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.

Engineering

Fabricage van een goedkope, vezelgekoppelde en lucht-gespreide Fabry-Pérot Etalon

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

Dit protocol beschrijft de constructie van een goedkoop, discreet, vezelgekoppeld en lucht-gespreid Fabry-Perot etalon met verschillende toepassingen, zoals in trace-gas spectroscopie. De fabricage is mogelijk in elke faciliteit met standaard optische laboratoriumapparatuur beschikbaar.

Abstract

Fabry-Pérot etalons (FPE) hebben hun weg gevonden naar vele toepassingen. Op gebieden zoals spectroscopie, telecommunicatie en astronomie worden FPE’s gebruikt vanwege hun hoge gevoeligheid en hun uitzonderlijke filtervermogen. Echter, lucht-gespreide etalons met hoge finesse worden meestal gebouwd door gespecialiseerde faciliteiten. Hun productie vereist een cleanroom, speciale glasbehandeling en coatingmachines, wat betekent dat commercieel verkrijgbare FPE’s voor een hoge prijs worden verkocht. In dit artikel wordt een nieuwe en kosteneffectieve methode gepresenteerd om vezelgekoppelde FPE’s te fabriceren met standaard fotonische laboratoriumapparatuur. Het protocol moet dienen als een stapsgewijze handleiding voor de constructie en karakterisering van deze FPE’s. We hopen dat dit onderzoekers in staat zal stellen om snelle en kosteneffectieve prototyping van FPE’s uit te voeren voor verschillende toepassingsgebieden. De FPE, zoals hier gepresenteerd, wordt gebruikt voor spectroscopische toepassingen. Zoals blijkt uit de sectie representatieve resultaten via proof of principle-metingen van waterdamp in de omgevingslucht, heeft deze FPE een finesse van 15, wat voldoende is voor de fotothermische detectie van sporenconcentraties van gassen.

Introduction

In zijn meest basale vorm bestaat een FPE uit twee vlak-evenwijdige, gedeeltelijk reflecterende spiegeloppervlakken¹. In de volgende uitleg worden bij het verwijzen naar spiegels het optische substraat en de reflecterende coating als één geheel behandeld. In de meeste toepassingen hebben de gebruikte spiegels één ingeklemd oppervlak² om ongewenste etalon-effecten te voorkomen. Figuur 1 illustreert de vorming van het interferentiepatroon van een etalon met luchtafstand (figuur 1A), evenals de reflectiefunctie voor verschillende spiegelreflectiviteiten (figuur 1B).

Het licht komt de holte binnen via één spiegel, ondergaat meerdere reflecties en verlaat de holte door reflectie en transmissie. Aangezien dit artikel zich richt op de fabricage van een FPE die in reflectie wordt uitgevoerd, verwijzen de verdere verklaringen specifiek naar reflectie. De golven die de holte verlaten interfereren, afhankelijk van het faseverschil, q = 4πnd/λ. Hier is n de brekingsindex in de holte, d is de spiegelafstand en λ is de golflengte van de lichtbron van de interferometer, hier de sondelaser genoemd. Een minimale reflectie treedt op wanneer het optische padverschil overeenkomt met het gehele getal veelvoud van de golflengte, . De finesse van een ideaal vlak-parallel etalon wordt bepaald door de spiegelreflectiviteiten R₁ en R₂ slechts³:

Een echt etalon is echter onderhevig aan vele verliezen, die de theoretisch haalbare finesse ^4,5,6 degraderen. Afwijking van het spiegelparallellisme⁷, niet-normale incidentie van de laserstraal, straalvorm⁸, onzuiverheden van het spiegeloppervlak en verstrooiing leiden onder andere tot een vermindering van de finesse. Het karakteristieke interferentiepatroon kan worden beschreven door de Airy-functie¹:

De volledige breedte bij half maximum (FWHM), evenals het vrije spectrale bereik (FSR) van de reflectantiefunctie, kunnen als volgt worden berekend:

Figuur 1: Fabry-Pérot interferometer theorie . (A) Een schematische weergave van de multi-beam interferentie voor een lucht-spaced etalon met wigvormige ramen. Een vlakgolf, E₀, komt de holte binnen onder een bepaalde hoek, φ, door een antireflectie (AR) gecoat oppervlak en ondergaat vervolgens meerdere reflecties tussen de sterk reflecterende (hoge R) oppervlakken op een afstand, d. Bij elke reflectie wordt een deel van het licht ontkoppeld van het etalon, hetzij in transmissie of reflectie, waar het interfereert met de andere golven. (B) De reflectiefunctie van een ideaal Fabry-Pérot etalon voor verschillende spiegelreflectiviteiten (y-as). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

