Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-P&#233;rot Etalon

Manuel Tanzer; Benjamin Lang; Alexander Bergmann

doi:10.3791/65174

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工程学

Fabrication d’un Etalon Fabry-Pérot à faible coût, couplé à la fibre et espacé d’air

Published: February 03, 2023

doi:

10.3791/65174

Manuel Tanzer¹, Benjamin Lang¹, Alexander Bergmann¹

¹Institute of Electrical Measurement and Sensor Systems,Technical University of Graz

Summary

Ce protocole décrit la construction d’un etalon Fabry-Perot à faible coût, discret, couplé à des fibres et espacé d’air avec diverses applications, telles que la spectroscopie des gaz traces. La fabrication est possible dans n’importe quelle installation disposant d’un équipement de laboratoire optique standard.

Abstract

Les etalons Fabry-Pérot (FPE) ont trouvé leur place dans de nombreuses applications. Dans des domaines tels que la spectroscopie, les télécommunications et l’astronomie, les FPE sont utilisés pour leur sensibilité élevée ainsi que pour leur capacité de filtrage exceptionnelle. Cependant, les étalons espacés d’air avec une grande finesse sont généralement construits par des installations spécialisées. Leur production nécessite une salle blanche, une manipulation spéciale du verre et des machines de revêtement, ce qui signifie que les FPE disponibles dans le commerce sont vendus à un prix élevé. Dans cet article, une nouvelle méthode rentable pour fabriquer des EPF couplés à des fibres avec un équipement de laboratoire photonique standard est présentée. Le protocole devrait servir de guide étape par étape pour la construction et la caractérisation de ces EPF. Nous espérons que cela permettra aux chercheurs de procéder à un prototypage rapide et rentable de FPE pour divers domaines d’application. Le FPE, tel que présenté ici, est utilisé pour des applications spectroscopiques. Comme le montre la section des résultats représentatifs via les mesures de preuve de principe de la vapeur d’eau dans l’air ambiant, ce FPE a une finesse de 15, ce qui est suffisant pour la détection photothermique des concentrations de gaz à l’état de traces.

Introduction

Dans sa forme la plus élémentaire, un FPE se compose de deux surfaces miroirs partiellement réfléchissantes planes et parallèles¹. Dans les explications suivantes, lorsqu’il s’agit de miroirs, le substrat optique et le revêtement réfléchissant ne font qu’un. Dans la plupart des applications, les miroirs utilisés comportent une surface coincée² pour éviter les effets indésirables de l’étalon. La figure 1 illustre la formation du motif d’interférence d’un étalon espacé d’air (figure 1A), ainsi que la fonction de réflectance pour différentes réflectivités de miroir (figure 1B).

La lumière pénètre dans la cavité par un miroir, subit de multiples réflexions et quitte la cavité par réflexion et transmission. Comme cet article se concentre sur la fabrication d’un FPE fonctionnant en réflectance, les explications supplémentaires se réfèrent spécifiquement à la réflexion. Les ondes quittant la cavité interfèrent, en fonction de la différence de phase, q = 4πnd/λ. Ici, n est l’indice de réfraction à l’intérieur de la cavité, d est l’espacement miroir et λ est la longueur d’onde de la source lumineuse de l’interféromètre, appelée ici laser de sonde. Une réflectance minimale se produit lorsque la différence de chemin optique correspond au multiple entier de la longueur d’onde, . La finesse d’un étalon plan parallèle idéal est déterminée par les réflectivités miroir_R1 et_R2 seulement³ :

Cependant, un etalon réel est soumis à de nombreuses pertes, qui dégradent la finesse théoriquement réalisable ^4,5,6. La déviation du parallélisme du miroir⁷, l’incidence anormale du faisceau laser, la forme du faisceau⁸, les impuretés de surface du miroir et la diffusion, entre autres, entraînent une réduction de la finesse. Le motif d’interférence caractéristique peut être décrit par la fonction^{d’Airy 1}:

La largeur totale à la moitié du maximum (FWHM), ainsi que la gamme spectrale libre (FSR) de la fonction de réflectance, peuvent être calculées comme suit:

