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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Ingenieurwesen

저비용, 섬유 결합 및 공기 간격 Fabry-Pérot Etalon 제작

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

이 프로토콜은 미량 가스 분광법과 같은 다양한 응용 분야를 가진 저비용, 이산, 광섬유 결합 및 공기 간격 Fabry-Perot etalon의 구성을 설명합니다. 제작은 표준 광학 실험실 장비를 사용할 수 있는 모든 시설에서 가능합니다.

Abstract

Fabry-Pérot etalons (FPE)는 많은 응용 분야에 적용되었습니다. 분광학, 통신 및 천문학과 같은 분야에서 FPE는 높은 감도와 뛰어난 필터링 기능으로 인해 사용됩니다. 그러나 높은 기교를 지닌 공기 간격의 에탈론은 일반적으로 특수 시설에 의해 건설됩니다. 생산에는 클린룸, 특수 유리 취급 및 코팅 기계가 필요하므로 상업적으로 이용 가능한 FPE가 높은 가격에 판매됩니다. 이 기사에서는 표준 광자 실험실 장비를 사용하여 광섬유 결합 FPE를 제조하는 새롭고 비용 효율적인 방법을 제시합니다. 이 프로토콜은 이러한 FPE의 구성 및 특성화를 위한 단계별 가이드 역할을 해야 합니다. 이를 통해 연구원들이 다양한 응용 분야에서 FPE의 빠르고 비용 효율적인 프로토타이핑을 수행할 수 있기를 바랍니다. 여기에 제시된 FPE는 분광 응용 분야에 사용됩니다. 주변 공기 중 수증기의 원리 증명 측정을 통한 대표 결과 섹션에서 볼 수 있듯이 이 FPE는 미량 농도의 가스에 대한 광열 감지에 충분한 15의 기교를 가지고 있습니다.

Introduction

가장 기본적인 형태로, FPE는 두 개의 평면 평행 부분 반사 거울 표면¹로 구성된다. 이하의 설명에서, 거울을 언급할 때, 광학 기판과 반사 코팅은 하나로 다루어진다. 대부분의 응용 분야에서 사용되는 거울은 원치 않는 에탈론 효과를^{방지하기 위해 하나의} 쐐기 표면2을 특징으로 합니다. 그림 1은 공기 간격 에탈론의 간섭 패턴 형성(그림 1A)과 다양한 미러 반사율에 대한 반사율 함수(그림 1B)를 보여줍니다.

빛은 하나의 거울을 통해 공동으로 들어가 여러 번 반사되고 반사와 투과를 통해 공동을 떠납니다. 이 기사에서는 반사율로 작동하는 FPE의 제작에 초점을 맞추기 때문에 추가 설명은 특히 반사에 대해 설명합니다. 캐비티를 떠나는 파동은 위상차( q = 4πnd/λ)에 따라 간섭합니다. 여기서 n 은 캐비티 내부의 굴절률, d 는 미러 간격, λ는 간섭계 광원의 파장(여기서는 프로브 레이저라고 함)입니다. 최소 반사율은 광학 경로 차이가 파장 의 정수 배수와 일치할 때 발생합니다. 이상적인 평면 평행 에탈론의 기교는 미러 반사율 R₁ 및 R₂ ^3에 의해서만 결정됩니다.

그러나 실제 에탈론은 많은 손실을 입어 이론적으로 달성 가능한 기교 ^4,5,6을 저하시킵니다. 미러 평행도(⁷)의 편차, 레이저 빔의 비정상 입사, 빔 형상(⁸), 미러 표면 불순물 및 산란 등은 기교의 감소를 초래한다. 특징적인 간섭 패턴은 Airy 함수¹로 설명할 수 있습니다.

FWHM(Full Width at Half Maximum)과 반사율 함수의 자유 스펙트럼 범위(FSR)는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

그림 1: Fabry-Pérot 간섭계 이론 . (A) 쐐기형 창이 있는 공기 간격 에탈론에 대한 다중 빔 간섭의 개략도. 평면파 E₀ 는 반사 방지 (AR) 코팅 된 표면을 통해 특정 각도 (φ)로 캐비티에 들어가고, 그 후 거리 (d)에 이격 된 고 반사 (높은 R) 표면 사이에서 다중 반사를 겪습니다. 각 반사와 함께 빛의 일부는 투과 또는 반사에서 에탈론과 결합되어 다른 파동을 방해합니다. (B) 다양한 거울 반사율(y축)에 대한 이상적인 Fabry-Pérot etalon의 반사율 함수. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

FPE는 광범위한 응용 분야에서 찾을 수 있습니다 9,10,11. 여기에 제시된 경우 FPE는 광열 간섭계(PTI) 설정에 사용됩니다. PTI에서, 주기적인 여기(excitation)에 의해 유도된 작은 밀도 및 그에 따른 굴절률 변화(refractive index 변화)에 이어 제2 레이저를 통한 타겟 가스의 빠른 열화(thermal thermal ization)가 간섭계(interferometric)로 측정된다⁽¹²). 열의 양과 굴절률 변화의 크기는 가스 농도에 비례합니다. FPE의 가장 가파른 지점(동작점)에서 반사율 함수의 강도를 측정할 때 이러한 굴절률 변화는 반사율 함수를 이동시켜 측정된 강도를 변경합니다. 반사율 함수는 동작 지점 주변 영역에서 선형이라고 가정할 수 있으므로 측정된 신호는 가스 농도에 비례합니다. 센서의 감도는 반사율 함수의 기울기에 의해 결정되므로 기교에 비례합니다. PTI는 FPE와 함께 미량의 가스와 에어로졸 13,14,15,16,17,18을 검출하는 민감하고 선택적인 방법임이 입증되었습니다. 과거에는 압력 및 음향 측정을 위한 많은 센서가 FPE¹⁹의 두 번째 미러를 대체하는 멤브레인과 같은 움직일 수 있는 부품을 사용하는 데 의존했습니다. 멤브레인의 처짐은 미러 거리의 변화로 이어지고, 따라서 광학 경로 길이의 변화로 이어집니다. 이러한 기기는 기계적 진동이 발생하기 쉽다는 단점이 있습니다. 최근 몇 년 동안 솔리드 FPE를 사용하는 광학 마이크의 개발은 상용 수준²⁰에 도달했습니다. 움직일 수 있는 부품의 사용을 자제함으로써 측정은 거리에서 Fabry-Pérot 캐비티 내부의 굴절률로 변경되어 센서의 견고성을 크게 높였습니다.