FPE’s zijn te vinden in een breed scala aan toepassingen 9,10,11. In het hier gepresenteerde geval wordt de FPE gebruikt in een fotothermische interferometrie (PTI) -opstelling. In PTI worden kleine dichtheids- en dus brekingsindexveranderingen, geïnduceerd door de periodieke excitatie gevolgd door de snelle thermalisatie van een doelgas via een tweede laser, interferometrisch gemeten¹². De hoeveelheid warmte en dus de grootte van de brekingsindexverandering zijn evenredig met de gasconcentratie. Bij het meten van de intensiteit van de reflectantiefunctie van de FPE op het steilste punt (werkingspunt), verschuiven deze brekingsindexveranderingen de reflectantiefunctie, waardoor de gemeten intensiteit verandert. Aangezien kan worden aangenomen dat de reflectantiefunctie lineair is in het gebied rond het werkingspunt, is het gemeten signaal dan evenredig met de gasconcentratie. De gevoeligheid van de sensor wordt bepaald door de helling van de reflectantiefunctie en is daarom evenredig met de finesse. PTI, in combinatie met FPE’s, heeft bewezen een gevoelige en selectieve methode te zijn om sporenhoeveelheden gassen en aerosolen te detecteren 13,14,15,16,17,18. In het verleden vertrouwden veel sensoren voor druk- en akoestische metingen op het gebruik van beweegbare delen, zoals membranen, ter vervanging van de tweede spiegel van de FPE¹⁹. Doorbuigingen van het membraan leiden tot een verandering in de spiegelafstand en dus de optische padlengte. Deze instrumenten hebben het nadeel dat ze gevoelig zijn voor mechanische trillingen. In de afgelopen jaren heeft de ontwikkeling van optische microfoons met behulp van solide FPE’s een commercieel niveau^{bereikt 20}. Door zich te onthouden van het gebruik van beweegbare delen, veranderde de meting van afstand naar de brekingsindex in de Fabry-Pérot-holte, waardoor de robuustheid van de sensoren aanzienlijk toenam.

In de handel verkrijgbare FPE’s met luchtruimte kosten meer dan wat acceptabel is voor prototyping en testen, evenals integratie van productie-instrumenten met een hoog volume. De meeste wetenschappelijke publicaties die dergelijke FPE’s construeren en gebruiken, bespreken het onderwerp fabricage slechts minimaal^21,22. In de meeste gevallen zijn specifieke apparatuur en machines (bijv. cleanrooms, coatingfaciliteiten, enz.) noodzakelijk; voor volledig vezelgeïntegreerde FPE’s is bijvoorbeeld speciale microbewerkingsapparatuur nodig. Om de productiekosten te verlagen en het testen van meerdere verschillende FPE-configuraties mogelijk te maken om hun geschiktheid voor PTI-opstellingen te verbeteren, werd een nieuwe fabricagemethode ontwikkeld, die in detail wordt beschreven in het volgende protocol. Door alleen commercieel verkrijgbare, standaard bulk-optische en telecom glasvezelcomponenten te gebruiken, konden de productiekosten worden teruggebracht tot minder dan € 400 euro. Elke faciliteit die met standaard fotonische apparatuur werkt, moet in staat zijn om ons fabricageschema te reproduceren en aan te passen aan hun toepassingen.

