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

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Ingénierie

Изготовление недорогого эталона Фабри-Перо с волоконно-оптической связью и воздушным пространством

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

Этот протокол описывает построение недорогого, дискретного, связанного с волокном и воздушного пространства эталона Фабри-Перо с различными приложениями, например, в спектроскопии следовых газов. Изготовление возможно на любом объекте со стандартным оптическим лабораторным оборудованием.

Abstract

Эталоны Фабри-Перо (FPE) нашли свое применение во многих областях. В таких областях, как спектроскопия, телекоммуникации и астрономия, FPE используются из-за их высокой чувствительности, а также из-за их исключительной способности фильтрации. Тем не менее, эталоны с воздушным пространством с высокой утонченностью обычно строятся специализированными объектами. Для их производства требуется чистое помещение, специальное оборудование для обработки стекла и нанесения покрытий, а это означает, что коммерчески доступные FPE продаются по высокой цене. В этой статье представлен новый и экономически эффективный метод изготовления FPE с волоконно-оптической связью со стандартным фотонным лабораторным оборудованием. Протокол должен служить пошаговым руководством по построению и определению характеристик этих FPE. Мы надеемся, что это позволит исследователям проводить быстрое и экономичное прототипирование FPE для различных областей применения. FPE, представленный здесь, используется для спектроскопических приложений. Как показано в разделе репрезентативных результатов с помощью доказательств принципа измерений водяного пара в окружающем воздухе, этот FPE имеет точность 15, что достаточно для фототермического обнаружения следовых концентраций газов.

Introduction

В своей основной форме FPE состоит из двух плоскопараллельных частично отражающих зеркальных поверхностей¹. В следующих пояснениях, когда речь идет о зеркалах, оптическая подложка и отражающее покрытие рассматриваются как одно целое. В большинстве применений используемые зеркала имеют одну клиновидную поверхность² для предотвращения нежелательных эффектов эталона. На рисунке 1 показано формирование интерференционной картины эталона с воздушным пространством (рис. 1А), а также функция отражения для различных зеркальных отражательных способностей (рис. 1В).

Свет проникает в полость через одно зеркало, претерпевает множественные отражения и покидает полость как за счет отражения, так и за счет пропускания. Поскольку в этой статье основное внимание уделяется изготовлению FPE, работающего в режиме отражения, дальнейшие пояснения относятся именно к отражению. Волны, выходящие из резонатора, интерферируют, в зависимости от разности фаз, q = 4πnd/λ. Здесь n — показатель преломления внутри резонатора, d — расстояние между зеркалами, а λ — длина волны источника света интерферометра, называемого здесь зондовым лазером. Минимальная отражательная способность возникает, когда разность оптических путей совпадает с целым числом, кратным длине волны, . Утонченность идеального плоскопараллельного эталона определяется только зеркальными отражательными способностями R₁ и R₂ ³:

Однако настоящий эталон подвержен множеству потерь, которые ухудшают теоретически достижимую утонченность ^4,5,6. Отклонение зеркального параллельизма⁷, ненормальное падение лазерного луча, форма луча⁸, поверхностные примеси зеркала и рассеяние, среди прочего, приводят к снижению тонкости. Характеристическая интерференционная картина может быть описана функцией^{Эйри 1}:

Полная ширина при половинном максимуме (FWHM), а также свободный спектральный диапазон (FSR) функции отражения могут быть рассчитаны следующим образом:

Рисунок 1: Теория интерферометра Фабри-Перо . А) Схематическое изображение многолучевой интерференции для эталона воздушного пространства с клиновидными окнами. Плоская волна E₀ входит в резонатор под определенным углом φ через поверхность с антибликовым (AR) покрытием и впоследствии подвергается многократным отражениям между сильно отражающими (высокими R) поверхностями, расположенными на расстоянии d. При каждом отражении часть света выходит за пределы эталона либо при прохождении, либо при отражении, где он интерферирует с другими волнами. (B) Функция отражения идеального эталона Фабри-Перо для различных зеркальных отражательных способностей (ось y). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

