• Combustion Diagnostics
• Hollow Core Photonic Crystal Fibers
• Rayleigh Thermometry

La tesi analizza il problema del monitoraggio della temperatura in sistemi di combustione, presentando soluzioni sviluppate sia nel contesto accademico del Dipartimento di Fisica dell'Università di Pisa che nel contesto industriale di Sesta Lab.
Il manoscritto si apre con una panoramica delle tecniche e tecnologie adottate nel monitoraggio della combustione, concludendo il primo capitolo con l'introduzione dei sistemi di monitoraggio investigati nel corso del dottorato: per l'attività condotta in dipartimento, lo sviluppo di un sensore di temperatura optomeccanico basato sull'intrappolamento laser di microsfere in fibre a cristallo fotonico, con la potenzialità di ottenere misurazioni di temperatura basate sulle variazioni di viscosità dell'aria o sulle variazioni in temperatura delle proprietà di fluorescenza di microcristalli dopati con ioni trivalenti di terre rare. Riguardo l'attività condotta in azienda, si introduce il problema dell'ottimizzazione di un setup di termometria Rayleigh in contesto industriale.
Nel secondo capitolo, le proprietà di guida delle fibre a cristallo fotonico di varie geometrie vengono caratterizzate tramite simulazioni ad elementi finiti, validando l'approssimazione della trattazione dei modi propaganti in fibra tramite l'impiego di modi cilindrici vettoriali. Vengono inoltre introdotti i paradigmi tipicamente adottati nella trattazione delle forze ottiche.
Nel terzo capitolo, il framework di calcolo adottato nella trattazione delle forze nelle fibre a cristallo fotonico viene presentato in dettaglio, nella forma di una teoria generalizzata di Lorenz-Mie applicata ai modi cilindrici vettoriali. Questa teoria viene poi impiegata per caratterizzare svariate configurazioni di trappola, utili nella progettazione di un sensore di temperatura optomeccanico. Vengono messe in evidenza dipendenze delle forze ottiche da parametri dimensionali del sistema fibra-microsfera e dalla polarizzazione dei modi guidati.
Nel quarto capitolo, viene presentata una realizzazione sperimentale del sensore di temperatura optomeccanico. Le proprietà di accuratezza della misura basata sulla dipendenza in temperatura dalla viscosità dell'aria vengono caratterizzate intrappolando in fibra microsfere di varie dimensioni, constatando una maggior solidità del sistema con l'utilizzo di sfere di diametro maggiore.
Viene inoltre presentata la prospettiva alternativa della misura basata sulle proprietà termiche di fluorescenza di micro-cristalli di fluoruri dopati con ioni trivalenti di terre rare, effettuando delle caratterizzazioni di cristalli di BYF Yb/Tm al variare di diversi parametri operativi, quali la lunghezza d'onda del laser di pompa e la potenza ottica.
Il quinto capitolo si apre con la presentazione della tecnica della termometria Rayleigh coadiuvata dalla tecnica SLIPI, riportando inoltre le formule di one-step chemistry adottate nella definizione di un parametro "Signal to Reference Ratio", utilizzabile negli apparati sperimentali per prevedere l'affidabilità delle misure di termometria senza bisogno di accendere la fiamma, consentendo quindi analisi preliminari a basso costo.
Nel sesto capitolo, viene presentato in dettaglio l'apparato sperimentale realizzato a Sesta Lab. Il capitolo si apre con la presentazione del bruciatore campione realizzato, comprensiva di analisi numeriche volte a validare la stabilità del disegno dell'ugello implementato. Vengono inoltre presentate le strategie di post-processing sviluppate per rimuovere automaticamente le aberrazioni caratteristiche di sistemi di termometria Rayleigh con SLIPI. Vengono presentate misure di termometria su fiamme libere e su fiamme confinate, ottenendo risultati in linea con le aspettative della tecnica per campi mediati nel tempo. La minor accuratezza riscontrata nelle misure istantanee viene coadiuvata da un'analisi sulle sorgenti di rumore.