상업적으로 이용 가능한 공기 간격 FPE는 프로토타이핑 및 테스트뿐만 아니라 대량 생산 기기 통합에 허용되는 것 이상의 비용이 듭니다. 이러한 FPE를 구성하고 사용하는 대부분의 과학 출판물은 제조 주제를 최소한으로 논의합니다^21,22. 대부분의 경우 특정 장비 및 기계(예: 클린룸, 코팅 시설 등)가 필요합니다. 예를 들어, 완전히 섬유가 통합된 FPE의 경우 특수 미세 가공 장비가 필요합니다. 제조 비용을 절감하고 여러 FPE 구성을 테스트하여 PTI 설정에 대한 적합성을 향상시키기 위해 새로운 제조 방법이 개발되었으며, 이는 다음 프로토콜에 자세히 설명되어 있습니다. 상업적으로 이용 가능한 표준 벌크 광학 및 통신 광섬유 부품만 사용함으로써 제조 비용을 €400 유로 미만으로 줄일 수 있습니다. 표준 광자 장비로 작업하는 모든 시설은 당사의 제조 계획을 재현하고 응용 분야에 적용할 수 있어야 합니다.

Protocol

1. 측정 셀의 3차원 프린팅 Supplementary Coding File 1에 제공된 대로 측정 셀을 어플리케이션에 맞게 조정합니다. 벌크 광학 재료를 장착하기 위해 Supplementary Coding Files 1-3에 제공된 셀과 캡을 3차원 인쇄합니다.참고: 본 연구에는 SLA 3D 프린터가 사용되었습니다( 재료 표 참조). 인쇄 작업을 생성하는 동안 캐비티 및 개구부 내부의 지지 구조물 수를 최소화해야 합니다. 잔류 수지는 직경을 감소시킬 수 있으며 벌크 광학 장치가 고착될 수 있습니다. 인쇄 후 이소프로필 알코올로 셀을 청소하고 와이어 커터와 사포로 모든 지지 구조를 제거합니다. 인쇄 직후와 경화 전에 적절한 구멍을 끼우십시오.가스 주입구와 배출구를 M5로 끼워 호스 커넥터를 장착합니다. 셀 장착 후 하단의 중앙 구멍을 M4로 끼우십시오. 더 작은 스루홀을 케이지 로드 스루홀에 수직으로 M3으로 끼워 케이지 시스템에 셀을 고정할 수 있습니다(그림 2). UV 경화 전지 (405 nm)를 시판되는 UV 경화 장치를 사용하여 적어도 40 분 동안 60 °C에서 캡핑한다 ( 재료 표 참조). 그림 2: 측정 셀의 레이블이 지정된 CAD 모델 렌더링. 보다 명확성을 위해 단면도가 여기에 제공됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 2. 스페이서 준비 하나의 UVFS(UV-fused silica) 정밀 창에서 두 개의 스페이서를 잘라냅니다. 그림 3B와 같이 정밀 창에서 약 3mm 너비의 두 조각을 잘라냅니다.알림: 스페이서는 기존의 저비용 유리 절단기를 사용하여 절단할 수 있습니다( 재료 표 참조).주의 : 벌크 광학 장치를 절단하고 취급하는 동안 장갑과 보호 안경을 착용하십시오. 커터 도구로 정밀 창에 직선을 그린 다음 플라이어를 사용하여 유리를 깨뜨립니다. 항상 표면이 평평한 플라이어를 사용하고 유리 표면의 손상을 방지하기 위해 금속과 유리 사이에 렌즈 세척 티슈(또는 이와 유사한 것)를 놓으십시오. 먼지떨이 스프레이로 스페이서를 청소하여 잔여 유리 파편을 제거합니다.알림: 또한 스페이서는 압력을 가하지 않고 렌즈 세척액과 렌즈 세척 티슈로 조심스럽게 닦을 수 있습니다. 3. 에탈론의 조립 3D 프린팅된 셀(1단계)을 에탈론 피트가 위를 향하도록 테이블 위에 놓습니다. O-링(10mm x 1mm, 재료 표 참조)을 에탈론 피트에 삽입하고 지정된 홈에 살짝 누릅니다. 반사 표면이 위쪽을 향하도록 빔 스플리터를 에탈론 피트와 O-링에 놓습니다. 핀셋을 사용하여 두 개의 스페이서를 빔 스플리터에 조심스럽게 놓습니다. 가스 및 여기 레이저에 대한 명확한 구멍을 생성하는 방식으로 배치하여 셀의 한쪽에서 다른쪽으로 이어지는 관통 구멍을 통해 공기 캐비티로 들어갑니다 (그림 2, 번호 3).알림: 스페이서는 그림 3B와 같이 중간에 공기 구멍을 확보하기 위해 양쪽에 배치해야 합니다. 평행한 표면이 긁히지 않도록 측면의 스페이서만 잡으십시오. 스페이서가 제자리에 있으면 반사면이 아래를 향하도록 거울을 그 위에 맞춥니다. 이제 빔 스플리터, 스페이서 및 미러를 동심원으로 정렬해야 합니다. 3D 프린팅된 에탈론 캡을 잡고 두 O-링(10mm x 1mm 및 14mm x 2mm)을 지정된 홈에 넣습니다. 캡을 셀의 직사각형 홈에 맞추고 거울 위에 놓습니다.스페이서를 제자리에 고정하기 위해 캡에 압력을 가하십시오. 항상 캡에 압력을 가하면서 셀을 들어 올리고 뒷면에서 지정된 구멍을 통해 4개의 M4 나사를 삽입합니다. 