Figure 1 : Théorie de l’interféromètre Fabry-Perot. (A) Une représentation schématique de l’interférence multifaisceaux pour un étalon espacé d’air avec des fenêtres coincées. Une onde plane, E₀, pénètre dans la cavité sous un certain angle, φ, à travers une surface revêtue d’antireflet (AR) et subit ensuite de multiples réflexions entre les surfaces hautement réfléchissantes (R élevé) espacées à distance, d. À chaque réflexion, une partie de la lumière est découplée de l’étalon soit en transmission, soit en réflexion, où elle interfère avec les autres ondes. (B) La fonction de réflectance d’un etalon idéal de Fabry-Pérot pour différentes réflectivités de miroir (axe y). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Les FPE peuvent être trouvés dans un large éventail d’applications 9,10,11. Dans le cas présenté ici, le FPE est utilisé dans une installation d’interférométrie photothermique (PTI). Dans PTI, une faible densité et, par conséquent, des changements d’indice de réfraction, induits par l’excitation périodique suivie de la thermalisation rapide d’un gaz cible via un second laser, sont mesurés interférométriquement¹². La quantité de chaleur et, par conséquent, l’ampleur du changement d’indice de réfraction sont proportionnelles à la concentration de gaz. Lors de la mesure de l’intensité de la fonction de réflectance du FPE à son point le plus raide (point de fonctionnement), ces changements d’indice de réfraction déplacent la fonction de réflectance, modifiant ainsi l’intensité mesurée. Comme la fonction de réflectance peut être supposée linéaire dans la région autour du point de fonctionnement, le signal mesuré est alors proportionnel à la concentration de gaz. La sensibilité du capteur est déterminée par la pente de la fonction de réflectance et est donc proportionnelle à la finesse. La PTI, en combinaison avec les FPE, s’est révélée être une méthode sensible et sélective pour détecter des traces de gaz et d’aérosols 13,14,15,16,17,18. Dans le passé, de nombreux capteurs pour les mesures de pression et acoustiques reposaient sur l’utilisation de pièces mobiles, comme des membranes, remplaçant le deuxième miroir du FPE¹⁹. Les déviations de la membrane entraînent une modification de la distance du miroir et, par conséquent, de la longueur du trajet optique. Ces instruments ont l’inconvénient d’être sujets aux vibrations mécaniques. Ces dernières années, le développement de microphones optiques utilisant des FPE solides a atteint un niveau commercial²⁰. En s’abstenant d’utiliser des pièces mobiles, le mesurande est passé de la distance à l’indice de réfraction à l’intérieur de la cavité Fabry-Parot, augmentant ainsi considérablement la robustesse des capteurs.

Les FPE espacés d’air disponibles dans le commerce dépassent le coût acceptable pour le prototypage et les tests, ainsi que pour l’intégration d’instruments de production à haut volume. La plupart des publications scientifiques qui construisent et utilisent de tels FPE ne traitent que de manière minimale du sujet de la fabrication^21,22. Dans la plupart des cas, des équipements et des machines spécifiques (par exemple, salles blanches, installations de revêtement, etc.) sont nécessaires; par exemple, pour les FPE entièrement intégrés à la fibre, un équipement de micro-usinage spécial est nécessaire. Pour réduire les coûts de fabrication et permettre le test de plusieurs configurations FPE différentes afin d’améliorer leur adéquation aux configurations PTI, une nouvelle méthode de fabrication a été développée, qui est décrite en détail dans le protocole suivant. En utilisant uniquement des composants standard disponibles dans le commerce, des composants standard en vrac et des fibres optiques de télécommunication, les coûts de fabrication pourraient être réduits à moins de 400 euros. Chaque installation travaillant avec un équipement photonique standard devrait être en mesure de reproduire notre schéma de fabrication et de l’adapter à leurs applications.

