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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Ingegneria

Herstellung eines kostengünstigen, fasergekoppelten Fabry-Pérot-Etalons mit Luftspalt

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

Dieses Protokoll beschreibt den Aufbau eines kostengünstigen, diskreten, fasergekoppelten und luftberaumten Fabry-Perot-Etalons mit verschiedenen Anwendungen, wie z.B. in der Spurengasspektroskopie. Die Herstellung ist in jeder Einrichtung möglich, in der Standard-optische Laborgeräte zur Verfügung stehen.

Abstract

Fabry-Pérot-Etalons (FPE) haben in vielen Anwendungen Einzug gehalten. In Bereichen wie Spektroskopie, Telekommunikation und Astronomie werden FPEs aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit sowie ihrer außergewöhnlichen Filterfähigkeit eingesetzt. Luftbeabstandete Etalons mit hoher Finesse werden jedoch in der Regel von spezialisierten Einrichtungen gebaut. Ihre Herstellung erfordert einen Reinraum, spezielle Glashandhabungs- und Beschichtungsmaschinen, was bedeutet, dass handelsübliche FPEs zu einem hohen Preis verkauft werden. In diesem Artikel wird eine neue und kostengünstige Methode zur Herstellung von fasergekoppelten FPEs mit photonischen Standard-Laborgeräten vorgestellt. Das Protokoll soll als Schritt-für-Schritt-Anleitung für den Aufbau und die Charakterisierung dieser FPEs dienen. Wir hoffen, dass dies den Forschern ermöglichen wird, schnelle und kostengünstige Prototypen von FPEs für verschiedene Anwendungsbereiche durchzuführen. Das FPE, wie es hier vorgestellt wird, wird für spektroskopische Anwendungen eingesetzt. Wie im repräsentativen Ergebnisteil über Proof-of-Principle-Messungen von Wasserdampf in der Umgebungsluft gezeigt wird, weist diese FPE eine Finesse von 15 auf, die für die photothermische Detektion von Spurenkonzentrationen von Gasen ausreicht.

Introduction

In seiner einfachsten Form besteht ein FPE aus zwei planparallelen, teilweise reflektierenden Spiegelflächen¹. In den folgenden Erläuterungen werden bei der Bezugnahme auf Spiegel das optische Substrat und die reflektierende Beschichtung als eine Einheit behandelt. In den meisten Anwendungen weisen die verwendeten Spiegel eine verkeilte Oberfläche² auf, um unerwünschte Etalon-Effekte zu verhindern. Abbildung 1 veranschaulicht die Ausbildung des Interferenzmusters eines Etalons mit Luftspalt (Abbildung 1A) sowie die Reflexionsfunktion für verschiedene Spiegelreflexionen (Abbildung 1B).

Das Licht tritt durch einen Spiegel in den Hohlraum ein, erfährt mehrere Reflexionen und verlässt den Hohlraum sowohl durch Reflexion als auch durch Transmission. Da sich dieser Artikel auf die Herstellung eines in Reflexion betriebenen FPE konzentriert, beziehen sich die weiteren Erklärungen speziell auf die Reflexion. Die Wellen, die den Resonator verlassen, interferieren, je nach Phasendifferenz q = 4πnd/λ. Hier ist n der Brechungsindex innerhalb des Resonators, d ist der Spiegelabstand und λ ist die Wellenlänge der Lichtquelle des Interferometers, hier Sondenlaser genannt. Ein minimaler Reflexionsgrad tritt auf, wenn die optische Wegdifferenz mit dem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge übereinstimmt. Die Finesse eines idealen ebenenparallelen Etalons wird nur durch die Spiegelreflexionen R₁ und R₂ bestimmt³:

Ein reales Etalon ist jedoch vielen Verlusten unterworfen, die die theoretisch erreichbare Finesse ^4,5,6 verschlechtern. Abweichung der Spiegelparallelität⁷, nicht normaler Einfall des Laserstrahls, Strahlform⁸, Verunreinigungen der Spiegeloberfläche und Streuung führen u.a. zu einer Verringerung der Finesse. Das charakteristische Interferenzmuster kann durch die Airy-Funktion¹ beschrieben werden:

Die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) sowie der freie Spektralbereich (FSR) der Reflexionsfunktion können wie folgt berechnet werden:

Abbildung 1: Fabry-Pérot-Interferometer-Theorie . (A) Eine schematische Darstellung der Mehrstrahlinterferenz für ein luftbehaftetes Etalon mit verkeilten Fenstern. Eine ebene Welle, E₀, tritt unter einem bestimmten Winkel φ durch eine entspiegelte (AR) beschichtete Oberfläche in den Hohlraum ein und erfährt anschließend mehrere Reflexionen zwischen den stark reflektierenden (hohen R) Oberflächen, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, d. Bei jeder Reflexion wird ein Teil des Lichts entweder in der Transmission oder in der Reflexion vom Etalon ausgekoppelt, wo es mit den anderen Wellen interferiert. (B) Die Reflexionsfunktion eines idealen Fabry-Pérot-Etalons für verschiedene Spiegelreflexionen (y-Achse). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