FPE можно найти в широком спектре приложений 9,10,11. В приведенном здесь случае FPE используется в установке фототермической интерферометрии (PTI). В PTI изменения малой плотности и, следовательно, показателя преломления, вызванные периодическим возбуждением с последующей быстрой термализацией целевого газа с помощью второго лазера, измеряются интерферометрически¹². Количество тепла и, следовательно, величина изменения показателя преломления пропорциональны концентрации газа. При измерении интенсивности функции отражения FPE в самой крутой точке (точке работы) эти изменения показателя преломления смещают функцию отражения, тем самым изменяя измеренную интенсивность. Поскольку можно предположить, что функция отражения является линейной в области вокруг рабочей точки, измеренный сигнал пропорционален концентрации газа. Чувствительность датчика определяется наклоном функции отражения и, следовательно, пропорциональна точности. PTI в сочетании с FPE зарекомендовал себя как чувствительный и селективный метод обнаружения следовых количеств газов и аэрозолей 13,14,15,16,17,18. В прошлом многие датчики для измерения давления и акустических измерений полагались на использование подвижных частей, таких как мембраны, заменяющие второе зеркало FPE¹⁹. Прогибы мембраны приводят к изменению расстояния до зеркала и, следовательно, длины оптического пути. Недостатком этих инструментов является то, что они подвержены механическим вибрациям. В последние годы разработка оптических микрофонов с использованием твердых FPE достигла^{коммерческого уровня 20}. Воздерживаясь от использования подвижных частей, измеряемая величина изменялась от расстояния до показателя преломления внутри полости Фабри-Перо, тем самым значительно повышая прочность датчиков.

Коммерчески доступные FPE с воздушным пространством стоят сверх того, что приемлемо для прототипирования и тестирования, а также для интеграции крупносерийных производственных приборов. В большинстве научных публикаций, посвященных построению и использованию таких ФПЭ, тема фабрикации рассматривается лишь минимально^21,22. В большинстве случаев требуется специальное оборудование и машины (например, чистые помещения, установки для нанесения покрытий и т. д.); например, для полностью интегрированных в оптоволокно FPE необходимо специальное микрообрабатывающее оборудование. Чтобы снизить производственные затраты и обеспечить возможность тестирования нескольких различных конфигураций FPE для повышения их пригодности для установок PTI, был разработан новый метод изготовления, который подробно описан в следующем протоколе. Используя только коммерчески доступные, стандартные оптоволоконные и телекоммуникационные волоконно-оптические компоненты, производственные затраты могут быть снижены до менее чем 400 евро. Каждое предприятие, работающее со стандартным фотонным оборудованием, должно иметь возможность воспроизвести нашу производственную схему и адаптировать ее к своим приложениям.