Protocol

1. Driedimensionaal printen van de meetcel Pas de meetcel, zoals aangegeven in aanvullend coderingsbestand 1, aan uw toepassing aan. Driedimensionaal afdrukken van de cel en de doppen, gegeven in aanvullende coderingsbestanden 1-3, voor het monteren van de bulk-optische materialen.OPMERKING: Voor dit onderzoek is gebruik gemaakt van een SLA 3D-printer (zie Materiaaltabel). Zorg er tijdens het genereren van de afdruktaak voor dat u het aantal ondersteuningsstructuren in de holtes en openingen minimaliseert. Resthars kan de diameter verkleinen en de bulkoptiek kan vast komen te zitten. Reinig na het afdrukken de cel met isopropylalcohol en verwijder alle ondersteunende structuren met een draadsnijder en schuurpapier. Rijg de juiste gaten direct na het afdrukken en voor het uitharden.Schroef de gasinlaat en -uitlaat als M5 om de slangconnector te monteren. Schroef het centrale gat aan de onderkant als M4 voor de namontage van de cel. Rijg de kleinere doorgaande gaten loodrecht in de doorgangsgaten van de kooistang als M3 om de bevestiging van de cel aan het kooisysteem mogelijk te maken (figuur 2). UV-harding van de cel (405 nm) en de doppen bij 60 °C gedurende ten minste 40 minuten met behulp van een in de handel verkrijgbaar UV-uithardingsapparaat (zie materiaaltabel). Figuur 2: Gelabelde CAD-modelweergave van de meetcel. Een doorsnedeweergave wordt hier gegeven voor meer duidelijkheid. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 2. De afstandhouders voorbereiden Knip twee afstandhouders uit één UV-gesmolten silica (UVFS) precisievenster. Knip twee stukken van ongeveer 3 mm breed uit het precisievenster, zoals weergegeven in figuur 3B.OPMERKING: De afstandhouders kunnen worden gesneden met behulp van een conventionele goedkope glassnijder (zie materiaaltabel).LET OP: Draag handschoenen en een beschermende bril tijdens het snijden en hanteren van de bulkoptiek. Schrijf een rechte lijn op het precisievenster met het snijgereedschap en breek het glas vervolgens met een tang. Gebruik altijd een tang met platte oppervlakken en plaats lensreinigingsdoekjes (of iets dergelijks) tussen het metaal en het glas om schade aan het glasoppervlak te voorkomen. Reinig de afstandhouders met een dusterspray om achtergebleven glasresten te verwijderen.OPMERKING: Bovendien kunnen de afstandhouders zorgvuldig worden afgeveegd met lensreinigingsvloeistof en lensreinigingsdoekjes zonder druk uit te oefenen. 3. Montage van het etalon Plaats de 3D-geprinte cel (stap 1) op tafel met de etalonput naar boven gericht. Steek een O-ring (10 mm x 1 mm, zie Tabel met materialen) in de etalon-put en druk deze lichtjes in de daarvoor bestemde groef. Plaats de beamsplitter met het reflecterende oppervlak naar boven gericht in de etalon pit en op de O-ring. Plaats de twee afstandhouders voorzichtig op de beamsplitter met een pincet. Plaats ze op een manier die een duidelijk diafragma genereert voor de gas- en excitatielaser, die de luchtholte binnenkomt via het doorgaande gat dat van de ene kant van de cel naar de andere loopt (figuur 2, nummer 3).OPMERKING: De afstandhouders moeten aan elke kant worden geplaatst om een luchtholte in het midden te verkrijgen, zoals weergegeven in figuur 3B. Pak alleen de afstandhouders op de zijvlakken om krassen op de parallelle oppervlakken te voorkomen. Wanneer de afstandhouders op hun plaats zitten, lijnt u de spiegel erop uit, met de reflecterende kant naar beneden gericht. De beamsplitter, afstandhouders en spiegel moeten nu concentrisch worden uitgelijnd. Neem de 3D-geprinte etalondop en plaats beide O-ringen (10 mm x 1 mm en 14 mm x 2 mm) in de aangewezen groeven. Lijn de dop uit op de rechthoekige groef van de cel en plaats deze op de spiegel.Oefen druk uit op de dop om de afstandhouders op hun plaats te bevestigen. Til de cel op terwijl u altijd druk uitoefent op de dop en steek vier M4-schroeven door de aangewezen gaten vanaf de achterkant. Monteer ze met vier M4-moeren aan de voorkant en draai ze vast totdat de druk van de dop voldoende is om de afstandhouders op hun plaats te houden en de O-ringen voldoende zijn samengedrukt. Controleer of de afstandhouders nog op hun plaats zitten; Dan is de Etalon nu klaar voor verder gebruik. Gebruik de twee extra 3D-geprinte doppen om laservensters aan de zijkant van de meetcel te monteren om de cel gasdicht te maken. Plaats daarom een O-ring (10 mm x 1 mm) in de aangewezen groef op de cel en een andere (10 mm x 1 mm) op de dop. Plaats het raam in de groef en bevestig de raamdop met vier M3-schroeven en moeren, zoals weergegeven in figuur 2, nummer 2). Figuur 3: Weergave van de meetcel en de FPE. (A) Weergave van het assemblageproces