פרוטוקול זה מתאר בנייה של אטלון פברי-פרו בעלות נמוכה, בדיד, מצומד סיבים ומרווח אוויר, עם יישומים שונים, כגון בספקטרוסקופיית גז עקבות. הייצור אפשרי בכל מתקן עם ציוד מעבדה אופטי סטנדרטי זמין.
Fabry-Pérot etalons (FPE) מצאו את דרכם ליישומים רבים. בתחומים כגון ספקטרוסקופיה, טלקומוניקציה ואסטרונומיה, FPEs משמשים בשל רגישותם הגבוהה כמו גם יכולת הסינון יוצאת הדופן שלהם. עם זאת, אטלונים מרווחים באוויר עם עדינות גבוהה נבנים בדרך כלל על ידי מתקנים מיוחדים. הייצור שלהם דורש חדר נקי, טיפול מיוחד בזכוכית ומכונות ציפוי, כלומר FPE זמין מסחרית נמכרים במחיר גבוה. במאמר זה מוצגת שיטה חדשה וחסכונית לייצור FPEs מצומדים לסיבים עם ציוד מעבדה פוטוני סטנדרטי. הפרוטוקול צריך לשמש כמדריך שלב אחר שלב לבנייה ואפיון של FPEs אלה. אנו מקווים שזה יאפשר לחוקרים לבצע אב טיפוס מהיר וחסכוני של FPEs עבור תחומי יישום שונים. ה- FPE, כפי שמוצג כאן, משמש ליישומים ספקטרוסקופיים. כפי שמוצג בסעיף התוצאות המייצגות באמצעות הוכחת מדידות עקרוניות של אדי מים באוויר הסביבה, FPE זה יש עדינות של 15, אשר מספיק לזיהוי פוטותרמי של ריכוזי עקבות של גזים.
בצורתו הבסיסית ביותר, FPE מורכב משני מישורים מקבילים המשקפים חלקית משטחי מראה1. בהסברים הבאים, כאשר מתייחסים למראות, מתייחסים למצע האופטי ולציפוי הרפלקטיבי כאחד. ברוב היישומים, המראות המשמשות כוללות משטח טריז אחד2 כדי למנוע השפעות אטלון לא רצויות. איור 1 מדגים את היווצרות תבנית ההתאבכות של אטלון מרווח אוויר (איור 1A), כמו גם את פונקציית ההחזרה עבור החזרי מראה שונים (איור 1B).
האור נכנס לחלל דרך מראה אחת, עובר השתקפויות מרובות, ויוצא מהחלל על ידי השתקפות כמו גם שידור. מכיוון שמאמר זה מתמקד בייצור של FPE המופעל בהשתקפות, ההסברים הנוספים מתייחסים באופן ספציפי להרפלקציה. הגלים העוזבים את החלל מפריעים, בהתאם להפרש הפאזה, q = 4πnd/λ. כאן, n הוא מקדם השבירה בתוך החלל, d הוא מרווח המראה, ו-λ הוא אורך הגל של מקור האור של האינטרפרומטר, הנקרא כאן לייזר הגשושית. השתקפות מינימלית מתרחשת כאשר הפרש הנתיב האופטי תואם לכפולה השלמה של אורך הגל, . העדינות של אטלון מקבילי-מישורי אידיאלי נקבעת על ידי החזרות המראה R1 ו-R2 רק3:
עם זאת, אטלון אמיתי נתון להפסדים רבים, אשר משפילים את העדינות התיאורטית הניתנת להשגה 4,5,6. סטייה של תקבולת המראה7, שכיחות לא נורמלית של קרן הלייזר, צורת קרן8, זיהומים בפני המראה, פיזור, בין היתר, מובילים להפחתת העדינות. ניתן לתאר את דפוס ההפרעה האופייני על ידי הפונקציה אוורירי1:
ניתן לחשב את הרוחב המלא בחצי מקסימום (FWHM), כמו גם את הטווח הספקטרלי החופשי (FSR) של פונקציית ההחזרה, באופן הבא:
איור 1: תיאוריית האינטרפרומטר פברי-פרו . (A) תיאור סכמטי של התאבכות רב-אלומה עבור אטלון מרווח אוויר עם חלונות תקועים. גל מישורי, E0, נכנס לחלל בזווית מסוימת, φ, דרך משטח מצופה נגד השתקפות (AR) ולאחר מכן עובר השתקפויות מרובות בין המשטחים בעלי ההשתקפות הגבוהה (R גבוה) במרווחים מרוחקים, d. עם כל השתקפות, חלק מהאור נמצא מחוץ לאטלון או בשידור או בהחזרה, שם הוא מפריע לגלים האחרים. (B) פונקציית ההחזרה של אטלון פברי-פרו אידיאלי עבור החזרי מראה שונים (ציר y). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