Protocol

1. Impression tridimensionnelle de la cellule de mesure Adaptez la cellule de mesure, comme indiqué dans le fichier de codage supplémentaire 1, à votre application. Imprimer en trois dimensions la cellule ainsi que les capuchons, donnés dans les fichiers de codage supplémentaires 1 à 3, pour le montage des matériaux optiques en vrac.REMARQUE : Une imprimante 3D SLA a été utilisée pour la présente étude (voir le tableau des matériaux). Lors de la génération du travail d’impression, assurez-vous de minimiser le nombre de structures de support à l’intérieur des cavités et des ouvertures. La résine résiduelle peut réduire le diamètre et l’optique en vrac peut se coincer. Après l’impression, nettoyez la cellule avec de l’alcool isopropylique et retirez toutes les structures de support avec un coupe-fil et du papier de verre. Enfilez les trous appropriés juste après l’impression et avant le durcissement.Enfilez l’entrée et la sortie de gaz en tant que M5 pour monter le raccord du tuyau. Enfilez le trou central en bas comme M4 pour le post-montage de la cellule. Enfiler les trous traversants plus petits perpendiculairement dans les trous traversants de la tige de la cage en tant que M3 pour permettre la fixation de la cellule au système de cage (Figure 2). Durcissement UV de la cellule (405 nm) et des bouchons à 60 °C pendant au moins 40 minutes à l’aide d’un dispositif de séchage UV disponible dans le commerce (voir le tableau des matériaux). Figure 2 : Rendu du modèle CAO étiqueté de la cellule de mesure. Une vue en coupe est fournie ici pour plus de clarté. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. 2. Préparation des entretoises Découpez deux entretoises dans une fenêtre de précision en silice fusionnée UV (UVFS). Découpez deux morceaux d’environ 3 mm de largeur à partir de la fenêtre de précision, comme illustré à la figure 3B.REMARQUE: Les entretoises peuvent être coupées à l’aide d’un coupe-verre conventionnel à faible coût (voir le tableau des matériaux).ATTENTION : Portez des gants et des lunettes de protection lorsque vous coupez et manipulez les optiques en vrac. Tracez une ligne droite sur la fenêtre de précision avec l’outil de coupe, puis cassez le verre à l’aide d’une pince. Utilisez toujours des pinces à surface plane et placez des mouchoirs de nettoyage des lentilles (ou similaires) entre le métal et le verre afin d’éviter d’endommager la surface du verre. Nettoyez les intercalaires avec un pulvérisateur de plumeau pour éliminer les débris de verre résiduels.REMARQUE: De plus, les entretoises peuvent être soigneusement essuyées avec du liquide de nettoyage des lentilles ainsi que des mouchoirs de nettoyage des lentilles sans appliquer de pression. 3. Montage de l’etalon Placez la cellule imprimée en 3D (étape 1) sur la table avec la fosse d’étalon tournée vers le haut. Insérez un joint torique (10 mm x 1 mm, voir le tableau des matériaux) dans la fosse d’étalon et pressez-le légèrement dans la rainure désignée. Placez le séparateur de faisceau avec la surface réfléchissante orientée vers le haut dans la fosse d’étalon et sur le joint torique. Placez soigneusement les deux entretoises sur le séparateur de faisceau à l’aide d’une pince à épiler. Placez-les de manière à générer une ouverture libre pour le laser à gaz et à excitation, qui pénètre dans la cavité d’air par le trou traversant allant d’un côté à l’autre de la cellule (Figure 2, chiffre 3).REMARQUE : Les entretoises doivent être placées de chaque côté pour obtenir une cavité d’air au milieu, comme le montre la figure 3B. Ne saisissez que les entretoises sur les surfaces latérales pour éviter de rayer les surfaces parallèles. Lorsque les entretoises sont en place, alignez le miroir sur le dessus d’elles, le côté réfléchissant étant orienté vers le bas. Le séparateur de faisceau, les entretoises et le miroir doivent maintenant être alignés concentriquement. Prenez le capuchon en étalon imprimé en 3D et placez les deux joints toriques (10 mm x 1 mm et 14 mm x 2 mm) dans les rainures désignées. Alignez le capuchon sur la rainure rectangulaire de la cellule et placez-le sur le miroir.Appliquez une pression sur le bouchon afin de fixer les entretoises en place. Soulevez la cellule tout en appliquant toujours une pression sur le capuchon et insérez quatre vis M4 à travers les trous désignés à l’arrière. Montez-les avec quatre écrous M4 sur la face avant et serrez-les jusqu’à ce que la pression du bouchon soit suffisante pour maintenir les entretoises en place et que les joints toriques soient suffisamment comprimés. Vérifiez si les entretoises sont toujours en place; Si c’est le cas, l’Etalon est maintenant prêt à être utilisé ultérieurement. Utilisez les deux capuchons supplémentaires imprimés en 3D pour monter des fenêtres laser sur le côté de la cellule de mesure afin de rendre la cellule étanche aux gaz. Par conséquent, placez un joint torique (10 mm x 1 mm) dans la rainure désignée sur la cellule et un autre (10 mm x 1 mm) sur le bouchon. Placez la fenêtre dans la rainure et fixez le capuchon de fenêtre à l’aide de quatre vis et écrous M3, comme illustré à la figure 2, numéro 2). Figure 3 : Rendu de la cellule de mesure et du FPE. (A) Rendu du processus d’assemblage de la cellule imprimée en 3D ainsi que du FPE avec le capuchon de montage correspondant. (B) Rendu des composants optiques en vrac dans le bon ordre. Les entretoises créent une cavité espacée entre les deux surfaces du miroir. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. 4. Assemblage de la plateforme d’alignement des fibres Assemblez les étages et les plaques d’adaptation comme indiqué dans le tableau des matériaux. Utilisez la figure 4 comme orientation pendant la construction. Montez le premier étage goniométrique à axe unique sur une breadboard optique dans la direction x.NOTE: La nomenclature de l’axe a été choisie arbitrairement. Le plan de la breadboard optique est défini comme un plan x-y, avec la direction verticale orientée vers l’extérieur de la breadboard dans une direction z positive. Selon les étapes utilisées, montez une plaque d’adaptation sur le dessus de l’étage goniométrique, si nécessaire.Montez une platine de translation micrométrique x-y à deux axes centrale sur le dessus de la plaque de l’adaptateur. Montez un support à angle droit sur l’étage de translation orienté dans la direction Y. Montez une platine de translation à axe unique sur le support à angle droit dans la direction z. À l’aide de plaques d’adaptation supplémentaires, montez le deuxième étage goniométrique dans la direction z sur l’étage de translation. Fixez une pince de virole en fibre sur le dessus d’un poteau. Choisissez la longueur du poteau de sorte que la virole de la fibre soit exactement au point de rotation du deuxième