Cos'è la birifrangenza?

La birifrangenza (nota anche come doppia rifrazione) è un fenomeno ottico presente in alcuni materiali. La maggior parte dei materiali trasparenti è caratterizzata da un unico indice di rifrazione, che modifica il percorso della luce quando questa attraversa il materiale. Nei materiali birifrangenti, invece, un raggio di luce incontra due indici di rifrazione, causando la sua separazione in due raggi che seguono traiettorie diverse. 

Il fenomeno della doppia rifrazione dipende sia dalla struttura del materiale (ossia dal reticolo atomico) sia dalla polarizzazione e dalla direzione di propagazione del raggio di luce incidente. La luce non polarizzata che entra in un materiale birifrangente viene suddivisa in due raggi distinti, noti come raggio ordinario (o-ray) e raggio straordinario (e-ray). Il raggio ordinario è polarizzato in direzione perpendicolare (ortogonale) all'asse ottico, cioè la direzione lungo la quale la luce non subisce doppia rifrazione, mentre il raggio straordinario è polarizzato in una direzione che non è strettamente perpendicolare all'asse ottico. I due raggi di luce polarizzati viaggiano con angoli e velocità differenti dopo la rifrazione.

Esistono diversi cristalli che presentano naturalmente anisotropia e comportamento birifrangente. In ottica, l'anisotropia indica una proprietà del materiale che varia a seconda della direzione in cui viene misurata. Alcuni materiali che hanno queste qualità sono:

• Carbonato di calcio, noto anche come calcite
• Quarzo
• Tormalina
• Rubino
• Diossido di titanio (rutilo)
• Fluoruro di magnesio (sellaite)

Inoltre, esistono diversi materiali sintetici con strutture anisotrope non cristalline che possono anch'essi mostrare birifrangenza, tra cui:

• Materiali fibrosi
• Polimeri a catena lunga
• Resine
• Materiali compositi

Esiste un tipo specifico di birifrangenza noto come birifrangenza da stress, che si manifesta quando a un materiale viene applicata una forza esterna o una deformazione. La birifrangenza da stress è causata dall'effetto fotoelastico, noto anche come effetto piezo-ottico, che è generalmente diffuso in materiali come plastiche e film stirati.

L'introduzione di uno stato di stress provoca cambiamenti a livello molecolare, portando a una distribuzione non uniforme degli atomi e a differenti proprietà meccaniche. Questo effetto fa sì che l'indice di rifrazione di un materiale cambi quando è sottoposto a uno stress o a un carico applicato.

L'effetto fotoelastico è simile in qualche modo all'effetto piezoelettrico. L'effetto piezoelettrico è un fenomeno fisico in cui i materiali generano una carica elettrica quando sono sottoposti a stress meccanico, mentre l'effetto fotoelastico comporta una modifica della distribuzione di carica del materiale in seguito a un carico applicato. Tuttavia, invece di variare le proprietà elettriche del materiale, sono le proprietà ottiche a cambiare a causa della riorganizzazione atomica.

Poiché la birifrangenza si manifesta sotto l'applicazione di un carico meccanico, consente la visualizzazione della distribuzione degli sforzi nel materiale. Questo è un modo utile per testare le sollecitazioni e le deformazioni applicate ai componenti ottici quando vengono integrati in sistemi più grandi, come i visori per la realtà aumentata e virtuale (AR/VR).

Esistono numerose applicazioni scientifiche e tecnologiche in cui viene utilizzata la birifrangenza.

Strumentazione scientifica

La birifrangenza viene impiegata per studiare le proprietà dei materiali in diverse tecniche di caratterizzazione analitica, tra cui:

Microscopia a luce polarizzata Questa tecnica prevede l'illuminazione di un campione con luce polarizzata; le proprietà birifrangenti del campione modificano la polarizzazione della luce. Il componente analizzatore del microscopio può quindi trasmettere selettivamente solo la luce con polarizzazione alterata, aumentando il contrasto dell'immagine e fornendo informazioni sulle proprietà intrinseche del campione, come dettagli strutturali e composizionali. 

Tomografia a coerenza ottica (OCT) Questa tecnica sfrutta la birifrangenza di diversi materiali biologici, come il tessuto umano, per aggiungere contrasto alle immagini microscopiche.

Schermi LCD

Gli schermi LCD utilizzano cristalli liquidi birifrangenti per visualizzare immagini e video. Questi cristalli liquidi modificano il loro indice di rifrazione quando viene applicato un campo elettrico. Controllando l'orientamento dei cristalli liquidi, lo schermo è in grado di regolare sia la polarizzazione sia l'intensità della luce che lo attraversa.