FPEs sind in einer Vielzahl von Anwendungen zu finden 9,10,11. Im hier vorgestellten Fall wird die FPE in einem photothermischen Interferometrie-Aufbau (PTI) verwendet. Bei der PTI werden kleine Dichte- und damit Brechungsindexänderungen, die durch die periodische Anregung mit anschließender schneller Thermalisierung eines Targetgases über einen zweiten Laser induziert werden, interferometrisch gemessen¹². Die Wärmemenge und damit die Größe der Brechungsindexänderung sind proportional zur Gaskonzentration. Bei der Messung der Intensität der Reflexionsfunktion des FPE an seinem steilsten Punkt (Arbeitspunkt) verschieben diese Brechungsindexänderungen die Reflexionsfunktion und verändern dadurch die gemessene Intensität. Da die Reflexionsfunktion im Bereich um den Arbeitspunkt linear angenommen werden kann, ist das gemessene Signal dann proportional zur Gaskonzentration. Die Empfindlichkeit des Sensors wird durch die Steigung der Reflexionsfunktion bestimmt und ist daher proportional zur Finesse. PTI hat sich in Kombination mit FPEs als empfindliche und selektive Methode zum Nachweis von Spuren von Gasen und Aerosolen erwiesen 13,14,15,16,17,18. In der Vergangenheit waren viele Sensoren für Druck- und Akustikmessungen auf die Verwendung von beweglichen Teilen wie Membranen angewiesen, die den zweiten Spiegel des FPE¹⁹ ersetzten. Auslenkungen der Membran führen zu einer Änderung des Spiegelabstandes und damit der optischen Weglänge. Diese Instrumente haben den Nachteil, dass sie anfällig für mechanische Vibrationen sind. In den letzten Jahren hat die Entwicklung optischer Mikrofone mit soliden FPEs ein kommerzielles Niveau^{von 20} erreicht. Durch den Verzicht auf bewegliche Teile änderte sich die Messgröße von der Entfernung zum Brechungsindex innerhalb des Fabry-Pérot-Resonators, wodurch die Robustheit der Sensoren deutlich erhöht wurde.

Kommerziell erhältliche FPEs mit Luftraum kosten mehr als das, was für Prototyping und Tests sowie für die Integration von Instrumenten in der Großserienproduktion akzeptabel ist. Die meisten wissenschaftlichen Publikationen, die solche FPEs konstruieren und verwenden, diskutieren das Thema der Herstellung nur minimal^21,22. In den meisten Fällen sind spezielle Geräte und Maschinen (z. B. Reinräume, Beschichtungsanlagen usw.) erforderlich. So sind beispielsweise für vollfaserintegrierte FPEs spezielle Mikrobearbeitungsanlagen erforderlich. Um die Herstellungskosten zu senken und das Testen mehrerer verschiedener FPE-Konfigurationen zu ermöglichen, um deren Eignung für PTI-Setups zu verbessern, wurde eine neue Herstellungsmethode entwickelt, die im folgenden Protokoll detailliert beschrieben wird. Durch die ausschließliche Verwendung von handelsüblichen Standard-Bulk-Optik- und Telekom-Glasfaserkomponenten konnten die Herstellungskosten auf unter 400 Euro gesenkt werden. Jede Einrichtung, die mit photonischen Standardgeräten arbeitet, sollte in der Lage sein, unser Fertigungsschema zu reproduzieren und an ihre Anwendungen anzupassen.