전면에 4개의 M4 너트를 사용하여 장착하고 캡의 압력이 스페이서를 제자리에 고정하기에 충분하고 O-링이 충분히 압축될 때까지 조입니다. 스페이서가 여전히 제자리에 있는지 확인하십시오. 그렇다면 에탈론은 이제 더 이상 사용할 수 있습니다. 두 개의 추가 3D 프린팅 캡을 사용하여 측정 셀의 측면에 레이저 창을 장착하여 셀을 기밀하게 만듭니다. 따라서 O-링(10mm x 1mm)을 셀의 지정된 홈에 놓고 다른 링(10mm x 1mm)을 캡에 놓습니다. 창을 홈에 놓고 그림 3, 2번과 같이 4개의 M2 나사와 너트로 창 캡을 고정합니다. 그림 3: 측정 셀과 FPE의 렌더링. (A) 3D 프린팅 셀과 해당 마운팅 캡이 있는 FPE의 조립 공정 렌더링. (B) 벌크 광학 구성 요소를 올바른 순서로 렌더링합니다. 스페이서는 두 거울 표면 사이에 공기 간격의 공동을 만듭니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 4. 섬유 정렬 플랫폼의 조립 조립tages 및 어댑터 플레이트는 재료 표에 나열된 대로. 그림 4 를 시공 중 방향으로 사용합니다. 첫 번째 단일 축 고니오메트릭 스테이지를 광학 브레드 기판에 x 방향으로 장착합니다.참고: Axis 명명법은 임의로 선택되었습니다. 광학 브레드 기판 평면은 xy 평면으로 정의되며, 수직 방향은 양의 z 방향으로 브레드보드 외부를 향합니다. 에 따라tage 사용된 s, 고니오메트릭 위에 어댑터 플레이트를 장착tage, 필요한 경우.2축 x-y 마이크로미터 변환 스테이지를 어댑터 플레이트 상단 중앙에 장착합니다. 직각 브래킷을 y 방향을 향한 변환 스테이지에 장착합니다. 단일 축 변환 스테이지를 z 방향의 직각 브래킷에 장착합니다. 추가 어댑터 플레이트를 사용하여 두 번째 고니오메트릭 스테이지를 변환 스테이지의 z 방향으로 장착합니다. 섬유 페룰 cl 부착amp 기둥 위에. 섬유 페룰이 두 번째 수직 고니오메트릭 단계의 회전 지점에 정확히 오도록 포스트의 길이를 선택합니다. 거리는 스테이지 설명서에 나와 있습니다. 섬유 페룰의 외경은 2.8mm입니다. 이 직경에 대한 클램프를 사용할 수 없는 경우 2.5mm 클램프를 사용하고 드릴로 넓힙니다. 페룰 cl이 있는 포스트를 장착amp 첫 번째 수평 고니오메트릭의 회전 지점에 해당하는 z 위치의 두 번째 수직 고니오메트릭 스테이지에서tage 4.2단계에서.페룰 슬리브와 GRIN 렌즈가 페룰 cl에서 튀어나와 있는지 확인하십시오.amp 음의 z 방향으로 몇 밀리미터. GRIN 렌즈의 끝이 고니오메트릭 단계의 회전 지점에 오도록 포스트의 수직 위치를 선택합니다. etalon을 장착하려면 기둥을 잡고 직각 브래킷을 장착하고 표준 SM1 나사산 30mm 케이지 플레이트를 부착하십시오. 4개의 케이지 로드(>40mm)를 양의 z 방향을 향하도록 플레이트에 장착합니다. 케이지 로드의 직경보다 약간 큰 내경을 가진 4개의 금속 스프링을 가져와서 각 케이지 로드에 하나씩 놓습니다. FPE가 통합된 측정 셀을 빔 스플리터 면이 스프링에 놓일 때까지 위쪽을 향하도록 하여 로드에 밀어 넣습니다.알림: 셀이 z 방향으로 자유롭게 움직일 수 있는지 확인하십시오. 마찰이 너무 높으면 케이지 로드를 위한 셀의 관통 구멍을 추가로 넓혀야 합니다. 이것은 라운드 파일을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 포스트 홀더, 베이스 플레이트 및 cl을 통해 포스트를 장착합니다.amp섬유 정렬 플랫폼 바로 아래에 포크를 연결합니다. 빔 스플리터를 노출시키는 셀의 개구부가 페룰 홀더 아래 약 10mm 중앙에 있는지 확인합니다(4.5단계). 그림 4: UV 경화 공정 중 GRIN 렌즈 결합 FPE를 사용한 정렬 플랫폼 사진. 회색으로 표시된 구성 요소는 PTI 측정용이며 정렬 프로세스에는 필요하지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 5. 광전자 설정 재료 표에 나열된 대로 광전자 부품을 조립하고 그림 5에 표시된 대로 개략적으로 배열합니다. 해당 구성 요소 트레이를 사용하여 광학 브레드 기판에 광섬유 구성 요소를 장착합니다. 레이저 다이오드 마운트에 레이저를 장착합니다. 레이저 소스를 통합 변조 기능(삼각 변조)이 있는 레이저 드라이버와 TEC(열전 냉각기) 컨트롤러에 연결합니다. 그렇지 않으면 추가 함수 생성기가 필요합니다. 에탈론의 예상 FWHM보다 훨씬 높은 파장 범위를 커버하는 방식으로 삼각 전류 변조 진폭을 설정합니다(계산은 논의 섹션에서 찾을 수 있음). 