INRIM

Il crescente impatto tecnologico delle radiazioni ottiche determina una crescita significativa della domanda di riferimenti metrologici sempre più accurati per caratterizzare in banda ottica sorgenti di luce, rivelatori e materiali, rispondendo ad esigenze di misura che spaziano dalle verifiche della meccanica quantistica alle tecniche di crittografia quantistica, dall’illuminazione d’interni ai dispositivi per la segnaletica stradale, dai metodi per la catalogazione e la conservazione dei beni culturali ai trattamenti medicali e all’elaborazione d’immagini. Il piano triennale risponde a questi bisogni con lo sviluppo di nuove e migliori tecniche per la definizione dei necessari riferimenti di misura e la loro disseminazione nella comunità degli utilizzatori. Le attività si sviluppano in un quadro d’integrazione europea nell’ambito EUROMET, presiedendone il Comitato Tecnico PHORA, e di collaborazioni scientifiche internazionali, che hanno come punti di riferimento il Comité Consultatif de Photométrie et Radiométrie (CCPR) del BIPM e la Commission Internationale d’Eclairage (CIE). Il compito principale per la metrologia di base è la realizzazione, il mantenimento e il miglioramento dei campioni nazionali delle unità SI di competenza, cui si affiancano i compiti di disseminazione e trasferimento tecnologico, finalizzati al mercato nazionale, e l’attività di normazione. Di rilievo è l’attività di servizio mediante tarature, prove e consulenze a favore del sistema produttivo nazionale. Una significativa attività di formazione è svolta attraverso l’organizzazione e la partecipazione a corsi di alta formazione scientifica (tutorato, corsi di dottorato, corsi universitari) e corsi di formazione a favore dell’industria. Gli elementi comuni delle attività proposte sono l’identificazione e lo sviluppo di nuove tecniche per la generazione, il trattamento e la misura di segnali elettromagnetici nella regione dal vicino ultravioletto al vicino infrarosso. L’attività si sviluppa su tre temi che mirano alla realizzazione delle unità di misura delle grandezze di competenza, in cui l’IEN ha una consolidata esperienza confermata dalla partecipazione a numerosi confronti internazionali. Ciascun tema si divide in specifici progetti che nell’insieme coprono le differenti aree della metrologia delle radiazioni ottiche.

L’interazione fisica della luce con la materia dipende dalla lunghezza d’onda; ne sono esempi la dipendenza spettrale della sensibilità di un rivelatore, della trasmissione di un filtro e dell’irradiamento da una sorgente. L’attività si sviluppa su più temi che mirano alla realizzazione delle unità di misura delle grandezze radiometriche, in cui l’IEN ha una consolidata esperienza confermata dalla partecipazione a numerosi confronti internazionali. L’ambito è la caratterizzazione spettrale di sorgenti, rivelatori e materiali al variare della lunghezza d’onda dalla regione dal vicino ultravioletto al vicino infrarosso. I risultati sono il mantenimento, la realizzazione e la disseminazione dei riferimenti delle grandezze spettrali di competenza, il mantenimento e lo sviluppo delle sorgenti laser, e la realizzazione e la disseminazione dei riferimenti per la spettroradiometria dei materiali. I progetti che caratterizzano il tema sono:

La realizzazione e il mantenimento delle unità per la misura di radiazioni ottiche hanno nel radiometro criogenico il riferimento primario. La capacità raggiunta consente la misura della potenza di sorgenti laser, la cui intensità sia stabilizzata, con un’accuratezza di alcune parti in 10^-4. Il sistema di sorgenti ora disponibili consente di coprire in modo discreto lo spettro visibile (488, 514, 532, 633 e 647 nm) e con continuità la regione del vicino infrarosso (750 ÷ 1100 nm).

L’attività mira a realizzare i riferimenti di misura per la determinazione del fattore spettrale di trasmissione e del fattore spettrale di riflessione, speculare e diffusa, dei materiali. Riguarda inoltre la caratterizzazione di materiali diffondenti e catadiottrici, e dedica particolare attenzione alle opere d’arte, per lo studio del loro degrado e delle condizioni d’illuminazione. Con la completa operatività del laboratorio principale, l’attività vuole migliorare le tecniche di caratterizzazione avanzata e innovativa dei materiali, consolidando l’indiscussa rilevanza dell’INRIM come ente di riferimento scientifico e tecnico-industriale, dotato di laboratori con strumentazione unica in Italia e capace di sviluppare metodologie innovative e pre-normative.

