analisi una fi-bra è composta di atomi collegati tra lorodagli elettroni che costituiscono il lega-me chimico. Se nella fibra entra un'ondaluminosa di energia adeguata, essa puòvenire assorbita dagli elettroni di legamee poi venir dissipata sotto forma di calo-re. Poiché a piccole lunghezze d'ondacorrispondono elevate energie di legamechimico, la radiazione di piccola lun-ghezza d'onda sarà assorbita più inten-samente di quanto avviene per quella digrande lunghezza d'onda.

La diffusione è responsabile dell'atte-nuazione della luce a lunghezze d'ondapiù elevate. Una forma frequente di dif-fusione intrinseca della luce è la diffusio-ne di Rayleigh, che si presenta nei liqui-di, nei gas e in molti solidi, tra cui i vetri.La diffusione nasce da variazioni localiz-

T

emila anni fa i vetrai egiziani fog-giarono un pesce di vetro opacocon la testa blu, le squame bian-

che e le pinne gialle. Fu l'aggiunta inten-zionale di ossidi metallici al vetro a basedi silice (cobalto per ottenere il blu, sta-gno per il bianco e antimonio per il gial-lo) a conferire al pesce quei colori. Tut-tavia, dato che le materie prime conte-nevano già tracce di queste e altre impu-rezze metalliche, gli antichi egizi non fu-rono mai in grado di ottenere vetro com-pletamente trasparente.

Nel corso dei secoli, grazie ai progressidella scienza chimica e all'introduzionedi tecniche di fabbricazione migliori, al-tri artigiani riuscirono a ottenere vetrotrasparente. Per dare un'idea di questiprogressi, diremo che le lenti miglioridell'inizio del nostro secolo sono 10 000volte più trasparenti dei primi vetri fab-bricati nell'antico Egitto.

Dopo gli anni sessanta, la trasparenzadel vetro è stata ulteriormente incre-mentata di un fattore 10 000 grazie a unatecnica di raffinazione che fornisce bios-sido di silicio puro: è questa tecnica cheha consentito di fabbricare le fibre otti-che. Oggi è possibile trasmettere conver-sazioni telefoniche, dati di calcolatori eimmagini televisive sotto forma di im-pulsi luminosi che si propagano attraver-so fibre di vetro silicatico, estremamentetrasparenti.

Nel 1979 le fibre ottiche fatte di vetrodi silice o a base di silice raggiunsero iloro limiti di trasparenza. Sta ora na-scendo una seconda generazione di ma-teriali per fibre ottiche. Tali materiali,che sono in grado di trasmettere luce in-frarossa di lunghezza d'onda maggiore,appartengono a tre categorie: cristallicontenenti alogenuri, vetri calcogenuricie vetri a fluoruri di metalli pesanti.

Tutti questi materiali ottici per l'infra-rosso dovrebbero possedere una traspa-renza superiore a quella ottenibile con ivetri silicatici e sono ora in fase di col-laudo in vista di molteplici applicazioni.Le fibre ottiche per l'infrarosso possono

trasmettere semplici immagini infraros-se o informazioni sulla temperatura dioggetti remoti. Le fibre possono fungereda canali flessibili per il trasporto dell'e-nergia generata da laser capaci di taglia-re, saldare oppure perforare componen-ti industriali. Queste fibre sono stateusate anche per trasmettere energia la-ser infrarossa con lo scopo di sciogliere,negli animali, le placche che ostruisconole àrterie, procedimento che potrebbeentro breve tempo diventare un'alterna-tiva normale agli interventi chirurgici diby-pass coronarico e all'angioplasticacon catetere a palloncino.