étage goniométrique vertical. La distance est indiquée dans le manuel de l’étape. Le diamètre extérieur de la virole de la fibre est de 2,8 mm. Si aucune pince pour ce diamètre n’est disponible, utilisez une pince de 2,5 mm et élargissez-la avec une perceuse. Monter le poteau avec la pince de virole sur le deuxième étage goniométrique vertical en position z correspondant au point de rotation du premier étage goniométrique horizontal de l’étape 4.2.Assurez-vous que le manchon de virole et la lentille GRIN dépassent de la pince de virole de quelques millimètres dans la direction z négative. Choisissez la position verticale du poteau de sorte que la pointe de la lentille GRIN soit au point de rotation de l’étage goniométrique. Pour monter l’étalon, prenez un poteau, montez un support à angle droit dessus et fixez-y une plaque de cage filetée SM1 standard de 30 mm. Monter quatre tiges de cage (>40 mm) sur la plaque orientée vers le z positif. Prenez quatre ressorts métalliques d’un diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre de la tige de cage et placez-en un sur chaque tige de cage. Faites glisser la cellule de mesure avec FPE intégré sur les tiges avec le côté séparateur de faisceau orienté vers le haut jusqu’à ce qu’il repose sur les ressorts.REMARQUE: Assurez-vous que la cellule peut se déplacer librement dans la direction z. Si le frottement est trop élevé, un élargissement supplémentaire des trous traversants de la cellule pour les tiges de la cage est nécessaire. Il est préférable de le faire avec un fichier rond. Montez le poteau, via un support de poteau, une plaque de base et un fourbe de serrage, juste en dessous de la plate-forme d’alignement des fibres. Assurez-vous que l’ouverture de la cellule, exposant le séparateur de faisceau, est centrée à environ 10 mm sous le porte-virole (étape 4.5). Figure 4 : Image de la plate-forme d’alignement avec le FPE couplé à la lentille GRIN pendant le processus de durcissement UV. Les composants écrits en gris sont destinés aux mesures PTI et ne sont pas nécessaires au processus d’alignement. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. 5. Configuration opto-électronique Assembler les composants optoélectroniques énumérés dans le tableau des matériaux et les disposer schématiquement comme indiqué à la figure 5. Montez les composants de fibre optique sur une carte d’essai optique à l’aide des plateaux de composants correspondants. Montez le laser sur un support de diode laser. Connectez la source laser à un pilote laser et à un contrôleur TEC (refroidisseur thermoélectrique) avec une fonction de modulation intégrée (modulation triangulaire); Sinon, un générateur de fonctions supplémentaire est nécessaire. Réglez l’amplitude de modulation du courant triangulaire de manière à couvrir une gamme de longueurs d’onde bien supérieure à la FWHM attendue de l’étalon (les calculs peuvent être trouvés dans la section discussion). Réglez la fréquence de modulation sur environ 100 Hz. Connectez la sortie optique du laser à l’entrée de l’isolateur à l’aide de manchons d’accouplement L-bracket. Montez un atténuateur à fibre optique de 15 dB après l’isolateur et connectez-le au port d’entrée du coupleur 1 x 2. Connectez le port de sortie du coupleur avec une alimentation optique de 90% au port 1 du circulateur optique. Connectez le port de sortie du coupleur avec une puissance optique de 10% à la photodiode de référence du détecteur symétrique. Connectez le port 2 du circulateur au système de lentilles ferrule-GRIN à queue de cochon. Connectez le port 3 à la photodiode de signal du détecteur. Réglez le détecteur équilibré en mode « Auto-Balanced ». Connectez la sortie électrique « Signal » du détecteur à un canal de l’oscilloscope avec un câble BNC. Figure 5: Schéma de la configuration optoélectronique pour la procédure d’alignement. Les lignes rouges représentent les fibres optiques, les lignes noires sont des câbles électroniques et le faisceau bleu est le laser de la sonde. Un détecteur équilibré est utilisé ici, mais il peut être remplacé par un photodétecteur conventionnel. Par conséquent, le coupleur 1 x 2 peut être omis. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. 6. Alignement de la lentille fibre-GRIN Montez la pince de virole sur un poteau et fixez-la via un support de poteau sur une planche à pain optique. Fixez le manchon de virole en fibre dans une pince de virole. Comme mentionné à l’étape 4.6, élargissez la pince de virole avec une perceuse si nécessaire. Remplissez une pipette avec un adhésif durcissant aux UV (voir le tableau des matériaux).ATTENTION : Portez des gants et des lunettes lorsque vous manipulez l’optique en vrac ainsi que l’adhésif à durcissement UV. Prenez la virole de fibre à queue de cochon et ajoutez une goutte d’adhésif sur la surface latérale de la virole. Gardez la surface avant de la virole propre. Insérez la virole dans le manchon de la virole. Assurez-vous d’insérer la virole suffisamment profondément pour que l’extrémité avant de la lentille GRIN soit à au moins 1-2 mm à l’extérieur du manchon de la virole. Appliquer un pré-durcissement très rapide avec une lampe UV (~10 s). Ne faites briller la lumière que par l’arrière (extrémité fibreuse de la virole) pour fixer la virole au manchon sans durcir aucun adhésif sur l’extrémité avant de la virole. Prenez la lentille GRIN et trouvez le côté coincé. Cela peut être fait avec un microscope ou simplement en le tournant. Ainsi, le côté coincé de 8° devient visible. Appliquez un adhésif goutte sur l’extrémité coincée de la lentille GRIN et insérez-le dans le manchon de virole.REMARQUE: En appliquant une légère pression, l’air quitte la cavité entre la virole et la lentille GRIN. Il se peut qu’il n’y ait pas de bulles d’air entre les deux surfaces. S’il y en a, un léger virage peut aider; sinon, retirez la lentille GRIN et répétez l’étape 6.8. Faites pivoter l’objectif GRIN avec précaution jusqu’à ce que les deux surfaces inclinées soient parallèles. Montez un analyseur de faisceau à environ 150 mm devant l’objectif GRIN. Si aucun analyseur de faisceau n’est disponible, un capteur de puissance avec un trou d’épingle à l’avant peut être utilisé. Connectez la virole à queue de cochon à un laser avec la longueur d’onde appropriée. Allumez le laser.ATTENTION : Des précautions de sécurité laser doivent être prises. À l’aide d’une pince à épiler, déplacez légèrement la lentille GRIN hors du manchon de la virole pour modifier la distance entre la virole et la lentille GRIN. Cette distance est cruciale pour définir la distance focale du système. Tout en déplaçant l’objectif GRIN, surveillez en permanence la forme du faisceau (ou la puissance optique).REMARQUE: Une courte pré-cure (~ 10 s) peut aider si le processus d’alignement est trop instable. Lorsque le système est concentré sur l’optimum souhaité, appliquez le durcissement final en l’exposant à la lumière UV pendant environ 10 minutes. Après le durcissement, retirez le manchon de virole de la pince; À ce stade, il est prêt pour une utilisation ultérieure. 