van de 3D-geprinte cel en de FPE met de bijbehorende montagedop. (B) Weergave van de bulk-optische componenten in de juiste volgorde. De afstandhouders creëren een lucht-gespreide holte tussen de twee spiegeloppervlakken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 4. Montage van het vezeluitlijningsplatform Monteer de fasen en adapterplaten zoals vermeld in de materiaaltabel. Gebruik figuur 4 als oriëntatie tijdens de bouw. Monteer de eerste eenassige goniometrische trap op een optisch breadboard in de x-richting.OPMERKING: De nomenclatuur van de as is willekeurig gekozen. Het optische breadboardvlak wordt gedefinieerd als een x-y-vlak, waarbij de verticale richting uit het breadboard in een positieve z-richting is gericht. Afhankelijk van de gebruikte trappen, monteer indien nodig een adapterplaat bovenop de goniometrische trap.Monteer een tweeassige x-y micrometer vertaaltrap centraal op de adapterplaat. Monteer een haakse beugel op het vertaalpodium in de y-richting. Monteer een vertaaltrap met één as op de haakse beugel in de z-richting. Monteer met behulp van extra adapterplaten de tweede goniometrische trap in de z-richting op de vertaaltrap. Bevestig een fiber ferrule klem bovenop een paal. Kies de lengte van de paal zodat de vezelferrule zich precies op het rotatiepunt van de tweede verticale goniometrische fase bevindt. De afstand wordt aangegeven in de handleiding van het podium. De buitendiameter van de vezelferrule is 2,8 mm. Als er geen klem voor deze diameter beschikbaar is, gebruik dan een klem van 2,5 mm en verbreed deze met een boor. Monteer de paal met de ferregelklem op de tweede verticale goniometrische trap in een z-positie die overeenkomt met het rotatiepunt van de eerste horizontale goniometrische fase uit stap 4.2.Zorg ervoor dat de ferrule sleeve en GRIN lens een paar millimeter uit de ferrule klem steken in de negatieve z-richting. Kies de verticale positie van de paal zodat de punt van de GRIN-lens zich op het rotatiepunt van de goniometrische fase bevindt. Om het etalon te monteren, neemt u een paal, monteert u er een haakse beugel op en bevestigt u er een standaard SM1-schroefdraad van 30 mm kooiplaat op. Monteer vier kooistangen (>40 mm) op de plaat in de positieve z-richting. Neem vier metalen veren met een binnendiameter die iets groter is dan de diameter van de kooistang en plaats er een op elke kooistang. Schuif de meetcel met geïntegreerde FPE op de staven met de balksplitterzijde naar boven gericht totdat deze op de veren rust.OPMERKING: Zorg ervoor dat de cel vrij in de z-richting kan bewegen. Als de wrijving te hoog is, is extra verbreding van de doorgangsgaten van de cel voor de kooistaven noodzakelijk. Dit kun je het beste doen met een rond bestand. Monteer de paal, via een paalhouder, een bodemplaat en een klemvork, net onder het vezeluitlijningsplatform. Zorg ervoor dat de opening van de cel, waardoor de beamsplitter wordt blootgesteld, ongeveer 10 mm onder de ferrulehouder is gecentreerd (stap 4.5). Figuur 4: Afbeelding van het uitlijningsplatform met de GRIN-lensgekoppelde FPE tijdens het UV-uithardingsproces. De grijs geschreven componenten zijn voor PTI-metingen en zijn niet nodig voor het uitlijningsproces. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 5. Opto-elektronische installatie Monteer de opto-elektronische componenten zoals vermeld in de materiaaltabel en rangschik ze schematisch weergegeven in figuur 5. Monteer de optische vezelcomponenten op een optisch breadboard met behulp van de bijbehorende componenttrays. Monteer de laser op een laserdiodebevestiging. Sluit de laserbron aan op een laserdriver en TEC-controller (thermo-elektrische koeler) met een geïntegreerde modulatiefunctie (driehoeksmodulatie); anders is een extra functiegenerator nodig. Stel de driehoekige stroommodulatieamplitude zo in dat een golflengtebereik wordt afgedekt dat ruim boven de verwachte FWHM van het etalon ligt (berekeningen zijn te vinden in de discussiesectie). Stel de modulatiefrequentie in op ongeveer 100 Hz. Sluit de optische uitgang van de laser aan op de isolatoringang met behulp van L-beugel paringshulzen. Monteer een 15 dB glasvezelverzwakker achter de isolator en sluit deze aan op de ingangspoort van de 1 x 2-koppeling. Sluit de uitgangspoort van de koppeling met 90% optische voeding aan op poort 1 van de optische circulatiepomp. Sluit de uitgangspoort van de koppeling met 10% optisch vermogen aan op de referentiefotodiode van de gebalanceerde detector. Sluit poort 2 van de circulatiepomp aan op het pigtailed ferrule-GRIN lenssysteem. Sluit poort 3 aan op de signaalfotodiode van de detector. Stel de gebalanceerde detector in de