Protocol

1. Dreidimensionaler Druck der Messzelle Passen Sie die Messzelle, wie in Supplementary Coding File 1 beschrieben, an Ihre Anwendung an. Dreidimensionaler Druck der Zelle sowie der Kappen, die in den ergänzenden Codierungsdateien 1-3 angegeben sind, um die Bulk-Optik-Materialien zu montieren.HINWEIS: Für die vorliegende Studie wurde ein SLA-3D-Drucker verwendet (siehe Materialtabelle). Achten Sie beim Generieren des Druckauftrags darauf, die Anzahl der Stützstrukturen in den Hohlräumen und Öffnungen zu minimieren. Harzreste können den Durchmesser verringern und die Bulk-Optik kann stecken bleiben. Reinigen Sie die Zelle nach dem Drucken mit Isopropylalkohol und entfernen Sie alle Stützstrukturen mit einem Drahtschneider und Schleifpapier. Fädeln Sie die entsprechenden Löcher direkt nach dem Druck und vor dem Aushärten ein.Gewindeschneiden Sie den Gaseinlass und -auslass als M5 ein, um den Schlauchanschluss zu montieren. Gewindeschneiden Sie das zentrale Loch unten als M4 für die Nachmontage der Zelle. Fädeln Sie die kleineren Durchgangsbohrungen senkrecht in die Durchgangslöcher der Käfigstange als M3 ein, um die Befestigung der Zelle am Käfigsystem zu ermöglichen (Abbildung 2). Härten Sie die Zelle (405 nm) und die Kappen bei 60 °C mindestens 40 Minuten lang mit einem handelsüblichen UV-Härtungsgerät aus (siehe Materialtabelle). Abbildung 2: Beschriftetes CAD-Modell-Rendering der Messzelle. Zur besseren Übersichtlichkeit finden Sie hier eine Schnittansicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. 2. Vorbereiten der Abstandshalter Schneiden Sie zwei Abstandshalter aus einem Präzisionsfenster mit UV-Quarzglas (UVFS) aus. Schneiden Sie zwei ca. 3 mm breite Stücke aus dem Präzisionsfenster aus, wie in Abbildung 3B gezeigt.HINWEIS: Die Abstandshalter können mit einem herkömmlichen, kostengünstigen Glasschneider geschnitten werden (siehe Materialtabelle).VORSICHT: Tragen Sie Handschuhe und eine Schutzbrille, während Sie die Bulk-Optik schneiden und handhaben. Ritzen Sie mit dem Fräswerkzeug eine gerade Linie auf das Präzisionsfenster und brechen Sie das Glas dann mit einer Zange. Verwenden Sie immer eine Zange mit ebenen Oberflächen und legen Sie Linsenreinigungstücher (oder ähnliches) zwischen das Metall und das Glas, um Schäden an der Glasoberfläche zu vermeiden. Reinigen Sie die Abstandshalter mit einem Staubspray, um Glasreste zu entfernen.HINWEIS: Zusätzlich können die Abstandshalter vorsichtig mit Linsenreinigungsflüssigkeit sowie Linsenreinigungstüchern abgewischt werden, ohne Druck auszuüben. 3. Montage des Etalons Legen Sie die 3D-gedruckte Zelle (Schritt 1) mit der Etalongrube nach oben auf den Tisch. Setzen Sie einen O-Ring (10 mm x 1 mm, siehe Materialtabelle) in die Etalongrube ein und drücken Sie ihn leicht in die dafür vorgesehene Nut. Platzieren Sie den Strahlteiler mit der reflektierenden Oberfläche nach oben in der Etalongrube und auf dem O-Ring. Setzen Sie die beiden Abstandshalter vorsichtig mit einer Pinzette auf den Strahlteiler. Platzieren Sie sie so, dass eine freie Öffnung für den Gas- und Anregungslaser entsteht, der über die Durchgangsbohrung, die von einer Seite der Zelle zur anderen verläuft, in den Lufthohlraum eintritt (Abbildung 2, Nummer 3).Anmerkungen: Die Abstandshalter müssen auf jeder Seite platziert werden, um einen Lufthohlraum in der Mitte zu erhalten, wie in Abbildung 3B gezeigt. Fassen Sie die Abstandshalter nur an den Seitenflächen an, um Kratzer an den parallelen Flächen zu vermeiden. Wenn die Abstandshalter angebracht sind, richten Sie den Spiegel mit der reflektierenden Seite nach unten darauf aus. Der Strahlteiler, die Abstandshalter und der Spiegel müssen nun konzentrisch ausgerichtet werden. Nehmen Sie die 3D-gedruckte Etalon-Kappe und stecken Sie beide O-Ringe (10 mm x 1 mm und 14 mm x 2 mm) in die dafür vorgesehenen Nuten. Richten Sie die Kappe an der rechteckigen Nut der Zelle aus und legen Sie sie auf den Spiegel.Üben Sie Druck auf die Kappe aus, um die Abstandshalter zu fixieren. Heben Sie die Zelle an, während Sie immer Druck auf die Kappe ausüben, und führen Sie vier M4-Schrauben von der Rückseite durch die dafür vorgesehenen Löcher ein. Montieren Sie sie mit vier M4-Muttern auf der Vorderseite und ziehen Sie sie fest, bis der Druck der Kappe ausreicht, um die Abstandshalter an Ort und Stelle zu halten, und die O-Ringe ausreichend zusammengedrückt sind. Überprüfen Sie, ob die Abstandshalter noch vorhanden sind. Wenn ja, ist das Etalon nun bereit für den weiteren Einsatz. Verwenden Sie die beiden zusätzlichen 3D-gedruckten Kappen, um Laserfenster an der Seite der Messzelle zu montieren, um die Zelle gasdicht zu machen. Setzen Sie daher einen O-Ring (10 mm x 1 mm) in die dafür vorgesehene Nut an der Zelle und einen weiteren (10 mm x 1 mm) auf die Kappe. Setzen Sie das Fenster in die Nut ein und befestigen Sie die Fensterkappe mit vier M3-Schrauben und -Muttern, wie in Abbildung 2, Nummer 2 gezeigt. Abbildung 3: Rendering der Messzelle und der FPE. (A) Rendering des Montageprozesses der 3D-gedruckten Zelle sowie der FPE mit der entsprechenden Montagekappe. (B) Rendern der Bulk-Optik-Komponenten in der richtigen Reihenfolge. Die Abstandshalter erzeugen einen luftbeabstandeten Hohlraum zwischen den beiden Spiegelflächen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. 