7. Alignement fibre-etalon Prenez la virole à queue de cochon et le système de lentilles GRIN de l’étape 5 et montez-les avec la pince de virole de l’étape 4.5. Assurez-vous que l’étage de translation dans la direction z est déplacé à sa hauteur maximale et que tous les autres étages sont en position neutre (centrée). Alignez la cellule en dessous. Assurez-vous que la lentille GRIN pointe directement vers le centre de l’ouverture. Fixez la position de la cellule à une hauteur légèrement inférieure à la lentille GRIN (environ 5 mm). Appliquez une ou deux gouttes d’adhésif sur l’extrémité avant de la lentille GRIN avec la pipette. Abaissez l’étage de translation dans la direction z jusqu’à ce que le contact avec la surface antireflet du séparateur de faisceau soit assuré. Continuez à abaisser la lentille GRIN jusqu’à ce qu’une pression suffisante soit appliquée et que les ressorts soient suffisamment tendus.REMARQUE: Cela garantit que le contact entre la lentille GRIN et le séparateur de faisceau est maintenu pendant le processus d’inclinaison de l’alignement. La quantité de pression nécessaire dépend de la configuration et peut être ajustée pendant l’alignement si aucune fonction de réflectance raisonnable ne peut être observée. L’expérience a montré qu’une pression accrue facilite généralement le processus d’alignement. Allumez le laser modulé ainsi que l’oscilloscope. Assurez-vous que l’oscilloscope a la résolution la plus élevée possible lors du démarrage du processus d’alignement. Réglez la résolution temporelle de sorte que deux à trois périodes de la modulation soient visibles. Démarrez le processus d’alignement en vous assurant que la lentille GRIN pointe normalement sur la surface du séparateur de faisceau. Cela peut être fait par inspection visuelle et en tournant les étapes goniométriques en conséquence. C’est maintenant la position zéro. Étape par étape, déviez légèrement un étage goniométrique, puis déplacez l’autre étage goniométrique autour de la position zéro.Si aucun changement ne peut être observé sur l’oscilloscope, dévier légèrement plus le premier étage goniométrique et répéter ce processus itératif jusqu’à ce que la modulation triangulaire devienne visible sur l’oscilloscope. Si vous observez une hystérésis du signal après les mouvements des étages, vérifiez si tous les composants sont correctement fixés.REMARQUE: Une augmentation de la pression causée par le déplacement de l’étage z vers le bas peut également aider. Si le signal observé n’est pas aussi fort que prévu, la rétroréflexion peut provenir de l’une des surfaces de l’étalon ou de l’un des pics périphériques de la fonction de réflectance. En règle générale, avec un séparateur de faisceau à 70% et un miroir entièrement réfléchissant, les réflexions de crête observées sont de l’ordre de 25% de la puissance optique introduite dans l’étalon. Une fois qu’une forte réflexion arrière est observée, ajustez la résolution de l’oscilloscope et assurez-vous que le pic de la fonction de réflectance de l’étalon se trouve au centre des pentes de modulation triangulaire (Figure 6). Réglez le pic de l’étalon en changeant la température du laser jusqu’à ce que le pic soit centré sur la pente. Essayez de maximiser la force de crête (tension minimale) tout en maximisant simultanément le rapport crête à crête de la modulation triangulaire par de légers mouvements des étages goniométriques. Lorsque le processus d’alignement est terminé, montez la lampe UV près de la lentille GRIN. Utilisez une monture d’objectif auto-centrée à un angle de 45°. Effectuez le durcissement par étapes. Tout d’abord, durcissez l’adhésif qui a déjà été appliqué à l’étape 7.4. Continuez à surveiller la fonction de réflectance sur l’oscilloscope. Si le durcissement entraîne une dégradation de l’alignement due au retrait de l’adhésif, ajustez légèrement les étapes goniométriques. Après 5-10 min, éteignez la lampe UV et appliquez plus d’adhésif autour de la lentille GRIN sans la toucher. Exposez l’adhésif à la lumière UV pendant encore 5 à 10 minutes. Répétez cette étape jusqu’à ce que l’ouverture de la cellule soit complètement remplie d’une couche homogène d’adhésif. Effectuer la cure finale pendant plus de 1 h. Pour assurer une bonne connexion des composants collés, laissez reposer toute l’installation pendant 1 semaine ou trempez le joint adhésif à 60 °C pendant 1 h, si possible. Maintenant, le manchon de virole peut être retiré de la pince. Par conséquent, déplacez l’étape de traduction dans une direction z positive jusqu’à ce que les ressorts soient complètement détendus. Évitez tout stress sur le système de lentilles ferrule-GRIN; Ouvrez la pince et retirez-la. Maintenant, l’etalon est terminé et prêt pour une utilisation ultérieure. Figure 6 : Signal exemplaire générique de l’oscilloscope. En vert, un bon alignement est représenté, et en jaune, un pire est montré. Plus l’alignement est bon, plus le rapport crête sur crête de la modulation triangulaire est élevé, et plus le pic de réflectance (vallée) se rapproche de zéro. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. 8. Caractérisation d’Etalon Pour l’évaluation de l’étalon produit, utilisez la même configuration à fibre optique que celle décrite à l’étape 5. Utilisez un système de mesure capable de régler la température du laser par étapes et avec un taux d’enregistrement de données suffisant.REMARQUE: Un système basé sur FPGA est utilisé ici (voir Tableau des matériaux). Calculez la FSR théorique. Selon le laser utilisé (voir coefficient de réglage de la température), effectuez un balayage de température correspondant à au moins deux FSR. Augmentez la température par étapes (incréments de ~0,005 °C) et laissez le TEC se contenter de 2-3 s avant de mesurer pendant 2-3 s supplémentaires à chaque fois. Traitez les données avec n’importe quel programme de calcul numérique. Utilisez n’importe quelle bibliothèque de traitement du signal avec un détecteur de crête intégré. La distance entre deux sommets suivants représente la FSR. Calculez le FWHM en évaluant la largeur du pic à sa demi-hauteur.NOTE: Comme le calcul de FSR et FWHM dépend fortement du format de données, aucun code n’est donné ici, mais il peut être mis à disposition par l’auteur sur demande. Convertissez la température en longueur d’onde en utilisant le coefficient de réglage de la température du laser. Calculez la FSR ainsi que la FWHM à partir des mesures (Figure 7). Calculez la finesse du FPE fabriqué avec la formule suivante :.