Le applicazioni delle fibre ottiche perl'infrarosso hanno destato molto interes-se anche nell'industria delle telecomuni-cazioni. Se verrà raggiunto il loro limitedi trasparenza, le fibre per l'infrarossopresenteranno un evidente vantaggiosulle altre fibre ottiche, che permettonodi trasmettere lunghezze d'onda inferio-ri. Quando una sorgente luminosa inviaun segnale a un ricevitore attraverso unafibra, parte della potenza emessa dallasorgente viene dissipata prima che il se-gnale giunga al ricevitore. Anzi, nellapiù sfavorevole delle ipotesi, il segnalepuò subire un'attenuazione tale da an-dare perduto, cadendo al di sotto del li-vello di sensibilità del ricevitore. I segna-li che vengono trasmessi lungo grandi di-stanze debbono essere periodicamenteamplificati da rigeneratori, e la fabbrica-zione, il funzionamento e la manuten-zione di questi apparecchi comportanocosti notevoli. I segnali trasmessi me-diante le fibre di silice attualmente incommercio debbono essere rigeneratiogni 10-50 chilometri e i segnali trasmes-si mediante cavi di rame ogni 4-6 chilo-metri. Nei sistemi di comunicàzione chesono basati sulle fibre ottiche per l'infra-rosso, invece, la distanza fra i rigenera-tori potrebbe essere di centinaia e forsedi migliaia di chilometri.

Per conseguire questo obiettivo e persviluppare nuove tecnologie relative al-l'impiego di fibre su brevi distanze, i ri-

cercatori hanno esaminato numerosi ve-tri e cristalli che risultano essere traspa-renti nelle lunghezze d'onda dell'infra-rosso. Dopo un attento studio della lorostruttura fondamentale e delle forze in-teratomiche che guidano e attenuano laluce che viaggia attraverso una fibra, icandidati più promettenti sono risultatii cristalli contenenti alogenuri , i vetri cal-cogenurici e i vetri a fluoruri di metallipesanti.

Tutte le onde luminose che si propa-gano in una fibra ottica vengono ge-

nerate da una sorgente, che di solito è unlaser o un diodo a emissione luminosa.La sorgente è collocata presso una delledue estremità della fibra. La fibra è co-stituita da due cilindri concentrici: il nu-cleo e il mantello. La luce della sorgenteillumina il nucleo. Parte di questa luce sipropaga parallelamente all'asse del nu-cleo, mentre la parte restante entra conuna certa inclinazione e, prima o poi,incide sulla superficie di separazione tranucleo e mantello. La luce che colpiscequesta superficie con un piccolo angolodi incidenza oltrepassa sia la superficie,sia il mantello e viene di solito assorbitada un rivestimento di plastica che ha ilcompito di proteggere la fibra dai dannimeccanici. La luce che invece colpisce lasuperficie di separazione con un grandeangolo di incidenza (cioè in modo raden-te alla superficie stessa) viene riflessa to-talmente nel nucleo. Questa riflessionetotale avviene ripetutamente e guida iraggi luminosi che viaggiano entro lafibra.

La riflessione totale è conseguenza delfatto che la luce, come tutte le altre ondeelettromagnetiche, si propaga a velocitàdiverse nei diversi materiali. La velocitàdi propagazione della luce in un materia-le dipende dal suo indice di rifrazione,cioè dal rapporto fra la velocità della lu-ce nel vuoto (che è la massima velocitàdi propagazione) e la velocità della lucenel materiale in questione. Poiché la lucesi propaga più velocemente nel mantello

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ASSORBIMENTOVIB RAZIONALE

DIFFUSIONE DI RAYLEIGH

ASSORBIMENTOELETTRONICO

BIOSSIDODI SILICIO

SiO2

TETRAFLUORURODI ZIRCONIO

ZrF,

TRISELENIURODI ARSENICO

AsSe3

è I I I I I It 8-15

17-25

44-46

RIFLESSIONE

RIFLESSIONE INTERNA

DIFFUSIONE

L'attenuazione o perdita di potenza in una fibra ottica dipende da diversi fenomeni. Unafibra è costituita da un nucleo, che conduce la luce, e da un mantello, che rinvia nel nucleogran parte della luce che tenderebbe a sfuggire. Una parte della luce attraversa il mantelloe viene assorbita dalla guaina; un'altra v iene perduta all'ingresso, riflessa dall'estremitàdella fibra. Nel nucleo la luce è assorbita dagli atomi del materiale e dalle impurezze; essaè inoltre diffusa da variazioni microscopiche nella composizione o nella densità della fibra,