Protocol

1. Трехмерная печать измерительной ячейки Адаптируйте измерительную ячейку, как указано в файле дополнительного кодирования 1, к вашему приложению. Трехмерная печать ячейки, а также колпачков, приведенных в файлах дополнительного кодирования 1-3, для монтажа объемно-оптических материалов.ПРИМЕЧАНИЕ: Для настоящего исследования использовался 3D-принтер SLA (см. Таблицу материалов). При создании задания на печать убедитесь, что количество опорных конструкций внутри полостей и отверстий сведено к минимуму. Остаточная смола может уменьшить диаметр, и объемная оптика может застрять. После печати очистите ячейку изопропиловым спиртом, а все опорные конструкции удалите кусачками и наждачной бумагой. Продевайте соответствующие отверстия сразу после печати и перед отверждением.Затяните впускное и выходное отверстия газа резьбой M5 для крепления соединителя шланга. Проденьте центральное отверстие внизу как M4 для последующего монтажа ячейки. Проденьте меньшие сквозные отверстия перпендикулярно в сквозные отверстия стержня сепаратора как M3, чтобы обеспечить крепление ячейки к системе сепаратора (рис. 2). УФ-отверждение клетки (405 нм) и колпачков при 60 °C в течение не менее 40 мин с использованием коммерчески доступного устройства УФ-отверждения (см. Таблицу материалов). Рисунок 2: Помеченный рендеринг модели САПР измерительной ячейки. Для большей ясности здесь приведен вид в разрезе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 2. Подготовка прокладок Вырежьте две прокладки из одного прецизионного окна из УФ-плавленого диоксида кремния (UVFS). Вырежьте из прецизионного окна два кусочка шириной примерно 3 мм, как показано на рисунке 3B.ПРИМЕЧАНИЕ: Распорки можно разрезать с помощью обычного недорогого стеклореза (см. Таблицу материалов).ВНИМАНИЕ: Надевайте перчатки и защитные очки при резке и обращении с объемной оптикой. Нарисуйте прямую линию на прецизионном окне с помощью режущего инструмента, а затем разбейте стекло плоскогубцами. Всегда используйте плоскогубцы с плоскими поверхностями и кладите салфетки для очистки линз (или аналогичные) между металлом и стеклом, чтобы предотвратить повреждение поверхности стекла. Очистите прокладки спреем-тряпкой, чтобы удалить остатки стеклянного мусора.ПРИМЕЧАНИЕ: Кроме того, прокладки можно аккуратно протирать жидкостью для чистки линз, а также салфетками для чистки линз без давления. 3. Сборка эталона Поместите ячейку, напечатанную на 3D-принтере (шаг 1), на стол эталонной ямкой вверх. Вставьте уплотнительное кольцо (10 мм x 1 мм, см. Таблицу материалов) в эталонную ямку и слегка вдавите его в указанную канавку. Поместите светоделитель отражающей поверхностью вверх в эталонную яму и на уплотнительное кольцо. Осторожно поместите две прокладки на светоделитель с помощью пинцета. Разместите их таким образом, чтобы создать прозрачную апертуру для газового и возбуждающего лазера, который попадает в воздушную полость через сквозное отверстие, идущее от одной стороны ячейки к другой (рис. 2, номер 3).ПРИМЕЧАНИЕ: Прокладки должны быть размещены с каждой стороны, чтобы получить воздушную полость посередине, как показано на рисунке 3B. Хватайтесь за прокладки только на боковых поверхностях, чтобы не поцарапать параллельные поверхности. Когда прокладки будут на месте, совместите зеркало поверх них отражающей стороной вниз. Светоделитель, распорки и зеркало теперь должны быть выровнены концентрически. Возьмите напечатанный на 3D-принтере эталонный колпачок и вставьте оба уплотнительных кольца (10 мм x 1 мм и 14 мм x 2 мм) в назначенные канавки. Совместите колпачок с прямоугольным пазом ячейки, и поместите его поверх зеркала.Надавите на колпачок, чтобы зафиксировать прокладки на месте. Поднимите ячейку, всегда нажимая на крышку, и вставьте четыре винта M4 в назначенные отверстия с обратной стороны. Установите их четырьмя гайками M4 на лицевой стороне и затягивайте их до тех пор, пока давление со стороны колпачка не станет достаточным, чтобы удерживать прокладки на месте, а уплотнительные кольца не будут достаточно сжаты. Проверьте, все ли еще на месте прокладки; Если это так, то эталон теперь готов к дальнейшему использованию. Используйте два дополнительных колпачка, напечатанных на 3D-принтере, для установки лазерных окон на боковой стороне измерительной ячейки, чтобы сделать ячейку газонепроницаемой. Поэтому поместите уплотнительное кольцо (10 мм x 1 мм) в назначенную канавку на ячейке, а еще одно (10 мм x 1 мм) на крышку. Поместите окно в паз и закрепите оконную крышку четырьмя винтами и гайками M3, как показано на рисунке 2, номер 2). Рисунок 3: Рендеринг измерительной ячейки и FPE. (A) Рендеринг процесса сборки ячейки, напечатанной на 3D-принтере, а также FPE с соответствующим монтажным колпачком. (B) Рендеринг оптических компонентов в правильном порядке. Прокладки создают воздушную полость между двумя зеркальными поверхностями. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 4. Сборка платформы для выравнивания волокон Соберите ступени и переходные пластины, как указано в таблице материалов. Используйте рисунок 4 в качестве ориентира во время строительства. Установите первый одноосный угломерный столик на оптическую макетную плату в направлении x.ПРИМЕЧАНИЕ: Номенклатура осей была выбрана произвольно. Плоскость оптического макета определяется как плоскость x-y, при этом вертикальное направление обращено за пределы макетной платы в положительном z-направлении. В зависимости от используемых ступеней при необходимости установите переходную пластину поверх угломерной ступени.Установите двухосевой трансформационный столик x-y микрометра в центре верхней части переходной пластины. Установите прямоугольный кронштейн на сцену перевода, обращенную по оси Y. Установите одноосный трансляционный столик на прямоугольный кронштейн в направлении z. Используя дополнительные переходные пластины, установите вторую угломерную ступень в направлении z на ступени перемещения. Прикрепите зажим с оптоволоконным наконечником поверх стойки. Длину стойки подбирайте так, чтобы наконечник волокна находился точно в точке вращения второй вертикальной угломерной ступени. Расстояние указано в инструкции к этапу. Внешний диаметр наконечника составляет 2,8 мм. Если зажим для этого диаметра недоступен, используйте зажим 2,5 мм и расширьте его дрелью. Установите стойку с помощью зажима наконечника на второй вертикальной угломерной ступени в z-положении, соответствующем точке вращения первой горизонтальной угломерной ступени с шага 4.2.Убедитесь, что втулка наконечника и объектив GRIN торчат из зажима наконечника на несколько миллиметров в отрицательном направлении z. Выберите вертикальное положение стойки так, чтобы кончик линзы GRIN находился в точке вращения угломерной ступени. Для монтажа эталона возьмите стойку, установите на нее прямоугольный кронштейн и прикрепите к ней стандартную пластину сепаратора SM1 с резьбой 30 мм. Установите четыре стержня сепаратора (>40 мм) на пластину, обращенную в положительном направлении z. Возьмите четыре металлические пружины с внутренним диаметром, немного превышающим диаметр стержня сепаратора, и поместите по одной на каждый стержень сепаратора. Наденьте измерительную ячейку со встроенным FPE на стержни стороной светоделителя вверх до тех пор, пока она не остановится на пружины.ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что ячейка может свободно перемещаться в направлении z. Если трение слишком велико, необходимо дополнительное расширение сквозных отверстий ячейки для стержней сепаратора. Лучше всего это делать круглым напильником. Установите стойку с помощью держателя стойки, опорной плиты и зажимной вилки непосредственно под платформой для выравнивания волокна. Убедитесь, что отверстие ячейки, обнажающее светоделитель, находится по центру примерно на 10 мм ниже держателя наконечника (шаг 4.5). Рисунок 4: Изображение платформы выравнивания с FPE с линзой GRIN во время процесса УФ-отверждения. Компоненты, написанные серым цветом, предназначены для измерений PTI и не являются необходимыми для процесса выравнивания. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 5. Оптико-электронная установка Соберите оптоэлектронные компоненты, как указано в таблице материалов, и расположите их, как показано схематично на рисунке 5. Установите волоконно-оптические компоненты на оптическую макетную плату с помощью соответствующих лотков для компонентов. Установите лазер на крепление лазерного диода. Подключите лазерный источник к лазерному драйверу и контроллеру TEC (термоэлектрический охладитель) со встроенной функцией модуляции (треугольная модуляция); В противном случае необходим дополнительный генератор функций. Установите треугольную амплитуду модуляции тока таким образом, чтобы охватывался диапазон длин волн, значительно превышающий ожидаемый FWHM эталона (расчеты можно найти в разделе обсуждения). Установите частоту модуляции примерно на 100 Гц. Подключите оптический выход лазера к входу изолятора с помощью ответных втулок L-образного кронштейна. Установите волоконно-оптический аттенюатор 15 дБ после изолятора и подключите его к входному порту ответвителя 1 x 2. Подключите выходной порт ответвителя с 90% оптической мощности к порту 1 оптического циркуляционного насоса. Подключите выходной порт ответвителя с 10% оптической мощностью к опорному фотодиоду балансного детектора. Подключите порт 2 циркуляционного насоса к системе линз GRIN с наконечником с косичкой. Подключите порт 3 к сигнальному фотодиоду детектора. Установите сбалансированный детектор в режим «Автобалансировка». Подключите электрический выход «Сигнал» детектора к одному каналу осциллографа с помощью кабеля BNC. Рисунок 5: Схема оптико-электронной установки для процедуры юстировки. Красные линии представляют оптические волокна, черные линии — электронные кабели, а синий луч — зондирующий лазер. Здесь используется сбалансированный детектор, но его можно заменить обычным фотоприемником. Таким образом, соединитель 1 x 2 можно опустить. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 6. Юстировка объектива Fiber-GRIN Установите зажим наконечника на стойку и закрепите его с помощью держателя стойки на оптической макетной плате. Закрепите втулку наконечника волокна в зажим наконечника. Как упоминалось в шаге 4.6, при необходимости расширьте зажим наконечника с помощью дрели. Заполните пипетку клеем УФ-отверждения (см. Таблицу материалов).ВНИМАНИЕ: Надевайте перчатки и очки при работе с объемной оптикой, а также с клеем для УФ-отверждения. Возьмите наконечник из косички и добавьте каплю клея на боковую поверхность наконечника. Содержите переднюю поверхность наконечника в чистоте. Вставьте наконечник во втулку наконечника. Убедитесь, что наконечник вставлен достаточно глубоко, чтобы передний конец объектива GRIN находился на расстоянии не менее 1-2 мм от втулки наконечника. Нанесите очень быстрое предварительное отверждение с помощью УФ-лампы (~ 10 с). Светите светом только с задней стороны (волокнистый конец наконечника), чтобы закрепить наконечник на втулке без затвердевания клея на переднем конце наконечника. Возьмите объектив GRIN, и найдите клиновидную сторону. Это можно сделать с помощью микроскопа или просто повернув его. Таким образом, становится видимой заклиненная сторона под углом 8°. Нанесите клей на клиновой конец линзы GRIN и вставьте его в втулку наконечника.ПРИМЕЧАНИЕ: При небольшом давлении воздух выходит из полости между наконечником и линзой GRIN. Между двумя поверхностями не должно быть пузырьков воздуха. Если есть, может помочь небольшой поворот; в противном случае снимите объектив GRIN и повторите шаг 6.8. Осторожно вращайте объектив GRIN до тех пор, пока две угловые поверхности не станут параллельными. Установите анализатор луча примерно на расстоянии 150 мм перед объективом GRIN. Если анализатор луча недоступен, можно использовать измеритель мощности с точечным отверстием спереди. Подключите наконечник с косичкой к лазеру с соответствующей длиной волны. Включите лазер.ВНИМАНИЕ: Необходимо соблюдать меры предосторожности при лазерной безопасности. С помощью пинцета слегка выдвиньте линзу GRIN из втулки наконечника, чтобы изменить расстояние между наконечником и линзой GRIN. Это расстояние имеет решающее значение для установки фокусного расстояния системы. Во время перемещения объектива GRIN постоянно следите за формой луча (или оптической силой).ПРИМЕЧАНИЕ: Короткое предварительное отверждение (~ 10 с) может помочь, если процесс выравнивания слишком нестабилен. Когда система сфокусирована на желаемом оптимуме, нанесите окончательное отверждение, подвергая его воздействию ультрафиолетового излучения в течение примерно 10 минут. После отверждения снимите втулку наконечника с зажима; На данный момент он готов к дальнейшему использованию. 7. Выравнивание волокна и эталона Возьмите наконечник с косичкой и систему линз GRIN из шага 5 и установите их с помощью зажима с наконечником из шага 4.5. Убедитесь, что ступень перемещения в направлении Z перемещен на максимальную высоту, а все остальные ступени находятся в нейтральном (центрированном) положении. Выровняйте ячейку под ним. Убедитесь, что объектив GRIN направлен прямо в центр отверстия. Зафиксируйте положение ячейки на высоте чуть ниже объектива GRIN (примерно 5 мм). Нанесите одну или две капли клея на передний конец линзы GRIN с помощью пипетки. Опустите ступень перемещения вниз в направлении z, пока не будет обеспечен контакт с поверхностью светоделителя с антибликовым покрытием. Продолжайте опускать линзу GRIN до тех пор, пока не будет приложено достаточное давление и пружины не окажутся под достаточным натяжением.