4. Montage der Faserausrichtungsplattform Montieren Sie die Tische und Adapterplatten wie in der Materialtabelle aufgeführt. Verwenden Sie Abbildung 4 als Orientierung während der Konstruktion. Montieren Sie den ersten einachsigen goniometrischen Tisch auf einem optischen Steckbrett in x-Richtung.HINWEIS: Die Nomenklatur der Achsen wurde willkürlich gewählt. Die optische Breadboard-Ebene ist als x-y-Ebene definiert, wobei die vertikale Richtung in positiver z-Richtung aus dem Breadboard zeigt. Montieren Sie je nach verwendetem Tisch bei Bedarf eine Adapterplatte auf dem goniometrischen Tisch.Montieren Sie einen zweiachsigen x-y-Mikrometer-Translationstisch mittig auf der Adapterplatte. Montieren Sie eine rechtwinklige Halterung auf dem Translationstisch, der in y-Richtung zeigt. Montieren Sie einen einachsigen Verschiebetisch in z-Richtung auf die rechtwinklige Halterung. Montieren Sie mit zusätzlichen Adapterplatten den zweiten goniometrischen Tisch in z-Richtung auf dem Translationstisch. Befestigen Sie eine Faserhülsenklemme an einem Pfosten. Wählen Sie die Länge des Pfostens so, dass sich die Faserhülse genau im Drehpunkt der zweiten vertikalen goniometrischen Stufe befindet. Die Distanz ist im Handbuch der Bühne angegeben. Der Außendurchmesser der Faserhülse beträgt 2,8 mm. Wenn keine Klemme für diesen Durchmesser verfügbar ist, verwenden Sie eine 2,5-mm-Klemme und verbreitern Sie diese mit einem Bohrer. Montieren Sie den Pfosten mit der Aderendhülsenklemme auf dem zweiten vertikalen goniometrischen Tisch in einer z-Position, die dem Drehpunkt des ersten horizontalen goniometrischen Tisches aus Schritt 4.2 entspricht.Achten Sie darauf, dass die Aderendhülse und die GRIN-Linse einige Millimeter in negativer Z-Richtung aus der Aderendhülsenklemme herausragen. Wählen Sie die vertikale Position des Stifts so, dass sich die Spitze der GRIN-Linse am Drehpunkt des goniometrischen Tisches befindet. Um das Etalon zu montieren, nehmen Sie einen Pfosten, montieren Sie eine rechtwinklige Halterung darauf und befestigen Sie eine Standard-SM1-Gewindeplatte mit 30 mm Gewinde darauf. Montieren Sie vier Käfigstangen (>40 mm) auf der Platte, die in positiver Z-Richtung zeigen. Nehmen Sie vier Metallfedern mit einem Innendurchmesser, der etwas größer ist als der Durchmesser der Käfigstange, und legen Sie eine auf jede Käfigstange. Schieben Sie die Messzelle mit integriertem FPE mit der Strahlteilerseite nach oben auf die Stäbe, bis sie auf den Federn aufliegt.HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass sich die Zelle frei in Z-Richtung bewegen kann. Ist die Reibung zu hoch, ist eine zusätzliche Aufweitung der Durchgangsbohrungen der Zelle für die Käfigstangen notwendig. Dies geschieht am besten mit einer runden Feile. Montieren Sie den Pfosten über einen Pfostenhalter, eine Grundplatte und eine Klemmgabel direkt unter der Faserausrichtungsplattform. Stellen Sie sicher, dass die Öffnung der Zelle, die den Strahlteiler freilegt, ca. 10 mm unter dem Ferrulenhalter zentriert ist (Schritt 4.5). Abbildung 4: Bild der Ausrichtungsplattform mit dem GRIN-Linsen-gekoppelten FPE während des UV-Härtungsprozesses. Die grau geschriebenen Komponenten sind für PTI-Messungen und werden für den Ausrichtungsprozess nicht benötigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. 5. Opto-elektronischer Aufbau Bauen Sie die optoelektronischen Komponenten wie in der Materialtabelle aufgeführt zusammen, und ordnen Sie sie wie schematisch in Abbildung 5 dargestellt an. Montieren Sie die faseroptischen Komponenten auf einem optischen Steckbrett mit den entsprechenden Komponenteneinschüben. Montieren Sie den Laser auf einer Laserdiodenhalterung. Schließen Sie die Laserquelle an einen Lasertreiber und eine TEC-Steuerung (thermoelektrischer Kühler) mit integrierter Modulationsfunktion (Dreiecksmodulation) an. Andernfalls ist ein zusätzlicher Funktionsgenerator notwendig. Stellen Sie die Amplitude der Dreiecksstrommodulation so ein, dass ein Wellenlängenbereich abgedeckt wird, der deutlich über der erwarteten FWHM des Etalons liegt (Berechnungen finden Sie im Diskussionsabschnitt). Stellen Sie die Modulationsfrequenz auf etwa 100 Hz ein. Verbinden Sie den optischen Ausgang des Lasers mit dem Isolatoreingang über L-Bracket-Gegenhülsen. Montieren Sie ein 15-dB-Lichtwellenleiter-Dämpfungsglied hinter dem Isolator und schließen Sie es an den Eingangsport des 1 x 2-Kopplers an. Verbinden Sie den Ausgangsanschluss des Kopplers mit 90 % optischer Leistung mit Anschluss 1 des optischen Zirkulators. Verbinden Sie den Ausgangsport des Kopplers mit 10 % optischer Leistung mit der Referenzfotodiode des symmetrischen Detektors. Verbinden Sie Anschluss 2 des Zirkulators mit dem Ferrule-GRIN-Linsensystem mit Pigtail. Verbinden Sie Port 3 mit der Signalfotodiode des Detektors. Stellen Sie den symmetrischen Detektor in den Modus “Auto-Balanced”. Verbinden Sie den elektrischen “Signal”-Ausgang des Detektors mit einem BNC-Kabel mit einem Kanal des Oszilloskops. Abbildung 5: Schematische Darstellung des optoelektronischen Aufbaus für den Ausrichtungsvorgang. Die roten Linien stehen für optische Fasern, die schwarzen Linien für elektronische Kabel und der blaue Strahl für den Sondenlaser. Hier kommt ein symmetrischer Detektor zum Einsatz, der aber durch einen konventionellen Photodetektor ersetzt werden kann. Daher kann auf die 1 x 2 Kupplung verzichtet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. 