SEGNALEIN USCITA

MANTELLO

SEGNALEIN INGRESSO

GUAINA

zate dell'indice di rifrazione del materia-le dovute a cambiamenti di densità e dicomposizione. L'intensità della diffusio-ne decresce rapidamente all'aumentaredella lunghezza d'onda e la sua entitàdipende dal materiale. Esperimenti ese-guiti su molti vetri a base di silice indica-no che tra i parametri più importanti chedeterminano l'attenuazione dovuta alladiffusione di Rayleigh vi sono l'indice dirifrazione e la temperatura di transizionevetrosa. Questa temperatura corrispon-de al punto in cui il vetro fuso solidifica,«congelando» le variazioni localizzatedell'indice di rifrazione. I materiali conbassa temperatura di transizione vetrosae basso indice di rifrazione dovrebberomanifestare una piccola diffusione diRayleigh.

L'assorbimento vibrazionale provo-ca attenuazione alle massime lunghezzed'onda. Si tratta di una funzione compli-cata della carica, della massa e delle di-mensioni effettive degli atomi che com-pongono il solido considerato. Un lega-me tra gli atomi di un cristallo o di unvetro può essere considerato una forzadi attrazione tra ioni positivi (cationi) eioni negativi (anioni). Due ioni uniti daun legame chimico vibrano in continua-zione come potrebbe accadere a due pesicollegati da una molla rigida. Se i pesivengono spostati da una forza periodicadi periodo uguale a quello della loro vi-brazione, vi sarà un efficiente trasferi-mento di energia ai pesi, che farà aumen-tare l'ampiezza della vibrazione. Questofenomeno si chiama risonanza. Se i le-gami fra gli atomi di una fibra ottica ven-gono spostati dal passaggio di una lucecon lunghezza d'onda dello stesso valoredi quella di risonanza, l'energia lumino-sa si trasforma in energia vibrazionale epertanto l'intensità del segnale decresce.Quando la lunghezza d'onda trasmessadiviene più piccola della lunghezza d'on-da di risonanza caratteristica del mate-riale, l'assorbimento vibrazionale decre-sce e il materiale diviene più trasparente.

La lunghezza d'onda di risonanza di-

pende dalla forza dei legami e dalla mas-sa ionica, e tende a essere piccola quan-do la massa della coppia ionica è piccolae il legame interatomico è forte. Peresempio nel biossido di silicio ciascun ca-tione silicio è circondato da quattro anio-ni ossigeno. Tra il silicio e l'ossigeno illegame è molto forte e la massa comples-siva dei due ioni è piccola rispetto a quel-la degli ioni di altre fibre ottiche per l'in-frarosso. Pertanto nell'infrarosso si haun assorbimento notevole a piccole lun-ghezze d'onda e il biossido di silicio puòtrasmettere luce solo fino a una lunghez-za d'onda di 2,5 micrometri circa.

Nella disordinata compagine atomicache è tipica dei vetri (ma anche nel reti-colo ordinato dei cristalli) l'assorbimen-to vibrazionale si manifesta gradualmen-te a mano a mano che ci si avvicina allalunghezza d'onda di risonanza. Ciò dàluogo a quello che si chiama limite diassorbimento vibrazionale del materia-le. Si osserva che, per molte sostanze,l'intensità dell'assorbimento in questaregione decresce esponenzialmente aldiminuire della lunghezza d'onda.

J:assorbimento elettronico, la diffusio-ne di Rayleigh e l'assorbimento vi-

brazionale sono tutte forme di perditeintrinseche, cioè inerenti al materiale.Conoscendo le proprietà intrinseche sipossono fare previsioni relative alla mas-sima trasparenza raggiungibile in un de-terminato solido. Nella scelta dei mate-riali si deve tener conto anche delle per-dite estrinseche, che derivano dalla con-taminazione e da una lavorazione inade-guata. Tra i fattori estrinseci possiamoelencare l'assorbimento dovuto alle im-purezze del materiale, la diffusione dellaluce dovuta a polveri grossolane o a bol-le, le variazioni del diametro della fibrae le deviazioni locali rispetto all'indice dirifrazione desiderato.