ПРИМЕЧАНИЕ: Это гарантирует, что контакт между линзой GRIN и светоделителем будет поддерживаться во время процесса наклона юстировки. Величина необходимого давления зависит от настройки и может быть отрегулирована во время выравнивания, если не соблюдается разумная функция отражения. Опыт показывает, что большее давление обычно помогает процессу выравнивания. Включите модулированный лазер, а также осциллограф. Убедитесь, что осциллограф имеет максимально возможное разрешение при запуске процесса выравнивания. Установите временное разрешение так, чтобы были видны два-три периода модуляции. Начните процесс выравнивания, убедившись, что объектив GRIN нормально направлен на поверхность светоделителя. Это можно сделать путем визуального осмотра и соответствующего поворота угломерных ступеней. Сейчас это нулевая позиция. Шаг за шагом слегка отклоняйте одну угломерную ступень, а затем перемещайте другую угломерную ступень вокруг нулевого положения.Если на осциллографе не наблюдается никаких изменений, отклоните первый угломерный столик еще немного и повторяйте этот итеративный процесс до тех пор, пока треугольная модуляция не станет видна на осциллографе. Если вы наблюдаете гистерезис сигнала после движений ступеней, проверьте, все ли компоненты зафиксированы правильно.ПРИМЕЧАНИЕ: Увеличение давления, вызванное перемещением z-ступени вниз, также может помочь. Если наблюдаемый сигнал не такой сильный, как ожидалось, обратное отражение может исходить от одной из поверхностей эталона или одного из периферийных пиков функции отражения. Как правило, с 70% светоделителем и полностью отражающим зеркалом наблюдаемые пиковые отражения составляют порядка 25% оптической мощности, введенной в эталон. Как только наблюдается сильное обратное отражение, отрегулируйте разрешение осциллографа и убедитесь, что пик функции отражения эталона находится в центре на наклонах треугольной модуляции (рис. 6). Настройте пик эталона, изменяя температуру лазера до тех пор, пока пик не будет центрирован на склоне. Постарайтесь максимизировать пиковую силу (минимальное напряжение), одновременно максимизируя отношение пика к пику треугольной модуляции за счет небольших движений угломерных ступеней. Когда процесс выравнивания будет завершен, установите УФ-лампу рядом с линзой GRIN. Используйте самоцентрирующийся байонет объектива под углом 45°. Выполните отверждение поэтапно. Во-первых, отверждайте клей, который уже был нанесен на шаге 7.4. Следите за функцией отражения на осциллографе. Если отверждение приводит к ухудшению выравнивания из-за усадки клея, немного отрегулируйте угломерные ступени. Через 5-10 минут выключите УФ-лампу и нанесите больше клея на линзу GRIN, не прикасаясь к ней. Подвергните клей воздействию ультрафиолета еще на 5-10 минут. Повторяйте этот шаг до тех пор, пока отверстие ячейки полностью не заполнится однородным слоем клея. Выполняйте окончательное лечение более 1 часа. Чтобы обеспечить правильное соединение склеенных компонентов, либо дайте всей установке отдохнуть в течение 1 недели, либо закалите клеевое соединение при 60 °C в течение 1 часа, если это возможно. Теперь втулку наконечника можно снять с хомута. Поэтому перемещайте ступень перевода в положительном z-направлении, пока пружины полностью не расслабятся. Избегайте любой нагрузки на систему линз с наконечником GRIN; Откройте зажим и снимите его. Теперь эталон закончен и готов к дальнейшему использованию. Рисунок 6: Примерный общий сигнал осциллографа. Зеленым цветом изображено хорошее выравнивание, а желтым – худшее. Чем лучше выравнивание, тем выше отношение пика к пику треугольной модуляции и тем больше пик отражения (впадина) стремится к нулю. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 8. Характеристика эталона Для оценки полученного эталона используют ту же волоконно-оптическую установку, которая описана на шаге 5. Используйте измерительную систему, способную настраивать температуру лазера ступенчато и с достаточной скоростью регистрации данных.ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь используется система на основе FPGA (см. Таблицу материалов). Рассчитайте теоретическую FSR. В зависимости от используемого лазера (см. Коэффициент настройки температуры) выполните температурную развертку, соответствующую не менее чем двум FSR. Увеличьте температуру ступенчато (с шагом ~ 0,005 °C) и дайте TEC успокоиться в течение 2-3 с, прежде чем измерять еще 2-3 с каждый раз. Обработайте данные с помощью любой численной расчетной программы. Используйте любую библиотеку обработки сигналов со встроенным искателем пиков. Расстояние между двумя последующими пиками представляет собой FSR. Рассчитайте FWHM, оценив ширину пика на его половинной высоте.ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку расчет FSR и FWHM сильно зависит от формата данных, здесь не приводится никакого кода, но он может быть предоставлен автором по запросу. Преобразуйте температуру в длину волны, используя коэффициент перестройки температуры лазера. Рассчитайте FSR, а также FWHM на основе измерений (рис. 7). Рассчитайте изящество изготовленного FPE по следующей формуле:.