6. Ausrichtung der Fiber-GRIN-Linse Montieren Sie die Aderendhülsenklemme an einem Pfosten und befestigen Sie sie über einen Pfostenhalter auf einem optischen Steckbrett. Befestigen Sie die Hülse der Faserhülse in einer Aderendhülsenklemme. Wie in Schritt 4.6 erwähnt, verbreitern Sie die Aderendhülsenklemme bei Bedarf mit einem Bohrer. Füllen Sie eine Pipette mit UV-härtendem Klebstoff (siehe Materialtabelle).ACHTUNG: Tragen Sie Handschuhe und eine Brille, während Sie mit der Bulk-Optik sowie dem UV-härtenden Klebstoff hantieren. Nehmen Sie die Zwergzendhülse und geben Sie einen Tropfen Klebstoff auf die Seitenfläche der Zwinge. Halten Sie die Vorderseite der Aderendhülse sauber. Setzen Sie die Aderendhülse in die Aderendhülse ein. Achten Sie darauf, die Aderendhülse tief genug einzuführen, so dass sich das vordere Ende der GRIN-Linse mindestens 1-2 mm außerhalb der Aderendhülse befindet. Tragen Sie eine sehr schnelle Vorhärtung mit einer UV-Lampe auf (~10 s). Leuchten Sie das Licht nur von der Rückseite (Faserende der Ferrule), um die Aderendhülse an der Hülse zu befestigen, ohne den Klebstoff am vorderen Ende der Aderendhülse auszuhärten. Nimm die GRIN-Linse und finde die verkeilte Seite. Dies kann mit einem Mikroskop oder durch einfaches Drehen erfolgen. Dadurch wird die 8° verkeilte Seite sichtbar. Tragen Sie einen Tropfenkleber auf das verkeilte Ende der GRIN-Linse auf und führen Sie ihn in die Hülse der Aderendhülse ein.Anmerkungen: Durch leichten Druck verlässt die Luft den Hohlraum zwischen der Zwinge und der GRIN-Linse. Es dürfen keine Luftblasen zwischen den beiden Oberflächen eingeschlossen sein. Wenn ja, kann ein leichtes Drehen helfen; Entfernen Sie andernfalls die GRIN-Linse und wiederholen Sie Schritt 6.8. Drehen Sie die GRIN-Linse vorsichtig, bis die beiden abgewinkelten Flächen parallel sind. Montieren Sie einen Strahlanalysator ca. 150 mm vor dem GRIN-Objektiv. Wenn kein Strahlanalysator zur Verfügung steht, kann ein Leistungsmesser mit einer Lochblende vorne verwendet werden. Schließen Sie die Pigtail-Aderendhülse an einen Laser mit der entsprechenden Wellenlänge an. Schalten Sie den Laser ein.ACHTUNG: Es müssen Laserschutzvorkehrungen getroffen werden. Bewegen Sie die GRIN-Linse mit einer Pinzette leicht aus der Aderendhülse, um den Abstand zwischen der Aderendhülse und der GRIN-Linse zu ändern. Dieser Abstand ist entscheidend für die Einstellung der Brennweite des Systems. Überwachen Sie beim Bewegen der GRIN-Linse ständig die Strahlform (oder die optische Leistung).HINWEIS: Eine kurze Vorhärtung (~ 10 s) kann helfen, wenn der Ausrichtungsprozess zu instabil ist. Wenn das System auf das gewünschte Optimum fokussiert ist, wenden Sie die endgültige Aushärtung an, indem Sie es etwa 10 Minuten lang UV-Licht aussetzen. Entfernen Sie nach dem Aushärten die Aderendhülse von der Klemme. Zu diesem Zeitpunkt ist es bereit für die weitere Verwendung. 7. Faser-Etalon-Ausrichtung Nehmen Sie die Zwergklemme und das GRIN-Linsensystem aus Schritt 5 und montieren Sie es mit der Aderendhülsenklemme aus Schritt 4.5. Stellen Sie sicher, dass der Translationstisch in Z-Richtung auf seine maximale Höhe verschoben wird und dass sich alle anderen Tische in neutralen (zentrierten) Positionen befinden. Richten Sie die Zelle darunter aus. Achten Sie darauf, dass die GRIN-Linse direkt auf die Mitte der Öffnung zeigt. Fixieren Sie die Position der Zelle in einer Höhe etwas unterhalb der GRIN-Linse (ca. 5 mm). Tragen Sie mit der Pipette ein oder zwei Tropfen Klebstoff auf das vordere Ende der GRIN-Linse auf. Senken Sie die Translationsstufe in z-Richtung ab, bis der Kontakt mit der entspiegelten Oberfläche des Strahlteilers gewährleistet ist. Senken Sie die GRIN-Linse weiter ab, bis genügend Druck ausgeübt wird und die Federn unter ausreichender Spannung stehen.HINWEIS: Dadurch wird sichergestellt, dass der Kontakt zwischen der GRIN-Linse und dem Strahlteiler während des Kippvorgangs der Ausrichtung erhalten bleibt. Die Höhe des erforderlichen Drucks hängt vom Aufbau ab und kann während der Ausrichtung angepasst werden, wenn keine sinnvolle Reflexionsfunktion beobachtet werden kann. Die Erfahrung hat gezeigt, dass mehr Druck in der Regel den Ausrichtungsprozess unterstützt. Schalten Sie sowohl den modulierten Laser als auch das Oszilloskop ein. Stellen Sie sicher, dass das Oszilloskop die höchstmögliche Auflösung hat, wenn Sie den Ausrichtungsprozess starten. Stellen Sie die Zeitauflösung so ein, dass zwei bis drei Perioden der Modulation sichtbar sind. Beginnen Sie den Ausrichtungsprozess, indem