Le perdite totali di potenza dovute afattori intrinseci ed estrinseci sono rap-presentate da un coefficiente di attenua-zione. Questo coefficiente è espresso in

decibel al chilometro. Se una fibra haun'attenuazione pari a un decibel al chi-lometro, allora 10 watt di potenza otticaimmessi in un tratto di fibra lungo unchilometro daranno in uscita un valoredi 7,9 watt. Una finestra di vetro comuneha un'attenuazione pari a parecchie mi-gliaia di decibel al chilometro. Nei siste-mi di comunicazione ottici si richiedeche le perdite siano mantenute al livellodi un decibel al chilometro per fibre lun-ghe 50 chilometri; per collegamenti piùlunghi si richiede una riduzione delleperdite a un valore di 0,01 decibel al chi-lometro. Se i vetri da finestra possedes-sero questo grado di trasparenza, sareb-be possibile vedere attraverso una fine-stra di 200 chilometri di spessore.

In un materiale per fibre ottiche, ac-canto alla bassa attenuazione si devonotenere presenti anche altre caratteristi-che. Il materiale ideale dovrebbe essereresistente, flessibile, semplice da fabbri-care e inattaccabile da agenti chimici.Purtroppo una bassa attenuazione tendea essere incompatibile con buone carat-teristiche strutturali. Molte delle pro-prietà che favoriscono la trasparenza alleelevate lunghezze d'onda - per esempiobassa temperatura di transizione vetro-sa, legami interatomici deboli, anionipiù pesanti dell'ossigeno - danno spessomateriali con proprietà fisiche e chimi-che e comportamento meccanico indesi-derabili. Esistono tuttavia alcuni mate-riali cristallini e vetrosi che offrono unabuona trasparenza alle elevate lunghez-ze d'onda e che permettono di raggiun-gere compromessi accettabili. Questimateriali particolari possono trasmette-re segnali di lunghezza d'onda infrarossacon una diffusione di Rayleigh e un as-sorbimento elettronico modesti. Quin-di, in teoria, la loro trasparenza può es-sere portata a livelli superiori a quellidelle fibre di silice.

L'attenuazione più bassa finora otte-nuta in fibre di silice è di 0,2 decibel alchilometro, relativamente alla lunghez-za d'onda di 1,5 micrometri. Ciò è inottimo accordo con il limite intrinseco ditrasparenza previsto per i vetri silicaticisulla base della diffusione di Rayleigh,dell'assorbimento elettronico e del limi-te di assorbimento vibrazionale associa-to al legame silicio-ossigeno. Questobasso livello di attenuazione è stato ot-tenuto grazie a un'accurata lavorazionedel vetro e della fibra, con cui si sonopraticamente eliminate tutte le cause diperdite estrinseche.

Pr ottenere trasparenze superiori a

1 quelle raggiungibili nelle fibre silica-tiche, i nuovi materiali - scelti in base allecaratteristiche di attenuazione intrinseca- debbono essere raffinati per ridurre alminimo i fattori di attenuazione estrin-seci. Queste nuove fibre saranno impie-gate nell'infrarosso, a lunghezze d'ondasuperiori a due micrometri.

I materiali cristallini costituiscono laprima categoria di sostanze capaci di for-

nire buone fibre ottiche per l'infrarosso.In teoria, molti cristalli a due componen-ti - bromuro d'argento, seleniuro di zin-co, zaffiro e anche cloruro di sodio - han-no una bassa attenuazione intrinseca. Inpratica, tuttavia, quando si vogliono ot-tenere fibre ottiche monocristalline digrande lunghezza s'incontrano parec-chie difficoltà. Le velocità di accresci-mento delle fibre monocristalline sonomolto basse, spesso di pochi centimetrial minuto. Questa bassa velocità accre-sce la probabilità che il diametro dellafibra vari. La fabbricazione, in unica fasedi lavorazione, di una vera e propriastruttura di fibra ottica, con un nucleo aindice di rifrazione elevato e un mantelloa indice di rifrazione inferiore, si è dimo-strata difficoltosa.