변조 주파수를 약 100Hz로 설정합니다. L-브래킷 결합 슬리브를 사용하여 레이저의 광 출력을 아이솔레이터 입력에 연결합니다. 아이솔레이터 뒤에 15dB 광섬유 감쇠기를 장착하고 1 x 2 커플러의 입력 포트에 연결합니다. 90% 광 전력으로 커플러의 출력 포트를 광 순환기의 포트 1에 연결합니다. 10% 광 전력의 커플러의 출력 포트를 밸런스 디텍터의 기준 포토다이오드에 연결합니다. 서큘레이터의 포트 2를 피그테일 페룰-GRIN 렌즈 시스템에 연결합니다. 포트 3을 감지기의 신호 포토다이오드에 연결합니다. 밸런스 감지기를 “Auto-Balanced” 모드로 설정합니다. BNC 케이블을 사용하여 감지기의 전기 “신호” 출력을 오실로스코프의 한 채널에 연결합니다. 그림 5: 정렬 절차를 위한 광전자 설정의 개략도. 빨간색 선은 광섬유, 검은색 선은 전자 케이블, 파란색 선은 프로브 레이저를 나타냅니다. 여기에는 균형 잡힌 검출기가 사용되지만 이는 기존의 광 검출기로 대체될 수 있습니다. 따라서 1 x 2 커플러는 생략할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 6. Fiber-GRIN 렌즈 정렬 페룰 클램프를 포스트에 장착하고 포스트 홀더를 통해 광학 브레드 보드에 고정합니다. 섬유 페룰 슬리브를 페룰 클램프에 고정합니다. 4.6단계에서 언급했듯이 페룰 cl을 넓힙니다.amp 필요한 경우 드릴로. UV 경화 접착제로 피펫을 채웁니다( 재료 표 참조).주의 : 벌크 광학 장치와 UV 경화 접착제를 취급하는 동안 장갑과 안경을 착용하십시오. 땋아 늘인 섬유 페룰을 가지고 페룰의 측면에 접착제 한 방울을 추가하십시오. 페룰의 전면을 깨끗하게 유지하십시오. 페룰을 페룰 슬리브에 삽입합니다. GRIN 렌즈의 앞쪽 끝이 페룰 슬리브 바깥쪽에서 최소 1-2mm가 되도록 페룰을 충분히 깊게 삽입해야 합니다. UV 램프(~10초)로 매우 빠른 사전 경화를 적용합니다. 페룰의 앞쪽 끝에 접착제를 굳히지 않고 페룰을 슬리브에 고정하기 위해 뒷면(페룰의 섬유 끝)에서만 빛을 비추십시오. GRIN 렌즈를 가지고 쐐기 모양의 면을 찾으십시오. 이것은 현미경으로 또는 단순히 돌리는 것으로 수행 할 수 있습니다. 따라서 8° 쐐기 면이 보입니다. GRIN 렌즈의 쐐기 끝에 드롭 접착제를 바르고 페룰 슬리브에 삽입합니다.알림: 약간의 압력을 가하면 공기가 페룰과 GRIN 렌즈 사이의 공동을 떠납니다. 두 표면 사이에 기포가 없을 수 있습니다. 있는 경우 약간 돌리면 도움이 될 수 있습니다. 그렇지 않으면 GRIN 렌즈를 제거하고 6.8단계를 반복합니다. 두 개의 각진 표면이 평행이 될 때까지 GRIN 렌즈를 조심스럽게 돌립니다. GRIN 렌즈 앞에 약 150mm 빔 분석기를 장착합니다. 빔 분석기를 사용할 수 없는 경우 전면에 핀홀이 있는 파워 미터를 사용할 수 있습니다. 피그테일 페룰을 적절한 파장의 레이저에 연결합니다. 레이저를 켭니다.주의 : 레이저 안전 예방 조치를 취해야 합니다. 핀셋을 사용하여 GRIN 렌즈를 페룰 슬리브 밖으로 살짝 움직여 페룰과 GRIN 렌즈 사이의 거리를 변경합니다. 이 거리는 시스템의 초점 거리를 설정하는 데 중요합니다. GRIN 렌즈를 움직이면서 빔 모양(또는 광파워)을 지속적으로 모니터링하십시오.알림: 정렬 과정이 너무 불안정한 경우 짧은 사전 경화(~ 10초)가 도움이 될 수 있습니다. 시스템이 원하는 최적 온도에 초점을 맞추면 약 10분 동안 UV 광선에 노출시켜 최종 경화를 적용합니다. 경화 후 클램프에서 페룰 슬리브를 제거합니다. 이 시점에서 더 이상 사용할 준비가 되었습니다. 7. 섬유-에탈론 정렬 5단계에서 피그테일 페룰과 GRIN 렌즈 시스템을 가져와 페룰 cl로 장착합니다.amp 4.5단계에서. Z 방향의 변환 스테이지가 최대 높이로 이동되고 다른 모든 스테이지가 중립(중앙) 위치에 있는지 확인합니다. 그 아래에 셀을 맞춥니다. GRIN 렌즈가 개구부의 중앙을 직접 가리키는지 확인하십시오. GRIN 렌즈보다 약간 낮은 높이(약 5mm)에 셀의 위치를 고정합니다. 피펫으로 GRIN 렌즈의 앞쪽 끝에 접착제를 한두 방울 떨어뜨립니다. 빔 스플리터의 반사 방지 코팅 표면과 접촉할 때까지 z 방향으로 변환 단계를 내립니다. 충분한 압력이 가해지고 스프링에 충분한 장력이 가해질 때까지 GRIN 렌즈를 계속 내립니다.알림: 이렇게 하면 정렬의 틸팅 과정에서 GRIN 렌즈와 빔 스플리터 사이의 접촉이 유지됩니다. 필요한 압력의 양은 설정에 따라 다르며 합리적인 반사율 기능을 관찰할 수 없는 경우 정렬 중에 조정할 수 있습니다. 