modus “Auto-Balanced” in. Sluit de elektrische “Signaal” uitgang van de detector aan op één kanaal van de oscilloscoop met een BNC-kabel. Figuur 5: Schema van de opto-elektronische opstelling voor de uitlijningsprocedure. De rode lijnen vertegenwoordigen optische vezels, de zwarte lijnen zijn elektronische kabels en de blauwe straal is de sondelaser. Hier wordt een gebalanceerde detector gebruikt, maar deze kan worden vervangen door een conventionele fotodetector. Daarom kan de 1 x 2 koppeling worden weggelaten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 6. Fiber-GRIN lens uitlijning Monteer de ferruleklem op een paal en bevestig deze via een paalhouder op een optisch breadboard. Bevestig de vezel ferrule sleeve in een ferrule klem. Zoals vermeld in stap 4.6, verbreedt u de ferruleklem indien nodig met een boor. Vul een pipet met UV-uithardende lijm (zie Materiaaltabel).LET OP: Draag handschoenen en een bril tijdens het hanteren van de bulkoptiek en de UV-uithardende lijm. Neem de pigtailed fiber ferrule en voeg een druppel lijm toe aan het zijoppervlak van de ferrule. Houd het vooroppervlak van de ferrule schoon. Steek de ferrule in de ferrule sleeve. Zorg ervoor dat u de ferrule diep genoeg plaatst, zodat de voorkant van de GRIN-lens zich ten minste 1-2 mm buiten de ferrulehuls bevindt. Breng een zeer snelle vooruitharding aan met een UV-lamp (~ 10 s). Laat het licht alleen schijnen vanaf de achterkant (vezeluiteinde van de ferrule) om de ferrule aan de mouw te bevestigen zonder lijm aan de voorkant van de ferrule te verharden. Neem de GRIN-lens en zoek de ingeklemde kant. Dit kan met een microscoop of door er simpelweg aan te draaien. Daardoor wordt de 8° ingeklemde zijde zichtbaar. Breng een druppellijm aan op het ingeklemde uiteinde van de GRIN-lens en steek deze in de ferrule-huls.OPMERKING: Door lichte druk uit te oefenen, verlaat de lucht de holte tussen de ferrule en de GRIN-lens. Er mogen geen luchtbellen tussen de twee oppervlakken zitten. Als die er zijn, kan licht draaien helpen; Verwijder anders de GRIN-lens en herhaal stap 6.8. Draai de GRIN-lens voorzichtig totdat de twee schuine oppervlakken evenwijdig zijn. Monteer een beam analyzer ongeveer 150 mm voor de GRIN lens. Als er geen beam analyzer beschikbaar is, kan een vermogensmeter met een gaatje aan de voorkant worden gebruikt. Verbind de pigtailed ferrule met een laser met de juiste golflengte. Zet de laser aan.LET OP: Er moeten laserveiligheidsmaatregelen worden genomen. Beweeg met een pincet de GRIN-lens iets uit de ferrule-huls om de afstand tussen de ferrule en de GRIN-lens te wijzigen. Deze afstand is cruciaal voor het instellen van de brandpuntsafstand van het systeem. Controleer tijdens het verplaatsen van de GRIN-lens voortdurend de vorm van de bundel (of het optische vermogen).OPMERKING: Een korte vooruitharding (~ 10 s) kan helpen als het uitlijningsproces te onstabiel is. Wanneer het systeem optimaal is gericht, past u de uiteindelijke uitharding toe door het gedurende ongeveer 10 minuten bloot te stellen aan UV-licht. Verwijder na uitharding de ferrulehuls van de klem; Op dit punt is het klaar voor verder gebruik. 7. Fiber-etalon uitlijning Neem de pigtailed ferrule en het GRIN lenssysteem uit stap 5 en monteer deze met de ferrule klem uit stap 4.5. Zorg ervoor dat de vertaaltrap in de z-richting naar de maximale hoogte wordt verplaatst en dat alle andere fasen zich in neutrale (gecentreerde) posities bevinden. Lijn de cel eronder uit. Zorg ervoor dat de GRIN-lens direct naar het midden van de opening wijst. Bevestig de positie van de cel op een hoogte iets onder de GRIN-lens (ongeveer 5 mm). Breng met de pipet een of twee druppels lijm aan op de voorkant van de GRIN-lens. Laat de translatietrap in de z-richting zakken totdat contact met het met antireflectie gecoate oppervlak van de beamsplitter is verzekerd. Blijf de GRIN-lens laten zakken totdat er voldoende druk wordt uitgeoefend en de veren voldoende onder spanning staan.OPMERKING: Dit zorgt ervoor dat het contact tussen de GRIN-lens en de bundelsplitser behouden blijft tijdens het kantelproces van de uitlijning. De benodigde hoeveelheid druk is afhankelijk van de instelling en kan tijdens de uitlijning worden aangepast als er geen redelijke reflectiefunctie kan worden waargenomen. De ervaring leert dat meer druk meestal helpt bij het uitlijningsproces. Schakel zowel de gemoduleerde laser als de oscilloscoop in. Zorg ervoor dat de oscilloscoop de hoogst mogelijke resolutie heeft bij het starten van het uitlijningsproces. Stel de tijdresolutie zo in dat twee tot drie perioden van de modulatie zichtbaar zijn. Start het uitlijningsproces door ervoor te