Sie sicherstellen, dass die GRIN-Linse normal auf die Strahlteileroberfläche zeigt. Dies kann durch Sichtprüfung und entsprechende Drehung der goniometrischen Tische erfolgen. Dies ist nun die Nullposition. Biegen Sie Schritt für Schritt einen goniometrischen Tisch leicht aus und bewegen Sie dann den anderen goniometrischen Tisch um die Nullposition.Wenn auf dem Oszilloskop keine Änderung zu beobachten ist, lenken Sie die erste goniometrische Stufe etwas weiter aus und wiederholen Sie diesen iterativen Vorgang, bis die dreieckige Modulation auf dem Oszilloskop sichtbar wird. Wenn Sie eine Hysterese des Signals nach Bewegungen der Stufen beobachten, überprüfen Sie, ob alle Komponenten richtig befestigt sind.HINWEIS: Ein Druckanstieg, der durch das Verschieben der Z-Stufe nach unten verursacht wird, kann ebenfalls hilfreich sein. Wenn das beobachtete Signal nicht so stark ist wie erwartet, kann die Rückreflexion von einer der Oberflächen des Etalon oder von einem der peripheren Peaks der Reflexionsfunktion stammen. Als Faustregel gilt, dass bei einem 70%igen Strahlteiler und einem vollreflektierenden Spiegel die beobachteten Spitzenreflexionen in der Größenordnung von 25% der in das Etalon eingeleiteten optischen Leistung liegen. Sobald eine starke Rückreflexion beobachtet wird, passen Sie die Auflösung des Oszilloskops an und stellen Sie sicher, dass die Spitze der Reflexionsfunktion des Etalon in der Mitte der dreieckigen Modulationsflanken sitzt (Abbildung 6). Stellen Sie den Peak des Etalon ein, indem Sie die Temperatur des Lasers ändern, bis der Peak auf dem Hang zentriert ist. Versuchen Sie, die Spitzenstärke (minimale Spannung) zu maximieren und gleichzeitig das Spitze-zu-Spitze-Verhältnis der Dreiecksmodulation durch leichte Bewegungen der goniometrischen Stufen zu maximieren. Wenn der Ausrichtungsprozess abgeschlossen ist, montieren Sie die UV-Lampe in der Nähe der GRIN-Linse. Verwenden Sie einen selbstzentrierenden Objektivanschluss in einem Winkel von 45°. Führen Sie die Aushärtung schrittweise durch. Härten Sie zunächst den Klebstoff aus, der bereits in Schritt 7.4 aufgetragen wurde. Behalten Sie die Reflexionsfunktion des Oszilloskops im Auge. Wenn die Aushärtung aufgrund der Schrumpfung des Klebstoffs zu einer Verschlechterung der Ausrichtung führt, passen Sie die goniometrischen Stufen leicht an. Schalten Sie nach 5-10 Minuten die UV-Lampe aus und tragen Sie mehr Klebstoff um die GRIN-Linse herum auf, ohne sie zu berühren. Setzen Sie den Kleber für weitere 5-10 Minuten UV-Licht aus. Wiederholen Sie diesen Schritt, bis die Öffnung der Zelle vollständig mit einer homogenen Klebstoffschicht gefüllt ist. Führen Sie die letzte Aushärtung länger als 1 Stunde durch. Um eine einwandfreie Verbindung der geklebten Komponenten zu gewährleisten, lassen Sie entweder den gesamten Aufbau 1 Woche ruhen oder temperieren Sie die Klebefuge bei 60 °C für 1 h, wenn möglich. Nun kann die Aderendhülse von der Klemme entfernt werden. Bewegen Sie daher die Translationsstufe in eine positive z-Richtung, bis die Federn vollständig entspannt sind. Vermeiden Sie jegliche Belastung des Ferrule-GRIN-Linsensystems; Öffnen Sie die Klemme und entfernen Sie sie. Jetzt ist das Etalon fertig und bereit für den weiteren Einsatz. Abbildung 6: Beispielhaftes, generisches Oszilloskopsignal. In Grün wird eine gute Ausrichtung dargestellt, in Gelb eine schlechtere. Je besser die Ausrichtung, desto höher ist das Spitze-zu-Spitze-Verhältnis der Dreiecksmodulation und desto mehr geht die Reflexionsspitze (Tal) gegen Null. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. 8. Etalon-Charakterisierung Verwenden Sie für die Auswertung des produzierten Etalon den gleichen LWL-Aufbau wie in Schritt 5 beschrieben. Verwenden Sie ein Messsystem, das in der Lage ist, die Temperatur des Lasers schrittweise und mit einer ausreichenden Datenerfassungsrate einzustellen.HINWEIS: Hier wird ein FPGA-basiertes System verwendet (siehe Materialtabelle). Berechnen Sie den theoretischen FSR. Führen Sie je nach verwendetem Laser (siehe Temperaturabstimmungskoeffizient) einen Temperatur-Sweep durch, der mindestens zwei FSRs entspricht. Erhöhen Sie die Temperatur schrittweise (in Schritten von ~0,005 °C) und lassen Sie den TEC 2-3 s einpendeln, bevor Sie jedes Mal weitere 2-3 s messen. Verarbeiten Sie die Daten mit einem beliebigen numerischen Berechnungsprogramm. Verwenden Sie eine beliebige Signalverarbeitungsbibliothek mit integriertem Peak-Finder. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Peaks stellt den FSR dar. Berechnen Sie die FWHM, indem Sie die Breite des Peaks auf seiner halben Höhe auswerten.HINWEIS: Da die Berechnung von FSR und FWHM stark vom Datenformat abhängig ist, wird hier kein Code angegeben, der aber vom Autor auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden kann. Wandeln Sie die Temperatur in Wellenlänge um, indem Sie den Temperaturabstimmungskoeffizienten des Lasers verwenden. Berechnen Sie aus den Messungen sowohl den FSR als auch den FWHM (Abbildung 7). Berechnen Sie die Finesse des hergestellten FPE mit der folgenden Formel:.