경험에 따르면 더 많은 압력이 일반적으로 정렬 과정에 도움이 됩니다. 변조된 레이저와 오실로스코프를 켭니다. 정렬 프로세스를 시작할 때 오실로스코프의 해상도 가 가능한 가장 높은지 확인하십시오. 변조의 2-3 주기가 표시되도록 시간 분해능을 설정합니다. GRIN 렌즈가 빔 스플리터 표면을 정상적으로 가리키도록 하여 정렬 프로세스를 시작합니다. 이것은 육안 검사와 그에 따라 고니오메트릭 단계를 돌려서 수행할 수 있습니다. 이것은 이제 0 위치입니다. 단계적으로, 하나의 고니오메트릭 스테이지를 약간 편향시킨 다음 다른 고니오메트릭 스테이지를 제로 위치 주위로 이동합니다.오실로스코프에서 변화가 관찰되지 않으면 첫 번째 고니오메트릭 단계를 약간 더 편향시키고 삼각 변조가 오실로스코프에 표시될 때까지 이 반복 프로세스를 반복합니다. 스테이지 이동 후 신호의 히스테리시스가 관찰되면 모든 구성 요소가 제대로 고정되었는지 확인하십시오.알림: z-s를 움직여 발생하는 압력 증가tage 아래쪽으로도 도움이 될 수 있습니다. 관측된 신호가 예상만큼 강하지 않으면 역반사가 에탈론의 표면 중 하나 또는 반사율 함수의 주변 피크 중 하나에서 발생할 수 있습니다. 일반적으로 70% 빔 스플리터와 완전 반사 미러를 사용하면 관찰되는 피크 반사는 에탈론에 도입된 광 전력의 25% 정도입니다. 강한 후방 반사가 관찰되면 오실로스코프의 분해능을 조정하고 에탈론의 반사율 함수의 피크가 삼각 변조 기울기의 중앙에 위치하도록 합니다(그림 6). 피크가 경사면의 중앙에 올 때까지 레이저의 온도를 변경하여 에탈론의 피크를 조정합니다. 피크 강도(최소 전압)를 최대화하는 동시에 고니오메트릭 단계의 약간의 움직임으로 삼각 변조의 피크 대 피크 비율을 최대화하십시오. 정렬 과정이 완료되면 UV 램프를 GRIN 렌즈에 가까이 장착합니다. 45° 각도로 셀프 센터링 렌즈 마운트를 사용하십시오. 경화를 단계적으로 수행하십시오. 먼저, 7.4단계에서 이미 도포된 접착제를 경화시킨다. 오실로스코프의 반사율 기능을 계속 모니터링하십시오. 경화로 인해 접착제의 수축으로 인해 정렬이 저하되는 경우 고니오메트릭 단계를 약간 조정하십시오. 5-10분 후 UV 램프를 끄고 GRIN 렌즈를 만지지 않고 주변에 접착제를 더 바릅니다. 접착제를 자외선에 5-10분 더 노출시킵니다. 셀의 개구부가 균질한 접착제 층으로 완전히 채워질 때까지 이 단계를 반복합니다. 1 시간 이상 최종 경화를 수행하십시오. 접착된 구성 요소가 제대로 연결되도록 하려면 전체 설정을 1주일 동안 그대로 두거나 가능하면 접착 조인트를 60°C에서 1시간 동안 템퍼링합니다. 이제 페룰 슬리브를 클램프에서 제거할 수 있습니다. 따라서 스프링이 완전히 이완될 때까지 병진 단계를 양의 z 방향으로 이동합니다. 페룰-GRIN 렌즈 시스템에 가해지는 스트레스를 피하십시오. 클램프를 열고 제거합니다. 이제 에탈론이 완성되어 더 이상 사용할 수 있습니다. 그림 6: 일반적인 일반 오실로스코프 신호. 녹색에서는 좋은 정렬이 표시되고 노란색에서는 더 나쁜 정렬이 표시됩니다. 정렬이 좋을수록 삼각 변조의 피크 대 피크 비율이 높아지고 반사율 피크(밸리)가 0으로 향합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 8. 에탈론 특성화 생산된 에탈론을 평가하려면 5단계에서 설명한 것과 동일한 광섬유 설정을 사용합니다. 충분한 데이터 로깅 속도로 레이저를 단계적으로 온도 조정할 수 있는 측정 시스템을 사용하십시오.참고: 여기서는 FPGA 기반 시스템이 사용됩니다( 재료 표 참조). 이론적 FSR을 계산합니다. 사용된 레이저에 따라(온도 튜닝 계수 참조) 최소 2개의 FSR에 해당하는 온도 스윕을 수행합니다. 온도를 단계적으로 높이고(~0.005°C 증가) TEC가 2-3초 동안 안정되도록 한 후 매번 2-3초 더 측정합니다. 수치 계산 프로그램을 사용하여 데이터를 처리합니다. 통합 피크 파인더가 있는 모든 신호 처리 라이브러리를 사용할 수 있습니다. 두 개의 후속 피크 사이의 거리는 FSR을 나타냅니다. 절반 높이에서 피크의 너비를 평가하여 FWHM을 계산합니다.알림: FSR 및 FWHM의 계산은 데이터 형식에 크게 의존하므로 여기에 코드가 제공되지 않지만 요청 시 작성자가 사용할 수 있습니다. 레이저의 온도 튜닝 계수를 사용하여 온도를 파장으로 변환합니다. 측정값에서 FSR과 FWHM을 계산합니다(그림 7). 다음 공식을 사용하여 제작된 FPE의 기교를 계산합니다..