Comunicazioni ottiche

La birifrangenza viene utilizzata nei cavi in fibra ottica per trasmettere i segnali. È impiegata anche in componenti per fibra ottica chiamati commutatori selettori di lunghezza d'onda, che agiscono come porte ottiche, selezionando e instradando specifiche lunghezze d'onda lungo percorsi definiti all'interno del cavo. I materiali birifrangenti mantengono la polarizzazione della luce trasmessa durante la propagazione nella fibra, riducendo al minimo la distorsione e rendendo le linee di comunicazione più affidabili.

Filtri di polarizzazione

La birifrangenza è inoltre utilizzata nei filtri polarizzatori per fotocamere, microscopi e altri strumenti ottici. I filtri polarizzatori sono costituiti da materiali con una struttura anisotropa a griglia, che controlla il passaggio della luce di diverse lunghezze d'onda bloccando una delle due componenti polarizzate della luce. Questo consente di ottenere effetti visivi particolari, nonché immagini con riflessi ridotti e una maggiore nitidezza.

Sebbene esistano molti ambiti in cui la birifrangenza può migliorare le prestazioni funzionali, la birifrangenza da stress può invece ridurre le prestazioni di un componente ottico.

In alcune applicazioni, gli ingegneri sono passati dall'uso del vetro a quello delle plastiche per le lenti, al fine di rendere i sistemi ottici più leggeri e facilmente producibili in serie. Tuttavia, polimeri come acrilici e PMMA sono più soggetti alla birifrangenza da stress. Sebbene questo effetto sia meno diffuso nel vetro, le ottiche in plastica possono deformarsi e modificare il modo in cui la luce interagisce con il materiale a livello molecolare. La birifrangenza da stress deve quindi essere considerata in tutte le ottiche in plastica utilizzate in tecnologie ad alte prestazioni come smartphone, head-up display (HUD) e visori AR/VR.

Esistono due principali fonti di birifrangenza da stress nei dispositivi ottici: la produzione e il montaggio. Durante la produzione, processi come lo stampaggio a iniezione possono intrappolare tensioni residue all'interno della lente durante il raffreddamento, poiché i bordi esterni si raffreddano più rapidamente rispetto alla parte interna.

Inoltre, quando una lente viene fissata nel suo supporto o alloggiamento, gli sforzi meccanici introdotti da questa operazione possono modificare la distribuzione dell'indice di rifrazione all'interno della lente in plastica. Poiché questi stress possono alterare le proprietà ottiche intrinseche del materiale, è necessario tenerne conto nella simulazione e modellazione per garantire prestazioni ottimali della lente e ridurre al minimo le perdite ottiche, come la diminuzione di luminosità e intensità.

Anche una perdita di solo pochi punti percentuali nella trasmissione totale della luce può ridurre la qualità dell'immagine e la luminosità al di fuori dei valori di progetto specificati, se non viene adeguatamente considerata. Questo effetto è particolarmente evidente negli HUD e nei visori AR/VR, dove porta a immagini a basso contrasto da compensare fornendo più potenza al sistema. Nel caso dei visori, ciò non è ideale perché genera calore aggiuntivo, che può risultare scomodo per l'utente e scaricare più rapidamente la batteria.

Esisterà sempre un certo grado di errore ottico causato dalla birifrangenza, ma i produttori raramente forniscono informazioni su come essa influisca sulle prestazioni ottiche dei loro materiali. Man mano che gli ingegneri sviluppano componenti ottici sempre più avanzati, comprendere in che modo la birifrangenza influisce sulle prestazioni dei diversi materiali diventerà sempre più importante. La simulazione e la modellazione computazionale possono fornire indicazioni progettuali fondamentali, tenendo conto di effetti multifisici come la birifrangenza da stress, e rappresentano un elemento chiave per sbloccare la prossima generazione di progetti ottici.

I sistemi ottici avanzati stanno diventando sempre più costosi da sviluppare, prototipare, testare e produrre. Per questo motivo, ridurre il numero di cicli di test dei prototipi fisici è fondamentale per far progredire lo sviluppo dei prodotti rimanendo entro il budget. Ciò consente di risparmiare tempo, fatica e denaro garantendo che i primi prototipi fisici siano vicini alle specifiche previste.

ANSYS offre una vasta gamma di strumenti, come il software di progettazione e analisi dei sistemi ottici Ansys Zemax OpticStudio e il software di analisi strutturale a elementi finiti Ansys Mechanical (FEA), per comprendere i diversi materiali e le loro proprietà di birifrangenza per un'ampia gamma di dispositivi ottici e applicazioni finali. Queste applicazioni sono compatibili anche con strumenti esterni come MATLAB e Moldex3D. 

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