Representative Results

Wie in Abbildung 7 zu sehen ist, konnte eine FPE mit einer wohldefinierten Reflexionsfunktion hergestellt werden. Abbildung 7: Gemessene Reflexionsfunktion des fertigen FPE. Ein Temperatur-Sweep, der einem Wellenlängen-Sweep des Lasers entspricht, wurde durchgeführt, um die Reflexionsfunktion des FPE zu messen. Dies wird verwendet, um Metriken wie die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) und den freien Spektralbereich (FSR) des hergestellten Geräts auszuwerten. Der relative Reflexionsgrad bezieht sich auf den relativen Anteil des Lichts, das nach dem Passieren der FPE in die Faser zurückreflektiert wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. Die gemessenen Metriken der FPE sind in Tabelle 1 aufgeführt und werden mit den berechneten Werten eines idealen Etalons mit den gleichen Spezifikationen verglichen. Die Formeln für eine ideale FPE finden Sie im Einleitungsabschnitt. Gemessen Ideale FPE Finesse 12.8 17.1 FWHM 0,0268 nm 0,0234 nm FSR 0,3441 nm 0,4004 nm Empfindlichkeit 14 1/nm 21 1/nm Tabelle 1: Vergleich der gemessenen und berechneten Metriken des hergestellten FPE-Etalons. Um die Eignung für eine bestimmte Anwendung zu validieren, wird das FPE für PTI-Messungen von Wasserdampf in der Umgebungsluft verwendet. Dazu wird ein Anregungslaser mit einer Wellenlänge von 1.364 nm senkrecht zum Sondenlaser in die Zelle geführt. Beide Laser kreuzen sich im FPE. Der Anregungslaser wird sinusförmig mit einer Frequenz von 125 Hz moduliert. Durch die Stabilisierung des Sondenlasers auf der steilsten Steigung des FPE, mittels Konstantstrom, wird die höchste Empfindlichkeit des Sensors erreicht. Für Wasserdampfmessungen wird die Zelle bei geöffneten Fenstern betrieben und mit einer Konzentration von 13.762 ppmV, gemessen mit einem Referenzgerät, Umgebungsluft ausgesetzt (Temperatur = 21,4 °C, Druck = 979,9 hPa, relative Luftfeuchtigkeit = 52,2%). Das Signal wird mittels einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) extrahiert und mit dem Hintergrundsignal bei ausgeschaltetem Anregungslaser verglichen, wie in Abbildung 8 dargestellt. Es kann ein Signal-Rausch-Verhältnis von mehr als 7.000 erreicht werden, was einer Nachweisgrenze von ca. 5 ppmV (3σ) entspricht. Abbildung 8: PTI-Messungen von Wasserdampf in der Umgebungsluft. In Schwarz wird das FFT-Signal einer Messung mit 125 Hz Laseranregung dargestellt. In blau wird das Hintergrundsignal ohne Anregung dargestellt. Der Ausschnitt zeigt den gemessenen Peak bei 125 Hz im Detail. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. Ergänzende Codierungsdatei 1: Measurement_cell. SLDPRT. CAD-Datei für die Messzelle. Die Zelle kann an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst und anschließend 3D-gedruckt werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Ergänzende Codierungsdatei 2: cap_etalon. SLDPRT. CAD-Datei zur Fixierung des Etalons in der Messzelle. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Ergänzende Codierungsdatei 3: cap_window. SLDPRT. CAD-Datei zur Befestigung der Laserfenster an der Messzelle. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Discussion

Da das nach dem hier angegebenen Protokoll hergestellte FPE für eine bestimmte Anwendung optimiert ist, werden in diesem Kapitel mögliche Anpassungen und kritische Schritte erläutert. Zunächst einmal sind der FPE und die Messzelle für PTI-Messungen ausgelegt. Daher werden der Zelle ein Gasein- und -auslass sowie ein Kanal für den Anregungslaser hinzugefügt, der senkrecht zum Sondenlaser steht. Alle Öffnungen der Zelle sind entweder über O-Ringe luftdicht gemacht und/oder über UVFS-Fenster abgedeckt, um die Laserausbreitung zu ermöglichen. Bei anderer Verwendung kann die Zelle, wie in Supplementary Coding File 1 angegeben, neu gestaltet und an die spezifische Anwendung angepasst werden. Das Einfädeln in Schritt 1.4 erfolgt nach dem Druck. Die Gewinde könnten auch 3D-gedruckt werden, aber da diese dazu neigen, sich schnell abzunutzen, werden nur Löcher mit dem entsprechenden Kernlochdurchmesser gedruckt, und diese werden anschließend mit einem Gewinde versehen.

Entscheidend ist die Materialwahl für die Abstandshalter in Schritt 2.1. Die Parallelität der Abstandshalter bestimmt die Parallelität der Etalonspiegel und beeinflusst somit die Finesse⁷. In dieser Studie wurde ein 1/2-Zoll-UVFS-Präzisionsfenster verwendet, wie es in der Materialtabelle angegeben ist, mit einer Parallelität von ≤5 Bogensekunden und einer Oberflächenebenheit von λ/10 über der freien Blende. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von UVFS beträgt 0,55 x 10⁻⁶/°C. Die Temperaturstabilität kann z. B. durch die Verwendung von Zerodur 5-Abstandhaltern mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 0,1 x 10⁻⁶/°C weiter erhöht werden. Dies hat jedoch den Nachteil höherer Kosten.

Die FPE besteht aus einem vollreflektierenden Spiegel sowie einem Strahlteiler. Der Strahlteiler hat eine 70% reflektierende Oberfläche, sowie eine entspiegelte Rückseite. Dies ermöglicht die Ein- und Auskopplung des Lichts in und aus dem Etalon. Darüber hinaus weist das Substrat des Strahlteilers eine verkeilte Seite auf, um unerwünschte Etaloneffekte zu vermeiden. Die Rückseite des Spiegels ist aus den gleichen Gründen angeraut.