La tesi si conclude con una retrospettiva sui risultati presentati, proiettando possibili studi futuri volti al miglioramento delle capacità diagnostiche delle tecniche presentate. Per il sensore di temperatura optomeccanico, l'impiego di tecniche alternative di monitoraggio del moto delle particelle intrappolate, nonché l'impiego di altre formulazioni di polveri dopate con terre rare, estenderebbero la portata delle temperature misurabili dal sistema, avvicinandolo alle necessità industriali. Per la termometria Rayleigh, l'utilizzo di modelli di chimica cinetica e l'integrazione di altre tecniche di diagnostica parallele garantirebbero una migliore affidabilità delle misure di campi di temperatura istantanei.

The thesis analyzes the problem of temperature monitoring in combustion systems, presenting solutions developed both in the academic context of the Department of Physics at the University of Pisa and in the industrial context of Sesta Lab.
The manuscript opens with an overview of the techniques and technologies used in combustion monitoring, concluding the first chapter with an introduction to the monitoring systems investigated during the PhD: as for the research conducted at the department, this consisted in the development of an optomechanical temperature sensor based on the laser trapping of microspheres in photonic crystal fibers, with the potential to perform temperature measurements based on variations in air viscosity or temperature-dependent changes in the fluorescence properties of micro-crystals doped with trivalent rare-earth ions. Regarding the work conducted in the company, the activity consisted in the optimization of a Rayleigh thermometry in industrial context.
In the second chapter, the guiding properties of photonic crystal fibers with various geometries are characterized through finite element simulations, validating the approximation of the guided modes using cylindrical vector modes. The paradigms typically adopted in the treatment of optical forces are also introduced.
In the third chapter, the computational framework used to analyze forces in photonic crystal fibers is presented in detail, in the form of a generalized Lorenz-Mie theory applied to cylindrical vector modes. This framework is then used to characterize various trap configurations, useful for aiding in the design on an optomechanical temperature sensor. Dependencies of the optical forces on the size parameters of the fiber-microsphere system and the polarization of the guided modes are highlighted.
In the fourth chapter, an experimental realization of the optomechanical temperature sensor is presented. The accuracy properties of the measurement based on the temperature dependence of air viscosity are characterized by trapping microspheres of various sizes in the fiber, observing greater system robustness with larger diameter spheres.
An alternative approach is also presented, based on the temperature-dependent fluorescence properties of fluoride micro-crystals doped with trivalent rare-earth ions, by characterizing BYF Yb/Tm crystals under different operational parameters, such as pump laser wavelength and optical power.
The fifth chapter opens with a presentation of Rayleigh thermometry integrated with the SLIPI technique, also reporting the one-step chemistry formulas used to define a "Signal to Reference Ratio" parameter, which can be used in experimental setups to predict the reliability of Rayleigh thermometry measurements without the need to ignite the flame, thus enabling low-cost preliminary analyses.
In the sixth chapter, the experimental setup developed at Sesta Lab is presented in detail. The chapter begins with the presentation of the sample burner, including numerical analyses aimed at validating the stability of the implemented nozzle design. Post-processing strategies developed to automatically remove aberrations typical of Rayleigh thermometry systems with SLIPI are also presented. Thermometry measurements on both free and confined flames are reported, yielding results consistent with the expectations of the technique for time-averaged fields. The lower accuracy observed in instantaneous measurements is addressed through an analysis of environmental noise sources.
The thesis concludes with a retrospective on the results, outlining possible future studies aimed at improving the diagnostic capabilities of the proposed techniques. The capabilities of the optomechanical temperature sensor would improve by adopting other techniques for the monitoring of the trapped particle motion. Other rare earth doped crystal formulations would also extend the range of measurable temperatures, bringing it closer to industrial applications. As for Rayleigh Thermometry, the implementation of kinetic chemistry models and the parallel integration of other diagnostic techniques would lead to an improved reliability of measurements of instantaneous temperature fields.