zorgen dat de GRIN-lens normaal op het oppervlak van de bundelsplitter wijst. Dit kan worden gedaan door visuele inspectie en het draaien van de goniometrische stadia dienovereenkomstig. Dit is nu de nulpositie. Stap voor stap buigt u een goniometrische fase iets af en beweegt u vervolgens de andere goniometrische fase rond de nulpositie.Als er geen verandering kan worden waargenomen op de oscilloscoop, buig dan de eerste goniometrische trap iets meer af en herhaal dit iteratieve proces totdat de driehoeksmodulatie zichtbaar wordt op de oscilloscoop. Als u een hysterese van het signaal waarneemt na bewegingen van de fasen, controleer dan of alle componenten goed zijn bevestigd.OPMERKING: Een toename van de druk veroorzaakt door het verplaatsen van de z-trap naar beneden kan ook helpen. Als het waargenomen signaal niet zo sterk is als verwacht, kan de terugreflectie afkomstig zijn van een van de oppervlakken van de etalon of een van de perifere pieken van de reflectiefunctie. Als vuistregel geldt dat met een 70% beamsplitter en een volledig reflecterende spiegel de waargenomen piekreflecties in de orde van grootte van 25% van het optische vermogen in de etalon liggen. Zodra een sterke terugreflectie is waargenomen, past u de resolutie van de oscilloscoop aan en zorgt u ervoor dat de piek van de reflectiefunctie van de etalon centraal staat op de driehoekige modulatiehellingen (figuur 6). Stem de piek van de etalon af door de temperatuur van de laser te veranderen totdat de piek op de helling is gecentreerd. Probeer de pieksterkte (minimale spanning) te maximaliseren en tegelijkertijd de piek-piekverhouding van de driehoeksmodulatie te maximaliseren door lichte bewegingen van de goniometrische trappen. Wanneer het uitlijningsproces is voltooid, monteert u de UV-lamp dicht bij de GRIN-lens. Gebruik een zelfcentrerende lensvatting onder een hoek van 45°. Voer het uitharden stapsgewijs uit. Genees eerst de lijm uit die al in stap 7.4 is aangebracht. Blijf de reflectiefunctie op de oscilloscoop in de gaten houden. Als de uitharding leidt tot een degradatie van de uitlijning als gevolg van krimp van de lijm, pas dan de goniometrische stadia enigszins aan. Schakel na 5-10 minuten de UV-lamp uit en breng meer lijm aan rond de GRIN-lens zonder deze aan te raken. Stel de lijm nog eens 5-10 minuten bloot aan UV-licht. Herhaal deze stap totdat de opening van de cel volledig is gevuld met een homogene laag lijm. Voer de laatste uitharding uit gedurende meer dan 1 uur. Om een goede aansluiting van de gelijmde componenten te garanderen, laat u de hele opstelling 1 week rusten of tempert u de lijmverbinding gedurende 1 uur gedurende 1 uur, indien mogelijk. Nu kan de ferrulehuls uit de klem worden verwijderd. Beweeg daarom de vertaalfase in een positieve z-richting totdat de veren volledig ontspannen zijn. Vermijd stress op het ferrule-GRIN lenssysteem; Open de klem en verwijder deze. Nu is de etalon klaar en klaar voor verder gebruik. Figuur 6: Voorbeeldig, generiek oscilloscoopsignaal. In groen wordt een goede uitlijning weergegeven en in geel wordt een slechtere weergegeven. Hoe beter de uitlijning, hoe hoger de piek-piekverhouding van de driehoeksmodulatie en hoe meer de reflectiepiek (vallei) richting nul gaat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 8. Etalon karakterisering Gebruik voor de evaluatie van het geproduceerde etalon dezelfde glasvezelopstelling als beschreven in stap 5. Gebruik een meetsysteem dat in staat is om de temperatuur van de laser stapsgewijs af te stemmen en met een voldoende dataloggingsnelheid.OPMERKING: Hier wordt een FPGA-gebaseerd systeem gebruikt (zie Materiaaltabel). Bereken de theoretische FSR. Afhankelijk van de gebruikte laser (zie temperatuurafstemmingscoëfficiënt), voert u een temperatuurveeg uit die overeenkomt met ten minste twee FSR’s. Verhoog de temperatuur stapsgewijs (stappen van ~ 0,005 ° C) en laat de TEC 2-3 s bezinken voordat u elke keer nog eens 2-3 s meet. Verwerk de gegevens met een numeriek berekeningsprogramma. Gebruik elke signaalverwerkingsbibliotheek met een geïntegreerde piekzoeker. De afstand tussen twee opeenvolgende pieken vertegenwoordigt de FSR. Bereken de FWHM door de breedte van de piek op halve hoogte te evalueren.OPMERKING: Aangezien de berekening van FSR en FWHM sterk afhankelijk is van het gegevensformaat, wordt hier geen code gegeven, maar deze kan op verzoek door de auteur beschikbaar worden gesteld. Zet de temperatuur om in golflengte met behulp van de temperatuurafstemmingscoëfficiënt van de laser. Bereken zowel de FSR als de FWHM uit de metingen (figuur 7). Bereken de finesse van de gefabriceerde FPE met de volgende formule:.