Molto più promettenti sono i materialipolicristallini, specie quelli basati suglialogenuri di tallio o di argento. È statastudiata con molta attenzione una fibracomposita di tallio, bromo e iodio. È ve-ro che l'elevato indice di rifrazione delcristallo di alogenuro di tallio (circa 2,7)indica che esso potrebbe manifestareuna diffusione di Rayleigh elevata, tut-tavia un limite vibrazionale situato nellazona dell'infrarosso lontano consente diusare una luce alla cui lunghezza d'ondacorrisponde una diffusione di Rayleighmeno cospicua. In teoria si potrebberofabbricare monocristalli di alogenuro ditallio dotati di un fattore di attenuazioneinferiore a 0,01 decibel al chilometro,per lunghezze d'onda intorno ai sette mi-crometri. Tuttavia nel processo di fab-bricazione il materiale acquisisce unastruttura granulare e policristallina chediffonde la luce. Questi effetti di diffu-sione estrinseci, accoppiati con l'assor-bimento dovuto alle impurezze, fanno sìche l'attenuazione delle fibre policristal-line di alogenuro di tallio vari tra 150 e400 decibel al chilometro. Questo livellomoderato di attenuazione è peraltromantenuto su una gamma di lunghezzed'onda piuttosto estesa, dai sei ai 15 mi-crometri circa.

L'alogenuro di argento, un materialepolicristallino affine, è fatto di argento,bromo e cloro. Abraham Katzir, dell'U-niversità di Tel Aviv, ha prodotto fibrela cui attenuazione è inferiore a circa1000 decibel al chilometro a lunghezzed'onda di oltre i sei micrometri. Comegli alogenuri di tallio, le fibre di aloge-nuro di argento possono trasmettere laluce, di lunghezza d'onda pari a 10,6 mi-crometri, generata da un laser ad anidri-de carbonica. Quindi il materiale si pre-sta bene per le applicazioni che richiedo-no la trasmissione della potenza del la-ser, per esempio la chirurgia laser.

I vetri calcogenurici, che costituisco--L no la seconda categoria di materialiper le fibre trasparenti all'infrarosso,vengono fabbricati combinando metallicon gli elementi più pesanti della fami-glia dell'ossigeno: i calcogeni zolfo, se-lenio e tellurio.

ULTRA- VISIBILE

INFRAROSSOVIOLETTO

LUNGHEZZA D ONDA

L'attenuazione intrinseca della luce nelle fibre è dovuta a tre meccanismi. L'assorbimentoelettronico consuma energia quando luce di piccola lunghezza d'onda eccita gli elettronidi legame degli atomi. L'assorbimento vibrazionale si presenta quando luce di lunghezzad'onda elevata fa vibrare gli atomi del materiale. A lunghezze d'onda intermedie nessunodei due meccanismi è significativo, ma la diffusione di Rayleigh è causata da variazioni didensità o di composizione. Questi meccanismi determinano la curva di attenuazione.

LUNGHEZZAMASSA

MASSA D ONDAMATERIALE DEL CATIONE

DELL ANIONE (MICROMETRI)

I materiali vetrosi assorbono la luce mediante vibrazioni atomiche. La lunghezza d'ondacui corrisponde il massimo assorbimento vibrazionale è determinata dalla massa atomicae dalla forza del legame. Questa lunghezza d'onda cresce al crescere della massa e aldecrescere della forza di legame fra gli ioni. Quindi il tetrafluoruro di zirconio, uno deicomponenti più importanti del vetro a fluoruri di metalli pesanti, e il triseleniuro diarsenico, un calcogenuro, danno la massima attenuazione dei segnali nella regione dell'in-frarosso lontano. Gli ioni silicio e ossigeno hanno masse minori e un legame più forte,perciò il biossido di silicio dà la massima attenuazione nella regione dell'infrarosso vicino.