In Schritt 5.1 wird der optoelektronische Aufbau zur Nachführung des Ausrichtvorgangs beschrieben. Bei allen verwendeten Fasern handelt es sich um Standard-SMF-28-Fasern mit FC/APC-Steckern. Aufgrund der vorgesehenen Anwendung für PTI war in dieser Studie ein symmetrischer Photodetektor leicht verfügbar, was jedoch im Allgemeinen nicht erforderlich ist. Stattdessen kann ein herkömmlicher Photodetektor verwendet werden. In diesem Fall ist die Verwendung eines 1 x 2-Kopplers obsolet. Diese Änderungen wirken sich nicht auf die anderen Komponenten des Setups aus, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die Dreiecksstrommodulation des Sondenlasers, wie in Schritt 5.4 beschrieben, entspricht einem Wellenlängen-Sweep. Es muss ein Strombereich gewählt werden, der ausreicht, um mindestens eine Reflexionsspitze der FPE zu überbrücken. Daher kann ein FSR als Faustregel dienen. Berechnungen für die FSR eines idealen FPE finden Sie im Einleitungsabschnitt. Zusammen mit dem aktuellen Abstimmkoeffizienten (nm/mA) des Lasers, der im jeweiligen Handbuch angegeben ist, kann der Strombereich für einen FSR berechnet werden. Der in dieser Arbeit verwendete Laser hatte beispielsweise einen Stromabstimmkoeffizienten von 0,003 nm/mA und emittierte bei einer Wellenlänge von 1.550 nm. Der zu erwartende FSR eines idealen FPE mit 3 mm Spiegelabstand, d, liegt bei etwa 0,4 nm. Daraus ergibt sich ein Stromabstimmbereich von 133 mA.

In dieser Arbeit wurde die Modulationsfrequenz auf 100 Hz eingestellt, um eine komfortable Anzeige am Oszilloskop zu ermöglichen. Da der gewünschte Stromabstimmbereich recht groß ist, kann ein Dämpfungsglied mit fester Faser verwendet werden, um innerhalb der Leistungsgrenzen des verwendeten Detektors zu bleiben. Das Dämpfungsglied kann direkt hinter dem Isolator montiert werden.

Der in Schritt 6 und 7 verwendete UV-härtende Klebstoff ist laserlichtdurchlässig und hat einen Brechungsindex von 1,56. Der Ausrichtungsprozess, wie in Schritt 7.1 beschrieben, hängt vom verfügbaren Photodetektor ab. Der symmetrische Detektor, der in diesem Aufbau verwendet wird, erzeugt einen “Signal”-Ausgang mit negativer Spannung. Aus Gründen der Allgemeingültigkeit wird für die Beschreibung von Schritt 7.10 und in Figur 6 ein positiver Spannungsausgang angenommen. Bei einem gut ausgerichteten Etalon geht der Reflexionspeak gegen Null, während die Dreiecksfunktion sein Peak-to-Peak-Verhältnis erhöht.

Für die Etalon-Charakterisierung in Schritt 8.1 wird eine numerische Berechnungssoftware verwendet (siehe Materialtabelle). Die gemessene Spannung für jeden Temperaturschritt wird gemittelt und grafisch dargestellt, wie in Abbildung 7 dargestellt. Um die Temperaturstufen in Wellenlängenstufen umzurechnen, wird der Temperaturabstimmungskoeffizient des Sondenlasers verwendet. Signalanalysebibliotheken verfügen über integrierte Algorithmen zur Peak-Findung, die für diesen Zweck verwendet werden können. Da die Datenanalyse stark vom Datenformat abhängt, wird hier kein Code zur Verfügung gestellt, sondern kann auf Anfrage vom korrespondierenden Autor zur Verfügung gestellt werden.

Eine mögliche Einschränkung der hier vorgestellten Fertigungstechnik ist die thermische und mechanische Stabilität in wechselnden Umgebungen. Da es sich bei diesem Lehrpapier um das kostengünstige Prototyping von FPEs für Laboranwendungen handelt, werden hier keine Tests zur mechanischen Stabilität und Temperaturstabilität durchgeführt. Wird das FPE für mobile Anwendungen oder in wechselnden Umgebungen eingesetzt, müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um das Faser-GRIN-Linsensystem gegenüber dem Etalon mechanisch zu stabilisieren.

Eine neue Methode zur Herstellung und Charakterisierung einer FPE wird hier mit optischen Standardkomponenten demonstriert, die in jedem photonischen Labor verfügbar sind. Die vorgestellte FPE hat eine Finesse von ca. 15 und eine Empfindlichkeit, die ausreicht, um ca. 5 ppmV Wasserdampf zu detektieren. Neben der vorgestellten Anwendung für PTI könnte dieses FPE in Anwendungen wie dem Bau optischer Mikrofone 20, die üblicherweise im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung 23 eingesetzt werden, Brechungsindexmessungen²⁴, 25 oder Hygrometer ²⁶ eingesetzt werden, um nur einige zu nennen.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die hier vorgestellten Arbeiten wurden im Rahmen des FFG-geförderten Projekts “Green Sensing” und des NATO-SPS-Programms “Photonische Nanopartikelsensoren zur Detektion von CBRN-Ereignissen” durchgeführt. Die Arbeit wurde auch durch den Open Access Publikationsfonds der TU Graz unterstützt.

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

Riferimenti

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Citazione di questo articolo

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).