Representative Results

Comme on peut le voir à la figure 7, un FPE avec une fonction de réflectance bien définie pourrait être fabriqué. Figure 7 : Fonction de réflectance mesurée du FPE fini. Un balayage de température, correspondant à un balayage de longueur d’onde du laser, a été effectué pour mesurer la fonction de réflectance du FPE. Ceci est utilisé pour évaluer des métriques telles que la pleine largeur à la moitié maximale (FWHM) et la plage spectrale libre (FSR) du dispositif fabriqué. La réflectance relative fait référence à la proportion relative de lumière réfléchie dans la fibre après avoir passé le FPE. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Les métriques mesurées du FPE sont listées dans le tableau 1 et comparées aux valeurs calculées d’un etalon idéal avec les mêmes spécifications. Les formules pour un FPE idéal peuvent être trouvées dans la section d’introduction. Mesuré FPE idéal Finesse 12.8 17.1 FWHM 0,0268 nm 0,0234 nm FSR 0,3441 nm 0,4004 nm Sensibilité 14 1/nm 21 1/nm Tableau 1 : Comparaison des mesures mesurées et calculées de l’etalon FPE fabriqué. Pour valider l’aptitude à une application désignée, le FPE est utilisé pour les mesures PTI de la vapeur d’eau dans l’air ambiant. Par conséquent, un laser d’excitation d’une longueur d’onde de 1 364 nm est guidé perpendiculairement dans la cellule au laser de la sonde. Les deux lasers se croisent à l’intérieur du FPE. Le laser d’excitation est modulé sinusoïdalement avec une fréquence de 125 Hz. En stabilisant le laser de la sonde sur la pente la plus raide du FPE, via un courant constant, la sensibilité la plus élevée du capteur est atteinte. Pour les mesures de vapeur d’eau, la cellule fonctionne avec des fenêtres ouvertes et est exposée à l’air ambiant avec une concentration de 13 762 ppmV, mesurée par un appareil de référence (température = 21,4 °C, pression = 979,9 hPa, humidité relative = 52,2%). Le signal est extrait au moyen d’une transformée de Fourier rapide (FFT) et comparé au signal de fond avec le laser d’excitation éteint, comme le montre la figure 8. Un rapport signal sur bruit supérieur à 7 000 peut être obtenu, ce qui correspond à une limite de détection d’environ 5 ppmV (3σ). Figure 8 : Mesures PTI de la vapeur d’eau dans l’air ambiant. En noir, le signal FFT d’une mesure avec excitation laser 125 Hz est affiché. En bleu, le signal de fond sans excitation est représenté. L’encart montre plus en détail le pic mesuré à 125 Hz. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Fichier de codage supplémentaire 1 : Measurement_cell. SLDPRT. Fichier CAO pour la cellule de mesure. La cellule peut être adaptée aux exigences de l’application spécifique et ensuite imprimée en 3D. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Fichier de codage supplémentaire 2 : cap_etalon. SLDPRT. Fichier CAO pour la fixation de l’étalon à l’intérieur de la cellule de mesure. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Fichier de codage supplémentaire 3 : cap_window. SLDPRT. Fichier CAO pour fixer les fenêtres laser sur la cellule de mesure. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