Representative Results

Zoals te zien is in figuur 7, zou een FPE met een goed gedefinieerde reflectiefunctie kunnen worden vervaardigd. Figuur 7: Gemeten reflectiefunctie van de afgewerkte FPE. Een temperatuurveeg, overeenkomend met een golflengteveeg van de laser, werd uitgevoerd om de reflectiefunctie van de FPE te meten. Dit wordt gebruikt om metrieken te evalueren zoals de volledige breedte op half maximum (FWHM) en het vrije spectrale bereik (FSR) van het gefabriceerde apparaat. Relatieve reflectie verwijst naar het relatieve deel van het licht dat wordt teruggekaatst in de vezel na het passeren van de FPE. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. De gemeten metrieken van de FPE zijn opgenomen in tabel 1 en vergeleken met de berekende waarden van een ideaal etalon met dezelfde specificaties. De formules voor een ideale FPE zijn te vinden in de introductiesectie. Afgemeten Ideale FPE Finesse 12.8 17.1 FWHM 0,0268 NM 0,0234 nm FSR 0,3441 nm 0,4004 nm Gevoeligheid 14 1/NM 21 1/NM Tabel 1: Vergelijking van de gemeten en berekende metrieken van de gefabriceerde FPE-etalon. Om de geschiktheid voor een aangewezen toepassing te valideren, wordt de FPE gebruikt voor PTI-metingen van waterdamp in de omgevingslucht. Daarom wordt een excitatielaser met een golflengte van 1.364 nm loodrecht op de sondelaser de cel in geleid. Beide lasers kruisen elkaar in de FPE. De excitatielaser wordt sinusvormig gemoduleerd met een frequentie van 125 Hz. Door de sondelaser te stabiliseren op de steilste helling van de FPE, via constante stroom, wordt de hoogste gevoeligheid van de sensor bereikt. Voor waterdampmetingen wordt de cel bediend met open ramen en blootgesteld aan omgevingslucht met een concentratie van 13.762 ppmV, zoals gemeten door een referentieapparaat (temperatuur = 21,4 °C, druk = 979,9 hPa, relatieve vochtigheid = 52,2%). Het signaal wordt geëxtraheerd door middel van een snelle Fouriertransformatie (FFT) en vergeleken met het achtergrondsignaal met de excitatielaser uitgeschakeld, zoals weergegeven in figuur 8. Er kan een signaal-ruisverhouding van meer dan 7.000 worden verkregen, wat overeenkomt met een detectiegrens van ongeveer 5 ppmV (3σ). Figuur 8: PTI-metingen van waterdamp in de omgevingslucht. In zwart wordt het FFT-signaal van een meting met 125 Hz laserexcitatie getoond. In blauw wordt het achtergrondsignaal zonder excitatie weergegeven. De inzet toont de gemeten piek bij 125 Hz in meer detail. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Aanvullend coderingsbestand 1: Measurement_cell. SLDPRT. CAD-bestand voor de meetcel. De cel kan worden aangepast aan de vereisten van de specifieke toepassing en vervolgens 3D-geprint. Klik hier om dit bestand te downloaden. Aanvullend coderingsbestand 2: cap_etalon. SLDPRT. CAD-bestand voor het bevestigen van het etalon in de meetcel. Klik hier om dit bestand te downloaden. Aanvullend coderingsbestand 3: cap_window. SLDPRT. CAD-bestand voor het bevestigen van de laservensters op de meetcel. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

Aangezien de FPE die is vervaardigd volgens het hier gegeven protocol is geoptimaliseerd voor een specifieke toepassing, worden mogelijke aanpassingen en kritieke stappen in dit hoofdstuk uitgelegd. Allereerst zijn de FPE en de meetcel ontworpen voor PTI-metingen. Daarom worden een gasinlaat en -uitlaat, evenals een kanaal voor de excitatielaser, die loodrecht op de sondelaser staat, aan de cel toegevoegd. Alle openingen van de cel worden luchtdicht gemaakt via O-ringen en/of afgedekt via UVFS-vensters om laservoortplanting mogelijk te maken. Bij verschillend gebruik kan de cel, zoals aangegeven in aanvullend coderingsbestand 1, opnieuw worden ontworpen en aangepast aan de specifieke toepassing. De threading in stap 1.4 wordt gedaan na het afdrukken. De draden kunnen ook 3D-geprint worden, maar omdat deze de neiging hebben om snel te slijten, worden alleen gaten met de juiste kerngatdiameter geprint en deze worden daarna geregen.

De materiaalkeuze voor de afstandhouders in stap 2.1 is cruciaal. Het parallellisme van de afstandhouders bepaalt het parallellisme van de etalonspiegels en beïnvloedt daarmee de finesse⁷. In dit onderzoek werd een 1/2 inch UVFS-precisievenster gebruikt, zoals voorzien in de materiaaltabel, met een parallellisme van ≤5 boogseconden en een vlakheid van het oppervlak λ/10 over het heldere diafragma. De thermische uitzettingscoëfficiënt van UVFS is 0,55 x 10^−6/°C. De temperatuurstabiliteit kan verder worden verhoogd door bijvoorbeeld Zerodur 5-afstandhouders te gebruiken, met een thermische uitzettingscoëfficiënt lager dan 0,1 x 10^−6/°C; Dit heeft echter als nadeel hogere kosten.

De FPE wordt gevormd door één volledig reflecterende spiegel en een beamsplitter. De beamsplitter heeft één 70% reflecterend oppervlak, evenals een anti-reflecterende gecoate achterkant. Dit maakt de koppeling van het licht in en uit het etalon mogelijk. Bovendien heeft het substraat van de beamsplitter één ingeklemde zijde om ongewenste etalon-effecten te voorkomen. De achterkant van de spiegel is om dezelfde redenen opgeruwd.