Representative Results

그림 7에서 볼 수 있듯이 잘 정의된 반사율 함수를 가진 FPE를 제작할 수 있습니다. 그림 7: 완성된 FPE의 측정된 반사율 함수. FPE의 반사율 함수를 측정하기 위해 레이저의 파장 스윕에 해당하는 온도 스윕이 수행되었습니다. 이는 제작된 장치의 FWHM(Full Width at Half Maximum) 및 FSR(Free Spectral Range)과 같은 메트릭을 평가하는 데 사용됩니다. 상대 반사율은 FPE를 통과한 후 광섬유로 역반사되는 빛의 상대적 비율을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. FPE의 측정된 메트릭은 표 1 에 나열되어 있으며 동일한 사양의 이상적인 에탈론의 계산된 값과 비교됩니다. 이상적인 FPE에 대한 공식은 소개 섹션에서 찾을 수 있습니다. 측정 이상적인 FPE 기교 12.8 17.1 증권 시세 표시기 0.0268 나노미터 0.0234 나노미터 증권 시세 표시기 0.3441 나노미터 0.4004 나노미터 민감 14 1/나노미터 21 1/나노미터 표 1: 제작된 FPE 에탈론의 측정 및 계산된 메트릭 비교. 지정된 응용 분야에 대한 적성을 검증하기 위해 FPE는 주변 공기 중 수증기의 PTI 측정에 사용됩니다. 따라서 파장 1,364nm의 여기 레이저가 프로브 레이저에 수직으로 세포 내로 유도됩니다. 두 레이저는 FPE 내부에서 교차합니다. 여기 레이저는 125Hz의 주파수로 정현파로 변조됩니다. FPE의 가장 가파른 경사에서 정전류를 통해 프로브 레이저를 안정화함으로써 센서의 가장 높은 감도를 얻을 수 있습니다. 수증기 측정을 위해 셀은 열린 창으로 작동되며 기준 장치(온도 = 21.4°C, 압력 = 979.9hPa, 상대 습도 = 52.2%)로 측정할 때 13,762ppmV 농도로 주변 공기에 노출됩니다. 신호는 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 추출되고 그림 8과 같이 여기 레이저가 꺼진 상태에서 배경 신호와 비교됩니다. 약 5ppmV(3σ)의 검출 한계에 해당하는 7,000 이상의 신호 대 잡음비를 얻을 수 있습니다. 그림 8: 주변 공기 중 수증기의 PTI 측정. 검정색으로 125Hz 레이저 여기를 사용한 측정의 FFT 신호가 표시됩니다. 파란색에서는 여기가 없는 배경 신호가 표시됩니다. 삽입된 화면은 125Hz에서 측정된 피크를 더 자세히 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 보충 코딩 파일 1: Measurement_cell. SLDPRT입니다. 측정 셀에 대한 CAD 파일입니다. 셀은 특정 응용 분야의 요구 사항에 맞게 조정할 수 있으며 이후에 3D 프린팅할 수 있습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오. 보충 코딩 파일 2: cap_etalon. SLDPRT입니다. 측정 셀 내부에 에탈론을 고정하기 위한 CAD 파일. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오. 보충 코딩 파일 3: cap_window. SLDPRT입니다. 레이저 창을 측정 셀에 고정하기 위한 CAD 파일. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

여기에 제공된 프로토콜에 따라 제작된 FPE는 특정 응용 프로그램에 최적화되어 있으므로 이 장에서는 가능한 적응 및 중요한 단계에 대해 설명합니다. 우선, FPE와 측정 셀은 PTI 측정을 위해 설계되었습니다. 따라서, 가스 입구 및 출구뿐만 아니라 프로브 레이저에 수직 인 여기 레이저 용 채널이 셀에 추가됩니다. 셀의 모든 개구부는 O-링을 통해 기밀하게 만들어지 거나 레이저 전파가 가능하도록 UVFS 창을 통해 덮여 있습니다. 상이하게 사용되는 경우, 보충 코딩 파일 1에 제공된 바와 같이 셀을 재설계하고 특정 애플리케이션에 맞게 조정할 수 있습니다. 1.4단계의 스레딩은 인쇄 후 완료됩니다. 나사산은 3D 프린팅도 가능하지만 빨리 마모되는 경향이 있으므로 적절한 코어 구멍 직경을 가진 구멍만 인쇄되고 나중에 나사산이 있습니다.