Comme le FPE fabriqué selon le protocole donné ici est optimisé pour une application spécifique, les adaptations possibles et les étapes critiques sont expliquées dans ce chapitre. Tout d’abord, le FPE et la cellule de mesure sont conçus pour les mesures PTI. Par conséquent, une entrée et une sortie de gaz, ainsi qu’un canal pour le laser d’excitation, qui est perpendiculaire au laser de la sonde, sont ajoutés à la cellule. Toutes les ouvertures de la cellule sont soit étanches à l’air via des joints toriques et/ou couvertes par des fenêtres UVFS pour permettre la propagation laser. Si elle est utilisée différemment, la cellule, comme indiqué dans le fichier de codage supplémentaire 1, peut être repensée et adaptée à l’application spécifique. Le filetage à l’étape 1.4 est effectué après impression. Les filetages peuvent également être imprimés en 3D, mais comme ils ont tendance à s’user rapidement, seuls les trous avec le diamètre de trou de noyau approprié sont imprimés, et ceux-ci sont filetés par la suite.

Le choix du matériau pour les entretoises à l’étape 2.1 est crucial. Le parallélisme des entretoises détermine le parallélisme des miroirs etalon et, par conséquent, influence la finesse⁷. Une fenêtre de précision UVFS de 1/2 pouce, telle que fournie dans le tableau des matériaux, avec un parallélisme de ≤5 arcsecs et une planéité de surface de λ/10 sur l’ouverture libre a été utilisée dans cette étude. Le coefficient de dilatation thermique des UVFS est de 0,55 x 10⁻⁶/°C. La stabilité de la température peut encore être augmentée en utilisant, par exemple, des entretoises Zerodur⁵ , avec un coefficient de dilatation thermique inférieur à 0,1 x 10⁻⁶/°C ; Cependant, cela présente l’inconvénient de coûts plus élevés.

Le FPE est formé d’un miroir entièrement réfléchissant, ainsi que d’un séparateur de faisceau. Le séparateur de faisceau a une surface réfléchissante à 70%, ainsi qu’une face arrière revêtue d’antireflets. Cela permet le couplage de la lumière à l’intérieur et à l’extérieur de l’étalon. De plus, le substrat du séparateur de faisceau comporte un côté coincé pour éviter les effets indésirables de l’étalon. L’arrière du miroir est rugueux pour les mêmes raisons.

À l’étape 5.1, la configuration optoélectronique pour suivre le processus d’alignement est décrite. Toutes les fibres utilisées sont des fibres SMF-28 standard avec connecteurs FC/APC. En raison de l’application désignée pour PTI, un photodétecteur équilibré était facilement disponible dans cette étude, mais cela n’est pas nécessaire en général. Un photodétecteur conventionnel peut être utilisé à la place; Dans ce cas, l’utilisation d’un coupleur 1 x 2 est obsolète. Ces modifications n’affectent pas les autres composants de la configuration, comme illustré à la figure 5. La modulation de courant triangulaire du laser de la sonde, telle que décrite à l’étape 5.4, correspond à un balayage de longueur d’onde. Une plage de courant suffisante pour balayer au moins un pic de réflectance du FPE doit être choisie. Par conséquent, une RSF peut servir de règle empirique. Les calculs pour la RSF d’un FPE idéal peuvent être trouvés dans la section d’introduction. Avec le coefficient de réglage du courant (nm/mA) du laser, indiqué dans le manuel respectif, la plage de courant couvrant un FSR peut être calculée. À titre d’exemple, le laser utilisé dans ce travail avait un coefficient d’accord de courant de 0,003 nm/mA et émis à une longueur d’onde de 1 550 nm. La FSR attendue d’un FPE idéal avec un espacement miroir de 3 mm, d, est d’environ 0,4 nm. Cela donne une plage de réglage du courant de 133 mA.

Dans ce travail, la fréquence de modulation a été réglée à 100 Hz pour un affichage pratique à l’oscilloscope. Comme la plage de réglage du courant souhaitée est assez grande, un atténuateur à fibre fixe peut être utilisé pour rester dans les limites de puissance du détecteur utilisé. L’atténuateur peut être monté directement après l’isolateur.

L’adhésif UV utilisé aux étapes 6 et 7 est transparent à la lumière laser et a un indice de réfraction de 1,56. Le processus d’alignement, tel que décrit à l’étape 7.1, dépend du photodétecteur disponible. Le détecteur équilibré utilisé dans cette configuration génère une sortie « Signal » de tension négative. Pour des raisons de généralité, une sortie de tension positive est supposée pour la description de l’étape 7.10 et de la figure 6. Pour un étalon bien aligné, le pic de réflectance ira vers zéro, tandis que la fonction triangulaire augmentera son rapport crête à crête.

Pour la caractérisation de l’étalon à l’étape 8.1, un logiciel de calcul numérique est utilisé (voir Tableau des matériaux). La tension mesurée pour chaque étape de température est moyennée et tracée, comme le montre la figure 7. Pour convertir les pas de température en pas de longueur d’onde, le coefficient de réglage de la température du laser de sonde est utilisé. Les bibliothèques d’analyse de signaux ont intégré des algorithmes de recherche de pointe, qui peuvent être utilisés à cette fin. Comme l’analyse des données dépend fortement du format des données, aucun code n’est fourni ici, mais il peut être mis à disposition par l’auteur correspondant sur demande.