In stap 5.1 wordt de opto-elektronische instelling voor het volgen van het uitlijningsproces beschreven. Alle gebruikte vezels zijn standaard SMF-28-vezels met FC / APC-connectoren. Vanwege de aangewezen toepassing voor PTI was een gebalanceerde fotodetector direct beschikbaar in deze studie, maar dit is in het algemeen niet nodig. In plaats daarvan kan een conventionele fotodetector worden gebruikt; In dit geval is het gebruik van een 1 x 2-koppeling verouderd. Deze wijzigingen hebben geen invloed op de andere componenten van de installatie, zoals weergegeven in figuur 5. De driehoekige stroommodulatie van de sondelaser, zoals beschreven in stap 5.4, komt overeen met een golflengteveeg. Er moet een stroombereik worden gekozen dat voldoende is om ten minste één reflectiepiek van de FPE te overschrijden. Daarom kan één FSR als vuistregel dienen. Berekeningen voor de FSR van een ideale FPE zijn te vinden in de introductiesectie. Samen met de huidige afstemcoëfficiënt (nm/mA) van de laser, die in de betreffende handleiding wordt gegeven, kan het stroombereik voor één FSR worden berekend. De laser die in dit werk werd gebruikt, had bijvoorbeeld een stroomafstemcoëfficiënt van 0,003 nm / mA en werd uitgezonden bij een golflengte van 1.550 nm. De verwachte FSR van een ideale FPE met 3 mm spiegelafstand, d, is ongeveer 0,4 nm. Dit geeft een huidig afstembereik van 133 mA.

In dit werk werd de modulatiefrequentie ingesteld op 100 Hz voor een gemakkelijke weergave op de oscilloscoop. Omdat het gewenste stroomafstembereik vrij groot is, kan een verzwakker met vaste vezel worden gebruikt om binnen de vermogenslimieten van de gebruikte detector te blijven. De verzwakker kan direct na de isolator worden gemonteerd.

De UV-uithardende lijm die in stap 6 en stap 7 wordt gebruikt, is transparant voor laserlicht en heeft een brekingsindex van 1,56. Het uitlijningsproces, zoals beschreven in stap 7.1, is afhankelijk van de beschikbare fotodetector. De gebalanceerde detector die in deze opstelling wordt gebruikt, genereert een negatieve spanning “Signaal” -uitgang. Om redenen van algemeenheid wordt voor de beschrijving van stap 7.10 en in figuur 6 uitgegaan van een positieve spanningsuitgang. Voor een goed uitgelijnde etalon zal de reflectiepiek richting nul gaan, terwijl de driehoeksfunctie de piek-piekverhouding zal verhogen.

Voor de etalon karakterisering in stap 8.1 wordt numerieke rekensoftware gebruikt (zie Materiaaltabel). De gemeten spanning voor elke temperatuurstap wordt gemiddeld en uitgezet, zoals weergegeven in figuur 7. Om de temperatuurstappen om te zetten in golflengtestappen, wordt de temperatuurafstemmingscoëfficiënt van de sondelaser gebruikt. Signaalanalysebibliotheken hebben geïntegreerde algoritmen voor het vinden van pieken, die voor dat doel kunnen worden gebruikt. Omdat de gegevensanalyse sterk afhankelijk is van het gegevensformaat, wordt hier geen code verstrekt, maar deze kan op verzoek door de corresponderende auteur beschikbaar worden gesteld.

Een mogelijke beperking van de hier gepresenteerde fabricagetechniek is de thermische en mechanische stabiliteit in veranderende omgevingen. Aangezien de reikwijdte van dit instructiedocument de goedkope prototyping van FPE’s voor laboratoriumtoepassingen is, worden hier geen tests met betrekking tot mechanische en temperatuurstabiliteit gegeven. Als de FPE wordt gebruikt voor mobiele toepassingen of in veranderende omgevingen, moeten aanvullende maatregelen worden genomen om het fiber-GRIN-lenssysteem mechanisch te stabiliseren ten opzichte van het etalon.

Een nieuwe methode om een FPE te fabriceren en te karakteriseren wordt hier gedemonstreerd met standaard optische componenten die beschikbaar zijn in elk fotonisch laboratorium. De gepresenteerde FPE heeft een finesse van ongeveer 15 en een gevoeligheid die voldoende is om ongeveer 5 ppmV waterdamp te detecteren. Naast de gepresenteerde toepassing voor PTI, kan deze FPE worden gebruikt in toepassingen zoals het bouwen van optische microfoons 20, die vaak worden toegepast op het gebied van niet-destructief onderzoek 23, brekingsindexmetingen 24,25 of hygrometers ²⁶^, om er maar een paar te noemen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Het hier gepresenteerde werk werd uitgevoerd in het kader van het door de FFG gefinancierde project “Green Sensing” en het NAVO SPS-programma “Photonic Nano Particle Sensors for Detecting CBRN events”. Het werk werd ook ondersteund door het TU Graz Open Access Publishing Fund.

Materials

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

References

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

Cite This 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).

Automatically Generated