Representative Results

Как видно на рисунке 7, можно было бы изготовить FPE с четко определенной функцией отражения. Рисунок 7: Измеренная функция отражения готового FPE. Для измерения отражательной функции FPE была выполнена температурная развертка, соответствующая развертке длины волны лазера. Это используется для оценки таких показателей, как полная ширина при половинном максимуме (FWHM) и свободный спектральный диапазон (FSR) изготовленного устройства. Относительная отражательная способность относится к относительной доле света, возвращающегося в волокно после прохождения FPE. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Измеренные показатели FPE перечислены в таблице 1 и сравниваются с расчетными значениями идеального эталона с теми же характеристиками. Формулы идеального FPE можно найти во вводном разделе. Измеренный Идеальный FPE Тонкость 12.8 17.1 ФВХМ 0.0268 морских миль 0.0234 морских миль ФСР 0.3441 морских миль 0.4004 морских миль Чувствительность 14 1/нм 21 1/нм Таблица 1: Сравнение измеренных и рассчитанных метрик изготовленного эталона FPE. Чтобы проверить пригодность для назначенного применения, FPE используется для PTI-измерений водяного пара в окружающем воздухе. Поэтому возбуждающий лазер с длиной волны 1,364 нм направляется в ячейку перпендикулярно зондовому лазеру. Оба лазера пересекаются внутри FPE. Возбуждающий лазер модулируется синусоидально с частотой 125 Гц. Стабилизируя зондирующий лазер на самом крутом склоне FPE с помощью постоянного тока, достигается высочайшая чувствительность датчика. Для измерения водяного пара ячейка работает с открытыми окнами и подвергается воздействию окружающего воздуха с концентрацией 13 762 ppmV, измеренной эталонным устройством (температура = 21,4 °C, давление = 979,9 гПа, относительная влажность = 52,2%). Сигнал извлекается с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) и сравнивается с фоновым сигналом при выключенном лазере возбуждения, как показано на рисунке 8. Отношение сигнал/шум может быть получено более 7000, что соответствует пределу обнаружения приблизительно 5 ppmV (3σ). Рисунок 8: Измерения PTI водяного пара в окружающем воздухе. Черным цветом показан сигнал БПФ измерения с лазерным возбуждением 125 Гц. Синим цветом изображен фоновый сигнал без возбуждения. На врезке более подробно показан измеренный пик на частоте 125 Гц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Файл дополнительного кодирования 1: Measurement_cell. СЛДПРТ. Файл САПР для измерительной ячейки. Ячейка может быть адаптирована к требованиям конкретного применения и впоследствии напечатана на 3D-принтере. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительный файл кодирования 2: cap_etalon. СЛДПРТ. Файл САПР для фиксации эталона внутри измерительной ячейки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительный файл кодирования 3: cap_window. СЛДПРТ. Файл САПР для крепления лазерных окон к измерительной ячейке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Discussion

Поскольку FPE, изготовленный в соответствии с приведенным здесь протоколом, оптимизирован для конкретного приложения, в этой главе объясняются возможные адаптации и критические шаги. Прежде всего, FPE и измерительная ячейка предназначены для измерений PTI. Поэтому в ячейку добавляются вход и выход газа, а также канал для возбуждающего лазера, который перпендикулярен зондовому лазеру. Все отверстия ячейки либо сделаны герметичными с помощью уплотнительных колец, либо закрыты окнами UVFS, чтобы обеспечить распространение лазера. При использовании по-другому, ячейка, как указано в дополнительном кодировочном файле 1, может быть переработана и адаптирована к конкретному применению. Нарезание резьбы на шаге 1.4 выполняется после печати. Резьба также может быть напечатана на 3D-принтере, но, поскольку они имеют тенденцию быстро изнашиваться, печатаются только отверстия с соответствующим диаметром отверстия для сердцевины, а затем они нарезаются.

Выбор материала для прокладок на шаге 2.1 имеет решающее значение. Параллельность прокладок определяет параллельность эталонных зеркал и, следовательно, влияет на утонченность⁷. В этом исследовании использовалось прецизионное окно UVFS размером 1/2 дюйма, представленное в таблице материалов, с параллельностью ≤5 угловых секунд и плоскостностью поверхности λ/10 над прозрачной апертурой. Коэффициент теплового расширения УВФС составляет 0,55 х 10^−6/°С. Температурная стабильность может быть дополнительно увеличена за счет использования, например, прокладок Zerodur⁵ с коэффициентом теплового расширения ниже 0,1 x 10⁻⁶/°C; Однако у этого есть недостаток в виде более высоких затрат.

