NA – Numerical Aperture

NA – Numerical Aperture

Oggi ci concentriamo su un concetto fondamentale nel mondo della fotonica e della trasmissione ottica: NA, cioè Numerical Aperture. Se hai mai lavorato con fibre ottiche, microscopi o sistemi di imaging, allora ti sei sicuramente imbattuto in questo termine. In questo post approfondiamo il significato dell’apertura numerica, come si calcola, a cosa serve e perché è così importante nel controllo e nella trasmissione della luce. Io stesso, quando ho iniziato con le fibre ottiche, sottovalutavo questo parametro, ma oggi ti dimostro quanto incide davvero sulle prestazioni.

Che cos’è l’apertura numerica (NA)?

L’apertura numerica è un numero adimensionale che descrive la capacità di un sistema ottico – come una fibra o una lente – di raccogliere luce. In parole povere, più è alta l’NA, maggiore sarà il cono di luce che il sistema riesce a catturare o trasmettere.

In una fibra ottica, ad esempio, l’NA definisce l’angolo massimo con cui la luce può entrare nella fibra e propagarsi correttamente attraverso riflessione interna totale.

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Formula dell’NA

La formula generale per calcolare la Numerical Aperture è:

NA = n₀ × sin(θ_max)

PIC – Peripheral Interface Controller

dove:

IC – Integrated Circuit

• n₀ è l’indice di rifrazione del mezzo esterno (tipicamente l’aria, quindi circa 1)
• θ_max è l’angolo massimo rispetto all’asse della fibra in cui la luce può entrare e propagarsi

Nel caso delle fibre ottiche, però, la NA può anche essere calcolata direttamente dagli indici di rifrazione del core e del cladding:

NA = √(n_core² – n_cladding²)

Esempio pratico: fibra monomodale vs multimodale

Per darti un’idea concreta, considera due tipi di fibra:

• Una fibra multimodale con n_core = 1.48 e n_cladding = 1.46 ha:
• NA = √(1.48² – 1.46²) = √(2.1904 – 2.1316) ≈ √0.0588 ≈ 0.2425
• Una fibra monomodale con n_core = 1.468 e n_cladding = 1.466 ha:
• NA ≈ √(1.468² – 1.466²) ≈ √(2.1546 – 2.1492) ≈ √0.0054 ≈ 0.0735

Come vedi, la fibra multimodale ha una NA più alta, il che significa che può accettare la luce con angoli più ampi. Questo rende più facile il collegamento ma introduce più dispersione, mentre la fibra monomodale è più precisa ma richiede una sorgente più focalizzata.

NA nei microscopi e nei sistemi di imaging

Nel caso delle lenti e dei microscopi, la Numerical Aperture è direttamente collegata alla risoluzione e alla profondità di campo. Più è alta l’NA, più dettagli fini il sistema riesce a catturare. Ecco una tabella che ti mostra la relazione tra NA e altri parametri ottici:

Applicazioni della Numerical Aperture

L’apertura numerica è fondamentale in diversi contesti tecnici:

• Fibre ottiche: definisce l’efficienza di accoppiamento della luce da un laser o LED nella fibra
• Microscopi: determina la capacità di distinguere dettagli fini in campioni biologici o materiali
• Sistemi di litografia: in elettronica, l’NA incide direttamente sulla capacità di scrivere pattern più piccoli su un wafer
• Obiettivi fotografici: anche se spesso si parla di apertura f/, il concetto di NA è alla base della quantità di luce catturata

Come avrai capito, conoscere il valore dell’NA non è solo una questione teorica: influisce direttamente sulla progettazione dei sistemi ottici e sulle loro prestazioni nel mondo reale. Io stesso ho dovuto scegliere fibre ottiche con NA diverse a seconda della precisione necessaria e della lunghezza del collegamento. Scegliere male può significare avere perdite di potenza o immagini sfocate.

Domani parleremo dell’Indice di Rifrazione, che è la base per calcolare la NA e capire il comportamento della luce nei materiali ottici. Ti consiglio di non perderlo!