82

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Le microstrutture granulari dei cristalli di alogenuro di tallio diffondono una frazionecospicua della luce che si propaga nella fibra. Pertanto queste fibre presentano attenuazioni1000 volte maggiori di quelle di silice benché in teoria i monocristalli di alogenuro di tallioabbiano un'elevata trasparenza. Le fibre di alogenuro di tallio possono trasmettere energialaser per applicazioni chirurgiche. Questa fibra, del diametro di 75 micrometri, è statacostruita da James A. Harrington quando lavorava agli Hughes Research Laboratories.

10-4 I I I I J I I I I I I l I I I I I I I I 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

1,0 1,5 2.0 2,5

LUNGHEZZA D'ONDA (MICROMETRI)

I vetri a fluoruri di metalli pesanti sono i più promettenti per la fabbricazione di fibreottiche a bassa attenuazione. La curva spezzata (in alto) riporta le misurazioni dell'atte-nuazione per quattro diversi intervalli di lunghezze d'onda. L'attenuazione minima deicampioni era di 4,3 decibel al chilometro. Dalla curva punteggiata si vede che la minimaattenuazione raggiungibile è prossima a 0,01 decibel al chilometro. La discrepanza fraquesta previsione teorica e le misurazioni è dovuta alla diffusione e all'assorbimento in-trinseci. La curva continua (in basso) descrive la regione di bassa attenuazione di una fibrapreparata da Paul W. France ai British Telecom Research Laboratories. Intorno allalunghezza d'onda di un micrometro vi è una perdita causata dall'assorbimento elettronicodovuto a contaminanti metallici. I due picchi dell'attenuazione sono attribuiti al rame e alcromo che, insieme con altre impurezze metalliche, hanno una concentrazione di circa 85parti per miliardo nel vetro. Gli ioni ossidrile (dovuti all'umidità durante la fabbricazione)assorbono fortemente la luce intorno ai tre micrometri. Una concentrazione di ioni ossidriledi una parte per milione può dare un'attenuazione di 10 000 decibel al chilometro.

3,0 3,5

LUNGHEZZA D'ONDA (MICROMETRI)

10'' —

10-2

Le proprietà dei vetri calcogenuricisono compendiate dal bisolfuro di arse-nico e dal triseleniuro di arsenico. L'as-sorbimento elettronico del trisolfuro diarsenico cade nel centro dello spettro vi-sibile e quello del triseleniuro di arsenicocade nell'infrarosso vicino. Perciò il ve-

tro al trisolfuro di arsenico è rosso equello al triseleniuro di arsenico è neroopaco.

Questi materiali hanno indici di rifra-zione elevati (fra 2,4 e 2,7) e temperatu-re di transizione vetrosa basse (fra 150 e175 gradi Celsius circa); perciò hanno

una diffusione di Rayleigh modesta. Iltrisolfuro di arsenico è trasparente a lun-ghezze d'onda di circa 10 micrometri,mentre il vetro al selenio, che ha pesoatomico più che doppio rispetto allo zol-fo, permette trasmissioni a lunghezzed'onda di circa 14 micrometri.

Al contrario dei materiali mono e po-licristallini, i vetri calcogenurici possonoservire facilmente per fabbricare fibreottiche aventi nucleo, mantello e diame-tro adeguati a strutture lunghe molti chi-lometri. Tra le migliori fibre calcogenu-riche vi sono quelle al trisolfuro di arse-nico ottenute in Giappone da TerutoshiKanamori, della Nippon Telegraph andTelephone Public Corporation. Un'atte-nuazione minima di 35 decibel al chilo-metro è stata ottenuta alla lunghezzad'onda di 2,4 micrometri, benché il limi-te intrinseco previsto per queste fibre siadi 0,01 decibel al chilometro alla lun-ghezza d'onda di 5 micrometri. Le per-dite sono dovute in gran parte alla con-taminazione da parte di molecole d'ac-qua e di altre impurezze contenenti idro-geno. Un problema più grave che pre-sentano le fibre calcogenuriche è la pos-sibilità di un forte assorbimento elettro-nico intrinseco alle lunghezze d'ondadell'infrarosso, dovuto a difetti struttu-rali del vetro, che può portare l'attenua-zione minima raggiungibile al valore di10 decibel al chilometro.