FPE образован одним полностью отражающим зеркалом, а также светоделителем. Светоделитель имеет одну отражающую поверхность 70%, а также заднюю сторону с антибликовым покрытием. Это позволяет соединять свет внутри и снаружи эталона. Кроме того, подложка светоделителя имеет одну клиновидную сторону для предотвращения нежелательных эффектов эталона. Тыльная сторона зеркала шероховатая по тем же причинам.

На шаге 5.1 описана оптико-электронная установка для слежения за процессом юстировки. Все используемые волокна являются стандартными волокнами SMF-28 с разъемами FC/APC. Из-за назначенного применения PTI сбалансированный фотодетектор был легко доступен в этом исследовании, но в целом в этом нет необходимости. Вместо этого можно использовать обычный фотоприемник; В этом случае использование соединителя 1 x 2 устарело. Эти изменения не влияют на другие компоненты установки, как показано на рисунке 5. Треугольная модуляция тока зондового лазера, как описано на шаге 5.4, соответствует развертке длины волны. Необходимо выбрать диапазон тока, достаточный для охвата по крайней мере одного пика отражения FPE. Таким образом, одним FSR может служить эмпирическое правило. Расчеты FSR идеального FPE можно найти во введении. Вместе с коэффициентом перестройки тока (нм/мА) лазера, приведенным в соответствующем руководстве, можно рассчитать диапазон тока, охватывающий одну FSR. Например, лазер, использованный в этой работе, имел коэффициент перестройки тока 0,003 нм/мА и излучал на длине волны 1,550 нм. Ожидаемая полная шкала идеального FPE с расстоянием между зеркалами 3 мм, d, составляет примерно 0,4 нм. Это дает диапазон настройки тока 133 мА.

В этой работе частота модуляции была установлена на 100 Гц для удобного отображения на осциллографе. Поскольку желаемый диапазон перестройки тока довольно велик, можно использовать аттенюатор с фиксированным волокном, чтобы оставаться в пределах мощности используемого детектора. Аттенюатор может быть установлен непосредственно после изолятора.

Клей для УФ-отверждения, используемый на шагах 6 и 7, прозрачен для лазерного излучения и имеет показатель преломления 1,56. Процесс выравнивания, как описано на шаге 7.1, зависит от доступного фотоприемника. Сбалансированный детектор, используемый в этой установке, генерирует отрицательное напряжение на выходе «Сигнал». Из соображений общности для описания шага 7.10 и на рисунке 6 предполагается положительное выходное напряжение. Для хорошо выровненного эталона пик отражения будет стремиться к нулю, в то время как треугольная функция увеличит отношение пика к пику.

Для определения характеристик эталонов на шаге 8.1 используется программное обеспечение для численного расчета (см. Таблицу материалов). Измеренное напряжение для каждого температурного шага усредняется и строится на графике, как показано на рисунке 7. Для преобразования ступеней температуры в ступени длины волны используется коэффициент перестройки температуры зондирующего лазера. Библиотеки анализа сигналов имеют встроенные алгоритмы поиска пиков, которые можно использовать для этой цели. Поскольку анализ данных сильно зависит от формата данных, здесь нет кода, но он может быть предоставлен соответствующим автором по запросу.

Возможным ограничением представленной здесь технологии изготовления является термическая и механическая стабильность в изменяющихся средах. Поскольку предметом данного учебного документа является недорогое прототипирование FPE для лабораторных применений, здесь не приводятся тесты, касающиеся механической и температурной стабильности. Если FPE используется для мобильных приложений или в изменяющихся условиях, необходимо принять дополнительные меры для механической стабилизации системы волоконно-оптических линз GRIN относительно эталона.

Здесь демонстрируется новый метод изготовления и определения характеристик FPE со стандартными оптическими компонентами, имеющимися в каждой фотонной лаборатории. Представленный FPE имеет утонченность около 15 и чувствительность, достаточную для обнаружения примерно 5 ppmV водяного пара. Помимо представленного приложения для PTI, этот FPE может быть использован в таких приложениях, как создание оптических микрофонов²⁰, которые обычно применяются в области неразрушающего контроля 23, измерения^{показателя преломления 24,25} или гигрометров ²⁶, и это лишь некоторые из них.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Работа, представленная здесь, проводилась в рамках финансируемого FFG проекта «Зеленое зондирование» и программы НАТО SPS «Фотонные наночастицы для обнаружения событий CBRN». Работа также была поддержана Издательским фондом открытого доступа Технического университета Граца.

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

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citer Cet Article

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).