2.1단계에서 스페이서의 재질을 선택하는 것이 중요합니다. 스페이서의 평행도는 에탈론 미러의 평행도를 결정하므로 기교⁷에 영향을 미칩니다. 이 연구에서는 재료 표에 제공된 대로 평행도가 ≤5arcsecs이고 투명 조리개에 대해 λ/10의 표면 평탄도를 가진 1/2인치 UVFS 정밀 창을 사용했습니다. UVFS의 열팽창 계수는 0.55 x ^10-6/°C입니다. 예를 들어, 열팽창 계수가 0.1 x ^10-6/°C 미만인 Zerodur⁵ 스페이서를 사용하여 온도 안정성을 더욱 높일 수 있습니다. 그러나 이것은 더 높은 비용의 단점이 있습니다.

FPE는 하나의 완전 반사 거울과 빔 스플리터로 구성됩니다. 빔 스플리터에는 70% 반사 표면과 반사 방지 코팅된 후면이 있습니다. 이를 통해 에탈론 안팎으로 빛을 결합할 수 있습니다. 또한 빔 스플리터의 기판에는 원치 않는 에탈론 효과를 방지하기 위해 한쪽 쐐기 모양의 면이 있습니다. 거울의 뒷면도 같은 이유로 거칠어집니다.

5.1 단계에서, 정렬 프로세스를 추적하기 위한 광전자 셋업이 설명된다. 사용된 모든 광섬유는 FC/APC 커넥터가 있는 표준 SMF-28 광섬유입니다. PTI에 대한 지정된 응용 프로그램으로 인해 이 연구에서는 균형 잡힌 광검출기를 쉽게 사용할 수 있었지만 일반적으로 이것은 필요하지 않습니다. 대신 기존의 광검출기를 사용할 수 있습니다. 이 경우 1 x 2 커플러를 사용하는 것은 더 이상 사용되지 않습니다. 이러한 변경 사항은 그림 5에 표시된 것처럼 설정의 다른 구성 요소에는 영향을 주지 않습니다. 프로브 레이저의 삼각 전류 변조는, 단계 5.4에서 설명된 바와 같이, 파장 스윕에 대응한다. FPE의 적어도 하나의 반사율 피크를 스윕하기에 충분한 전류 범위를 선택해야 합니다. 따라서 하나의 FSR이 경험 법칙이 될 수 있습니다. 이상적인 FPE의 FSR에 대한 계산은 소개 섹션에서 찾을 수 있습니다. 각 설명서에 나와 있는 레이저의 전류 튜닝 계수(nm/mA)와 함께 하나의 FSR을 덮는 전류 범위를 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 본 작업에 사용된 레이저는 전류 튜닝 계수가 0.003nm/mA이고 파장 1,550nm에서 방출되었습니다. 미러 간격이 3mm인 이상적인 FPE의 예상 FSR d는 약 0.4nm입니다. 이는 133mA의 전류 튜닝 범위를 제공합니다.

이 작업에서는 오실로스코프에서 편리하게 표시할 수 있도록 변조 주파수를 100Hz로 설정했습니다. 원하는 전류 튜닝 범위가 다소 크기 때문에 고정 광섬유 감쇠기를 사용하여 사용된 감지기의 전력 한계 내에서 유지할 수 있습니다. 감쇠기는 아이솔레이터 바로 뒤에 장착할 수 있습니다.

6단계와 7단계에서 사용된 UV 경화 접착제는 레이저 광에 투명하고 굴절률이 1.56입니다. 7.1 단계에서 설명한 바와 같이 정렬 프로세스는 사용 가능한 광 검출기에 따라 다릅니다. 이 설정에 사용되는 평형 감지기는 음의 볼륨을 생성합니다.tage “신호” 출력. 일반성을 위해 7.10단계 및 그림 6에 대한 설명에서 양의 전압 출력이 가정됩니다. 잘 정렬된 에탈론의 경우 반사율 피크는 0에 가까워지고 삼각형 함수는 피크 대 피크 비율을 증가시킵니다.

단계 8.1의 에탈론 특성화를 위해 수치 계산 소프트웨어가 사용됩니다( 재료 표 참조). 각 온도 단계에 대해 측정된 전압은 그림 7과 같이 평균화되고 표시됩니다. 온도 단계를 파장 단계로 변환하기 위해 프로브 레이저의 온도 튜닝 계수가 사용됩니다. 신호 분석 라이브러리에는 이러한 용도로 사용할 수 있는 통합 피크 찾기 알고리즘이 있습니다. 데이터 분석은 데이터 형식에 따라 크게 달라지므로 여기에 코드가 제공되지 않지만 요청 시 해당 작성자가 사용할 수 있습니다.

여기에 제시된 제조 기술의 가능한 한계는 변화하는 환경에서의 열적 및 기계적 안정성입니다. 이 교육 문서의 범위는 실험실 응용 분야를 위한 FPE의 저비용 프로토타이핑이므로 기계적 및 온도 안정성에 대한 테스트는 여기에 제공되지 않습니다. FPE가 모바일 애플리케이션이나 변화하는 환경에서 사용되는 경우, etalon에 비해 fiber-GRIN 렌즈 시스템을 기계적으로 안정화하기 위해 추가 조치를 취해야 합니다.