Il conteggio di fotoni è uno degli aspetti chiave per sviluppare tecnologie basate sulla meccanica quantistica. L’IEN ha fatto passi significativi nella realizzazione di riferimenti assoluti per la misura di grandezze fotoniche in regime di conteggio, svolgendo un ruolo guida in Europa.

I meccanismi della visione sono alla base dell’interazione umana con l’ambiente circostante. La luce si distingue dalle altre forme di radiazione ottica per la capacità di stimolare i recettori presenti nell’occhio, stimolando il senso della vista. La caratterizzazione dei segnali luminosi in funzione del loro impatto sull’essere umano è il motivo portante di questo tema di ricerca, che si articola nei seguenti progetti:

L’IEN ha una consolidata esperienza, confermata dalla partecipazione a numerosi confronti internazionali, nella realizzazione, mantenimento e disseminazione dei riferimenti nazionali per le grandezze fotometriche intensità luminosa (cd), illuminamento (lx), flusso luminoso (lm), luminanza (cd m^-2) ed esposizione luminosa (lx s), e dei riferimenti di misura per la colorimetria.

L’attività riguarda le applicazioni metrologiche nell’illuminotecnica, indirizzate alla caratterizzazione di sistemi d’illuminazione (sorgenti, apparecchi, superfici illuminate), alle condizioni di visone e allo sviluppo di sistemi per misurazioni in laboratorio e in loco. La rilevanza come ente di riferimento scientifico e tecnico-industriale, dotato di laboratori con strumentazione unica in Italia e capace di sviluppare metodologie innovative e pre-normative, è provata dalle recenti collaborazioni esterne e dal successo della 2^a giornata di studio sull’illuminazione stradale (2005).

Le attività in corso riguardano la colorimetria e fotometria nella riproduzione d’immagini elettroniche digitali e nel restauro digitale di vecchie pellicole e stampe fotografiche. L’introduzione di nuove tecnologie per il video e la fotografia rendono necessari nuovi metodi per misurare in modo equivalente la qualità delle immagini.

L’attività mira a sviluppare conoscenze, competenze e metodi di misura dedicati alle tecnologie quantistiche, con attenzione allo studio di tecniche di singolo fotone. I temi su cui si sviluppano le attività sono:

Il recente sviluppo di tecniche di produzione e manipolazione di stati quantistici a singola particella (fotone, atomo, ecc.) ha rappresentato un progresso di rilevanza eccezionale, che ha aperto la strada a nuovi esperimenti sui fondamenti della meccanica quantistica, proposti a suo tempo come gedanken Experimente, e a nuovi interi campi della fisica come l’informazione quantistica, ove le proprietà degli stati quantistici sono usate per codificare, elaborare e trasmettere informazione con proprietà impossibili per i sistemi classici, o la metrologia quantistica (nuovi metodi di taratura, nuove possibilità di realizzazione delle unità di misura). In particolare, nell’ambito dell’informazione quatistica importanti progressi sono stati raggiunti riguardo la comunicazione quantistica (comunicazione di chiavi crittografiche, protocolli non realizzabili classicamente) ed il calcolo quantistico.

Questa attività intende sviluppare sorgenti di stati di luce non classica (sorgente a singolo fotone e stati entangled) nei suoi diversi gradi di libertà (lunghezza d’onda, correlazione temporale, polarizzazione, momento trasverso ed angolare, emissione a più fotoni) in materiali innovativi; caratterizzare gli stati con rivelatori innovativi, e manipolarli, avendo come fine la realizzazione di campioni e di metodi di misura precisi di grandezze cruciali per l’affermazione di nuovi dispositivi nello scenario della comunicazione quantistica.

L’uso dei materiali superconduttivi nel campo dei dispositivi per il conteggio di fotoni ha permesso di ottenere rivelatori con caratteristiche migliori rispetto ai tradizionali rivelatori a semiconduttore. Da un decennio NIST (USA), GFSC-NASA (USA), ESTEC-ESA (NL), SRON (NL), AIST (JAPAN) lavorano all’applicazione di questi rivelatori in campo astronomico-spaziale, e più di recente anche nel campo delle comunicazioni quantistiche. Da alcuni anni anche l’IEN è attivo in questo settore con le attività che fanno capo al laboratorio “Dispositivi criogenici innovativi”, dove si studiano materiali e dispositivi superconduttivi a bassa e ad alta temperatura critica.

Nell’ambito della realizzazione di dispositivi superconduttivi per il conteggio di fotoni con tempi di risposta molto rapidi (~100 ps) è nata la necessità di realizzare stadi di interfaccia con amplificazione a basso rumore e a banda larga operanti a bassa temperatura. Questa attività sarà estesa allo studio di dispositivi optoelettronici, diodi LED e laser, operanti a bassa temperatura quali sorgenti di radiazione ottica con statistica sub-poissoniana da usare in esperienze di ottica quantistica.