L'interesse che si ha oggi per le fibrecalcogenuriche deriva in gran parte dallacapacità che queste hanno di trasmettereluce infrarossa con lunghezza d'onda da6 a 12 micrometri per distanze di alcunimetri. Peter Prideaux della Galileo Elec-tro-Optics Corporation (uno dei nostrilaboratori) ha fabbricato fibre calcoge-nuriche: unendone centinaia è possibilecostituire un fascio capace di trasmettereimmagini semplici nell'infrarosso e in-formazioni sulla temperatura di un og-getto. L'intensità della luce infrarossaemessa da un oggetto cresce all'aumen-tare della sua temperatura. Le fibre pos-sono guidare questa luce a un rivelatore,e ciò consente di effettuare misurazionidi temperatura a distanza. Usando unarete di fibre è possibile seguire istanteper istante, da un centro di controllo, lereazioni chimiche che si svolgono in unimpianto oppure il comportamento digas o di liquidi che assorbono o emetto-no luce infrarossa.

terza categoria di materiali per fibre ottiche, realizzati per le lunghezzed'onda dell'infrarosso è costituita da ve-tri a fluoruri di metalli pesanti. Nel 1974Michel Poulain dell'Università di Ren-nes, in Francia, scoprì per un caso for-tuito il primo materiale appartenente aquesta famiglia. Nel corso dei suoi studidi specializzazione, Poulain aveva cerca-to di fondere un composto cristallino co-stituito di una miscela di zirconio, bario,sodio e fluoruro di neodimio.

Raffreddando quel campione, notògrossi frammenti trasparenti. Dapprima

pensò che fossero cristalli, ma poi appu-rò che si trattava di vetro. In seguito,insieme con il fratello Marcel Poulain(suo fratello) e Jacques Lucas, trovò unaserie di vetri di nuova composizione chesono ora noti come vetri a fluoruri dimetalli pesanti.

Praticamente qualunque metallo delsistema periodico può essere incorpora-to in un vetro a fluoruri di metalli pesan-ti. Sotto il profilo della trasparenza al-l'infrarosso e della facilità di fabbricazio-ne, tuttavia, solamente un numero limi-tato di composizioni ha giustificato unostudio approfondito: i vetri di fluorozin-conato, di fluoroafniato e di bario-torio.

Le misurazioni delle caratteristiche ditrasmissione dei vetri a fluoruri indicanotrasparenze elevate su un ampio spettrodi lunghezze d'onda, da 0,3 a 8 micro-metri. Questi materiali hanno tempera-ture di transizione vetrosa moderate(circa 300 gradi Celsius) e indici di rifra-zione analoghi alla silice (1,5). Un limitevibrazionale infrarosso a elevata lun-ghezza d'onda e una bassa diffusione diRayleigh indicano che nei vetri a fluorurisono possibili attenuazioni intrinseche di0,01 decibel al chilometro.

Per questa ragione, tanto negli StatiUniti, quanto in Gran Bretagna e inGiappone questi materiali sono statimolto studiati in vista di un possibile im-piego nei sistemi di comunicazione a fi-bra ottica con basse perdite. Il Naval Re-search Laboratory statunitense e la Nip-pon Telegraph and Telephone PublicCorporation hanno prodotto tratte di fi-bre a fluoruri lunghe da sette a 30 metriche presentano attenuazioni da 0,7 a 0,9decibel al chilometro a lunghezze d'ondadi 2,5 micrometri. Queste trasparenzesono molto superiori a quelle di altri ma-teriali per fibre per l'infrarosso. Le atte-nuazioni tuttavia sono ancora circa settevolte più grandi dell'attenuazione ri-scontrata nelle migliori fibre di silice emolto superiori al limite intrinseco dellefibre a fluoruri.