FPE를 제작하고 특성화하는 새로운 방법은 모든 광자 실험실에서 사용할 수 있는 표준 광학 부품과 함께 여기에서 시연됩니다. 제시된 FPE는 약 15의 기교와 약 5ppmV의 수증기를 감지하기에 충분한 감도를 가지고 있습니다. PTI를 위해 제시된 응용 프로그램 외에, 이 FPE는 비파괴 검사(²³), 굴절률 측정(²⁴^, ²⁵) 또는 습도계⁽²⁶) 분야에서 일반적으로 적용되는 광학 마이크로폰(²⁰)을 구축하는 것과 같은 응용 분야에서 사용될 수 있다.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

여기에 제시된 작업은 FFG 자금 지원 프로젝트 “Green Sensing”과 NATO SPS 프로그램 “CBRN 이벤트 감지를위한 Photonic Nano Particle Sensors”의 프레임 워크에서 수행되었습니다. 이 작업은 TU Graz Open Access Publishing Fund의 지원도 받았습니다.

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

Referenzen

Vaughan, M. . The Fary-Pérot Interferometer. History, Theory, Practice, and Applications. , (1989).
Liu, M., Chao, X., Ye, Z. Transmitting intensity distribution after a Gaussian beam incidenting nonnormally on a wedged Fabry-Pérot cavity. Optik. 119 (14), 661-665 (2008).
Ismail, N., Kores, C. C., Geskus, D., Pollnau, M. Fabry-Pérot resonator: Spectral line shapes, generic and related Airy distributions, linewidths, finesses, and performance at low or frequency-dependent reflectivity. Optics Express. 24 (15), 16366-16389 (2016).
Eklund, E. J., Shkel, A. M. J. Factors affecting the performance of micromachined sensors based on Fabry-Perot interferometry. Journal of Micromechanics and Microengineering. 15 (9), 1770-1776 (2005).
Rees, D., Fuller-Rowell, T. J., Lyons, A., Killeen, T. L., Hays, P. B. Stable and rugged etalon for the Dynamics Explorer Fabry-Pérot interferometer. 1: Design and construction. Applied Optics. 21 (21), 3896-3902 (1982).
Killeen, T. L., Hays, P. B., Kennedy, B. C., Rees, D. Stable and rugged etalon for the Dynamics Explorer Fabry-Pérot interferometer. 2: Performance. Applied Optics. 21 (21), 3903-3912 (1982).
Marques, D. M., Guggenheim, J. A., Munro, P. R. T. Analysing the impact of non-parallelism in Fabry-Pérot etalons through optical modelling. Optics Express. 29 (14), 21603-21614 (2021).
Marques, D. M., et al. Modelling Fabry-Pérot etalons illuminated by focussed beams. Optics Express. 28 (5), 7691-7706 (2020).
Islam, M. R., Ali, M. M., Lai, M. -. H., Lim, K. -. S., Ahmad, H. Chronology of Fabry-Perot interferometer fiber-optic sensors and their applications: A review. MDPI Sensors. 14 (4), 7451-7488 (2014).
Preisser, S., et al. All-optical highly sensitive akinetic sensor for ultrasound detection and photoacoustic imaging. Biomedical Optics Express. 7 (10), 4171-4186 (2016).
Chen, J., et al. Micro-fiber-optic acoustic sensor based on high-Q resonance effect using Fabry-Pérot etalon. Optics Express. 29 (11), 16447-16454 (2021).
Bialkowski, S. E., Astrath, N. G. C., Proskurnin, M. A. . Photothermal Spectroscopy Methods. , (2019).
Campillo, A. J., Petuchowski, S. J., Davis, C. C., Lin, H. -. B. Fabry-Pérot photothermal trace detection. Applied Physics Letters. 41 (4), 327-329 (1982).
Breitegger, P., Lang, B., Bergmann, A. Intensity modulated photothermal measurements of NO2 with a compact fiber-coupled Fabry-Pérot interferometer. MDPI.Sensors. 19 (15), 1424 (2019).
Waclawek, J. P., Kristament, C., Moser, H., Lendl, B. Balanced-detection interferometric cavity-assisted photothermal spectroscopy. Optics Express. 27 (9), 12183-12195 (2019).
Pevec, S., Donlagic, D. Miniature all-fiber Fabry-Pérot sensor for simultaneous measurement of pressure and temperature. Applied Optics. 51 (19), 4536-4541 (2012).
Dudzik, G., Krzempek, K., Abramski, K., Wysocki, G. Solid-state laser intra-cavity photothermal gas sensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 328, 129072 (2021).
Chen, J., et al. Micro-fiber-optic acoustic sensor based on high-Q resonance effect using Fabry-Pérot etalon. Optics Express. 29 (11), 16447-16454 (2021).
Hälg, B. A silicon pressure sensor with a low-cost contactless interferometric optical readout. Sensors and Actuators A: Physical. 30 (3), 225-230 (1992).
Fischer, B. Optical microphone hears ultrasound. Nature Photonics. 10 (6), 356-358 (2016).
Waclawek, J. P., Bauer, V. C., Moser, H., Lendl, B. 2f-wavelength modulation Fabry-Pérot photothermal interferometry. Optics Express. 24 (25), 28958-28967 (2016).
Chen, J., et al. Acoustic performance study of fiber-optic acoustic sensors based on Fabry-Pérot etalons with different Q factors. MDPI Micromachines. 13 (1), 118 (2022).
Meyendorf, N., Ida, N., Singh, R., Vran, J. . Handbook of Nondestructive Evaluation 4.0. , (2022).
Kim, Y. J., Celliers, P. M., Eggert, J. H., Lazicki, A., Millot, M. Interferometric measurements of refractive index and dispersion at high pressure. Scientific Reports. 11, 5610 (2021).
Stollberger, W. F. Single particle photothermal interferometry. Technical University Graz. , (2022).
Radeschnig, U., Bergmann, A., Lang, B. Flow-enhanced photothermal spectroscopy. MDPI Sensors. 22 (19), 7148 (2022).

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Diesen Artikel zitieren

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).