Attività di mantenimento e miglioramento dei riferimenti radiometrici con sorgenti laser. Estensione delle capacità di misura ai sistemi in fibra ottica a supporto dell’attività di accreditamento. Ricerca su fotorivelatori al silicio ad elevata efficienza quantica operanti a bassa temperatura (Collaborazione con NPL, HUT, DFM e J. Geist Sequoyah Technologies).

Sono state caratterizzate superfici vetrate diffondenti e con lamelle al fine di evidenziare le potenzialità del laboratorio goniofotometrico allestito ora con un obbiettivo telecentrico. Si è partecipato a un confronto sulle misurazioni colorimetriche di superfici vetrate organizzato nell’ambito delle attività del TC10 dell’IGS. Si è studiata la fattibilità di un sistema di misura per la caratterizzazione goniofotometrica di grosse superfici vetrate basato sull’utilizzo di due robot a sei gradi di libertà. Nell’ambito dei Beni culturali le metodologie sviluppate per la caratterizzazione colorimetrica di scanner hanno permesso (progetto Sinapsi) la valutazione di circa 500 reperti del Museo Egizio di Torino ai fini della loro classificazione e della creazione di un database. I dati raccolti permetteranno di definire interventi di restauro e le possibilità espositive. Si è completata la caratterizzazione metrologica del sistema MIR e sono state eseguite alcune misurazioni presso il Museo Egizio di Torino, al fine di valutare alcune soluzioni illuminotecniche per il riallestimento dello statuario. Sono continuate le collaborazioni con partner internazionali (CIE, IGS, CEN) e nazionali (Museo Egizio di Torino; Università di Padova; Università di Venezia; ENEA; SSV; Università di Torino (Scienza e Tecnologia dei Beni Culturali), AIDI

Il conteggio di fotoni è uno degli aspetti chiave per lo sviluppo di tecnologie basate sulla meccanica quantistica. L’IEN ha fatto passi significativi nella realizzazione di riferimenti assoluti per la misura di grandezze fotoniche in regime di conteggio, svolgendo un ruolo guida in Europa. In particolare nel corso del 2005. E’ stato messo a punto un sistema di mappatura spaziale dell’efficienza quantica dell’area sensibile di un rivelatore a stato solido nel visibile, con risoluzione di qualche micrometro e sono state fatte su di esso misure preliminari. Si è estesa le capacità di misura, sviluppando un sistema per l’infrarosso vicino a 1550 nm, rispondendo così alla richiesta di taratura a singolo fotone a 1550 nm, aspetto di particolare rilevanza per la caratterizzazione di sistemi di crittografia quantistica che necessitano di lavorare alle lunghezze d’onda Telecom, in particolare si è effettuata la taratura di rivelatori basati su Fotodiodi a valanga InGaAs operanti in gate mode (Collaborazione con NIST). E’ stato sviluppato e testato un modello completo dell’accoppiamento in fibra a singolo modo della sorgente di fluorescenza parametrica, per ottimizzare l’efficienza di rivelatori accoppiati in fibra. Il modello si è dimostrato adeguato per sorgenti di fluorescenza parametrica degeneri non-collineari realizzate mediante cristalli, ha invece mostrato limiti quando si è considerato il caso di sorgenti non-degeneri in cristalli PPLN. Nel caso specifico sarà necessario sviluppare modelli numerici (Collaborazione con NIST).

Il laboratorio mobile Tiresia, finanziato da ANAS, realizzato in INRIM è disponibile, in base ad accordo sulla gestione, per misurazioni di collaudo di impianti d’illuminazione stradali e di gallerie (come richiesto da un recente decreto ministeriale). È stato approntato un piano di sviluppo che ANAS ha già finanziato è che si completerà nei prossimi anni. Inoltre sono state valutate soluzioni di sensori atti alla caratterizzazione di segnaletica orizzontale e verticale con l’obbiettivo di fornire la possibilità di realizzare una mappa della qualità della segnaletica sul territorio nazionale. Si è approntato un metodo per la modellizzazione del comportamento delle emissioni luminose delle aree urbane e si è integrato il programma di rappresentazone fotorealistica con le procedure per attivare il calcolo di impianti di illuminazione stradale con il metodo dell’STV. Sono state organizzate due giornate di studio, la prima presso l’IEN sugli impianti di illuminazione in serie e sul Global Service nell’illuminazione stradale, la seconda, presso l’Università di Padova sull’illuminazione delle gallerie. Continuano le collaborazioni con Centro Studi ANAS, Università di Padova; Università di Venezia, Politecnico di Torino, AIDI.