A questo limite ci si può avvicina-re identificando le fonti delle perditeestrinseche nelle fibre e riducendole.Minuziosi esperimenti di diffusione e diattenuazione della luce hanno già rivela-to alcune cause delle perdite estrinseche.A lunghezze d'onda comprese tra 0,5 edue micrometri, l'attenuazione è in par-te dovuta all'assorbimento elettronicoda parte di minuscole impurezze di ra-me, cromo, nichel e ferro. Per esempiobasta una contaminazione di una solaparte per milione di ferro per provocareun'attenuazione di 15 decibel al chilome-tro intorno a lunghezze d'onda di 2,5 mi-crometri. Gruppi ossidrile introdotti nel-la fibra sotto forma di umidità, o nei ma-teriali di partenza o durante il processodi fusione del vetro, attenuano forte-mente la luce infrarossa. Certe stime di-mostrano che una parte per milione diossidrile può provocare un'attenuazionedi circa 10 000 decibel al chilometro a 2,9micrometri. Benché siano stati compiuti

progressi importanti nella purificazionedelle sostanze chimiche che vengono fu-se per fabbricare il vetro, nelle fibre afluoruri la diffusione estrinseca dovuta aipiccoli cristalli e alle bolle continua a es-sere un fastidioso problema.

Ma anche ai livelli attuali di trasparen-za i vetri a fluoruri si prestano a impieghitecnologici. Dieter Pruss della Drager-werk AG, nella Germania Federale, haimpiegato le fibre a fluoruri per control-lare costantemente l'inalazione dei gasanestetici in pazienti sottoposti a inter-venti chirurgici. Questi gas hanno bandedi assorbimento nell'infrarosso moltocaratteristiche, che possono essere tra-smesse attraverso una fibra e rilevate. Laconcentrazione dell'anestetico può quin-di essere riportata su uno schermo a ognirespiro.

Nella maggior parte delle applicazionile fibre ottiche per l'infrarosso servonosemplicemente per trasmettere la luceda un punto all'altro. Il materiale puòessere impiegato anche per produrre fi-bre speciali capaci di alterare l'ampiezzao la lunghezza d'onda della luce che leattraversa. Un esempio di questa tecno-logia è il laser a fibra ottica. Il nucleodella fibra è drogato con piccole quantitàdi ioni di qualche terra rara. Un segmen-to di fibra è collocato tra due specchiparzialmente riflettenti. Nella fibra vie-ne immessa luce laser di una lunghezzad'onda particolare, che eccita gli ionidella terra rara portandoli in uno statodi energia elevata. Quando gli atomi ec-citati cedono energia e tornano a unostato energetico inferiore, emettono lu-ce di lunghezza d'onda inferiore a quelladella luce che li ha eccitati. Questa luce,riflessa dagli specchi posti alle estremità,rimbalza ripetutamente e viene così am-plificata. Uno degli specchi è parzial-mente trasparente alla luce emessa e nelascia passare una parte. Quindi la fibrasi comporta come una sorgente laser allostato solido compatta e genera una lun-ghezza d'onda molto diversa da quelladel laser originale. La lunghezza d'ondaemessa può essere fatta variare modifi-

cando la lunghezza d'onda originale eusando per il drogaggio terre rare diver-se. Questi dispositivi, allestiti con fibredi vetri a fluoruri, possono essere impie-gati per generare in modo efficiente lun-ghezze d'onda laser nell'infrarosso chenon possono essere ottenute con le fibrea base di silice.

Siamo convinti che i vetri a fluoruri of-frano le migliori prospettive per limi-

tare le attenuazioni ottiche più di quantosia attualmente possibile utilizzando fi-bre silicatiche di elevata qualità. Per po-ter costruire questi sistemi di comunica-zione con basse perdite, tuttavia, occor-reranno importanti progressi nella puri-ficazione e nella lavorazione delle fibrea fluoruri. Nel frattempo le fibre otticheper l'infrarosso con attenuazioni com-prese tra 10 e 100 decibel al chilometropossono essere inipiegate nei dispositiviper le diagnosi mediche, per la trasmis-sione di energia a frequenze ottiche e peril telerilevamento; molte possono funge-re da componenti fondamentali nei lasera fibre ottiche. Le prospettive di questeapplicazioni nel prossimo futuro si pre-sentano ricche di possibilità.

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