Une limitation possible de la technique de fabrication présentée ici est la stabilité thermique et mécanique dans des environnements changeants. Comme le domaine d’application de ce document d’instruction est le prototypage à faible coût de FPE pour des applications de laboratoire, aucun test concernant la stabilité mécanique et la stabilité en température n’est donné ici. Si le FPE est utilisé pour des applications mobiles ou dans des environnements changeants, des mesures supplémentaires doivent être prises afin de stabiliser mécaniquement le système de lentilles fibre-GRIN par rapport à l’étalon.

Une nouvelle méthode de fabrication et de caractérisation d’un FPE est démontrée ici avec des composants optiques standard disponibles dans chaque laboratoire photonique. Le FPE présenté a une finesse d’environ 15 et une sensibilité suffisante pour détecter environ 5 ppmV de vapeur d’eau. Outre l’application présentée pour PTI, ce FPE pourrait être utilisé dans des applications telles que la construction de microphones optiques 20, qui sont couramment appliqués dans le domaine des contrôles non destructifs 23, des mesures d’indice de réfraction 24,25 ou des hygromètres ²⁶^, pour n’en nommer que quelques-unes.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les travaux présentés ici ont été menés dans le cadre du projet financé par la FFG « Green Sensing » et du programme SPS de l’OTAN « Photonic Nano Particle Sensors for Detection CBRN events ». Le travail a également été soutenu par le TU Graz Open Access Publishing Fund.

Materials

Auto-Balanced Photoreceiver Nirvana	New Focus, Inc.	2017	Balanced Photodetector
Benchtop laser diode/TEC controller, 1A/96 W	Thorlabs	ITC4001
Butterfly laser diode mount	Thorlabs	LM14S2
Clamping fork	Thorlabs	CF175
compactRIO	National Instruments		For data aquisition
Dust remover	RS Components	168-1644
FC/APC to FC/APC Single L-Bracket Mating Sleeve	Thorlabs	ADAFCB3	Multiple needed
Fiber cleaning fluid	Thorlabs	RCS3
Fiber optic SM circulator	AFW technologies	CIR-3-15-L-1-2
Fiber optic SM coupler 1 x 2, 90/10	AFW technologies	FOBC-1-15-10-L-1-S-2	Only if balanced photodetector is used
Fiber optic SM isolator	AFW technologies	ISOD-15-L-1-2
Fiber optic storage reels	Thorlabs	FSR1	Multiple needed
Fixed fiber optic attenuator	Thorlabs	FA15T-APC	Different attenuation levels used
GRIN/Ferrule Sleeve, 1.818 mm Internal Diameter, 10 mm Length, Borosilicate Glass	Thorlabs	51-2800-1800	Fiber-GRIN-lens system
GRIN Lens, Ø1.8 mm, 0.23 Pitch, 8°, 1560 nm Design Wavelength, AR Coated: 1250 – 1650 nm	Thorlabs	GRIN2315A	Fiber-GRIN-lens system
Handheld UV-LED lamp	RS Components	220-6819	Lamp for curing the adhesive
High precision stage and base	Newport	9062-X-M	Three nedded
Hose conector	RS Components		M5 threaded
Large Goniometer, 44.5 mm Distance to Point of Rotation, ±5°, Metric	Thorlabs	GNL18/M	Two needed
L-Bracket Mating Sleeve	Thorlabs	ADAFCB3
Magnetic button clamps	Thorlabs	BM075	Multiple needed
Micrometer screw	Newport	9355	Three nedded
MIL-A-3920 Optical Adhesive with Resiliency, 1 oz.	Thorlabs	NOA61	UV-curing adhesive
Mounting Base, 50 mm x 75 mm x 10 mm	Thorlabs	BA2/M
O-Rings	Haberkorn		Sizes given in text
Passive component fiber tray	Thorlabs	BFCT	Multiple needed
Pedestal base adapter	Thorlabs	BE1
Pigtailed Ferrule, Ø1.8 mm, 8°, FC/APC, AR Coated: 1310/1550 nm	Thorlabs	SMPF0115-APC	Fiber-GRIN-lens system
Post holder	Thorlabs	PH30/M
Post-Mountable Ø2.5 mm Ferrule Clamp, M4 Tap	Thorlabs	FCM/M
Python	Python	3.9	Numerical data analysis software
Right-angled-bracket	Newport	9062-A-M
Self-centering lens mount	Thorlabs	SCL03
Silberschnitt 3001	Bohle	3001	Glas cutter set
SM1-threaded standard cage plate	Thorlabs	CP33/M
UV-curing device	Formlabs	Form Cure
1550 nm 20 mW butterfly DFB laser diode	AeroDiode	1550LD-5-0-0-2
3D-printer	Formlabs	3+
Ø1/2" UVFS Broadband Precision Window, Uncoated, t = 3 mm	Thorlabs	WG40530	Spacers
Ø1/2" Broadband Dielectric Mirror, 1280 – 1600 nm	Thorlabs	BB05-E04	Mirror
Ø1/2" 70:30 (R:T) UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 1.2 – 1.6 µm, t = 3 mm	Thorlabs	BST06	Beamsplitter

References

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Tanzer, M., Lang, B., Bergmann, A. Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-Pérot Etalon. J. Vis. Exp. (192), e65174, doi:10.3791/65174 (2023).