Realizzazione di strumenti software per la generazione su display di diversa natura di test pattern colorati, atti a misurarne le caratteristiche colorimetriche e fotometriche. Formazione di un borsista. Contratto di collaborazione con la società CSP per il restauro di vecchi film in ambiente GRID computing.

L’attività mira a sviluppare conoscenze, competenze e metodi di misura dedicati alle tecnologie a singolo fotone. I temi su cui si sviluppano le attività sono:

Studio della trasmissione di stati entangled in polarizzazione in fibra, dimostrando interessanti effetti d’interferenza sulla funzione di correlazione di Glauber di II ordine (Collaborazione con Università di Mosca). Studio delle correlazioni dei bifotoni prodotti per fluorescenza parametrica per la taratura di fotorivelatori in regime analogico (Collaborazione con Università di Mosca). Ricostruzione della statistica di stati quantistici ottici con l’utilizzo di rivelatori on/off (Collaborazione con Università di Milano e dell’Insubria). Realizzazione di una sorgente a 2 fotoni prodotti per fluorescenza parametrica con alta selezione spettrale, utile per applicazioni volte alla realizzazione di porte logiche quantistiche (Collaborazione con le Università di Torino e Catania). Caratterizzazione di un canale di comunicazione quantistico terra-spazio (con Politecnico Torino ed Alenia spazio). Studi sul realismo locale (connessione tra violazione CP e tali test con mesoni K).

Nell’ambito degli studi sulle proprietà dell’entanglement quantistico e sul suo utilizzo per la comunicazione quantistica, sono stati analizzati i limiti pratici e di sicurezza di protocollo innovativo per la distribuzione di chiavi crittografiche quantistiche basati su coppie di fotoni entangled sfruttando uno schema analogo al quantum dense coding (Collaborazione con ELSAG SpA). In collaborazione con l’universita’ di Como è cominciato uno studio sullo sfruttamento delle tecniche di quantum imaging per l’encrypting efficiente delle immagini. E’ stato effettuato un esperimento per dimostrare la validità della tecnica proposta.

Studio di sorgenti a singolo fotone on demand basate sulla fluorescenza parametrica ottenuta mediante strutture con non linearità periodica in bulk e/o in guida d’onda: realizzazione di sorgenti nella regione dell’IR basate su cristalli PPLN, con cui si è generata una sorgente a 1550 nm con il ramo di heralding a 810 nm, e si è prepaparato il laboratorio per il test di una guida d’onda PPLN che realizza un phase-matching degenere a 1550 nm (Collaborazione con Istituto dei Sistemi Complessi ISC-CNR). Sono stati progettati schemi per la riduzione del tempo morto dei rivelatori a singolo fotone. In particolare sono stati analizzati uno schema ad “albero” basato su switch ottici passivi e uno schema “multiplexing” basato su uno switch ottico attivo. Sono stati sviluppati un modello teorico ed una simulazione nel caso di sorgente poissoniana. Si intende fare uno studio analogo anche nel caso di sorgente impulsata e di fare un test sperimentale (Collaborazione con NIST).

Sono state condotte attività sui rivelatori criogenici superconduttivi per la rivelazione di luce nell’intervallo di lunghezza d’onda compresa tra il visibile ed il vicino infrarosso. Sono stati caratterizzati film di titanio per l’utilizzo come sensori a transizione di fase (TES). Per ridurre le perdite per riflessione sono stati progettati e prodotti dei rivestimenti antiriflesso in grado di ridurre praticamente a zero la riflettanza a singole lunghezze d’onda. L’efficacia dei rivestimenti è stata verificata anche a 350 mK. Sono stati avviati gli studi per la realizzazione di nuove maschere per la litografia dei dispositivi e per migliorare l’accoppiamento tra la fibra ottica ed il sensore. Sono proseguiti anche gli studi su film di MgB₂ di cui si sono effettuate le caratterizzazioni dei dispositivi polarizzati in tensione con una reazione elettro-termica. Su questo materiale è anche proseguito lo studio del rumore durante la transizione e lo sviluppo di un suo modello interpretativo. Per la caratterizzazione dei film è stato sviluppato un metodo di misura induttivo in grado di determinare la corrente critica del film. In previsione dell’utilizzo di rivelatori veloci è stata avviata la caratterizzazione a temperature criogeniche di amplificatori integrati per microonde commerciali, da utilizzare come preamplificatori a basso rumore in prossimità del rivelatore.