ניתן למצוא FPEs במגוון רחב של יישומים 9,10,11. במקרה המוצג כאן, FPE משמש בהגדרת אינטרפרומטריה פוטותרמית (PTI). ב-PTI, צפיפות קטנה, ומכאן שינויים במקדם השבירה, הנגרמים על ידי עירור תקופתי ואחריו תרמיזציה מהירה של גז מטרה באמצעות לייזר שני, נמדדים באופן אינטרפרומטרי12. כמות החום, ולכן גודל השינוי במדד השבירה פרופורציונליים לריכוז הגז. בעת מדידת עוצמת פונקציית ההחזרה של FPE בנקודה התלולה ביותר שלה (נקודת פעולה), שינויים אלה במקדם השבירה מזיזים את פונקציית ההחזרה, ובכך משנים את העוצמה הנמדדת. מכיוון שניתן להניח שפונקציית ההחזרה היא ליניארית באזור סביב נקודת הפעולה, האות הנמדד הוא אז פרופורציונלי לריכוז הגז. רגישות החיישן נקבעת על ידי שיפוע פונקציית ההחזרה ולכן היא פרופורציונלית לעדינות. PTI, בשילוב עם FPEs, הוכח כשיטה רגישה וסלקטיבית לזיהוי כמויות זעירות של גזים ואירוסולים 13,14,15,16,17,18. בעבר, חיישנים רבים למדידות לחץ ואקוסטיקה הסתמכו על שימוש בחלקים נעים, כמו ממברנות, שהחליפו את המראה השנייה של FPE19. סטיות של הממברנה מובילות לשינוי במרחק המראה ובכך באורך הנתיב האופטי. מכשירים אלה יש את החיסרון של להיות נוטה תנודות מכניות. בשנים האחרונות, הפיתוח של מיקרופונים אופטיים באמצעות FPE מוצק הגיע לרמה מסחרית20. על ידי הימנעות משימוש בחלקים נעים, המדידה השתנתה ממרחק למקדם השבירה בתוך חלל פברי-פרו, ובכך הגדילה את הקשיחות של החיישנים באופן משמעותי.
FPEs זמינים באוויר זמינים מסחרית עולים מעבר למה שמקובל לאב טיפוס ולבדיקה, כמו גם שילוב מכשירי ייצור בנפח גבוה. רוב הפרסומים המדעיים הבונים ומשתמשים ב- FPE כאלה דנים בנושא הייצור רק באופן מינימלי21,22. ברוב המקרים, ציוד ומכונות ספציפיים (למשל, חדרים נקיים, מתקני ציפוי וכו ‘) נחוצים; לדוגמה, עבור FPE משולב סיבים מלאים, ציוד micromachining מיוחד הוא הכרחי. כדי להפחית את עלויות הייצור ולאפשר בדיקה של תצורות FPE שונות מרובות כדי לשפר את התאמתן להגדרות PTI, פותחה שיטת ייצור חדשה, המתוארת בפירוט בפרוטוקול הבא. על ידי שימוש רק ברכיבים אופטיים סטנדרטיים בתפזורת ובסיבים אופטיים של טלקום, ניתן להפחית את עלויות הייצור לפחות מ-400 אירו. כל מתקן שעובד עם ציוד פוטוני סטנדרטי אמור להיות מסוגל לשחזר את תוכנית הייצור שלנו ולהתאים אותה ליישומים שלהם.
מכיוון שה- FPE שנוצר בעקבות הפרוטוקול שניתן כאן מותאם ליישום ספציפי, התאמות אפשריות וצעדים קריטיים מוסברים בפרק זה. קודם כל, ה- FPE ותא המדידה מיועדים למדידות PTI. לכן, כניסת גז ויציאה, כמו גם ערוץ לייזר עירור, אשר בניצב לייזר בדיקה, מתווספים לתא. כל פתחי התא אטומים לאוויר באמצעות אורינגים ו/או מכוסים באמצעות חלונות UVFS כדי לאפשר התפשטות לייזר. אם נעשה שימוש שונה, התא, כפי שניתן בקובץ קידוד משלים 1, יכול להיות מעוצב מחדש ומותאם ליישום הספציפי. השחלה בשלב 1.4 מתבצעת לאחר ההדפסה. החוטים יכולים גם להיות מודפסים בתלת-ממד, אך מכיוון שאלה נוטים להישחק מהר, מודפסים רק חורים בקוטר חור הליבה המתאים, ואלה מושחלים לאחר מכן.
בחירת החומר עבור הספייסרים בשלב 2.1 היא קריטית. ההקבלה של הספייסרים קובעת את ההקבלה של מראות האטלון, ולכן משפיעה על העדינות7. במחקר זה נעשה שימוש בחלון UVFS מדויק בגודל 1/2 אינץ’, כפי שמופיע בטבלת החומרים, עם הקבלה של ≤5 קשתות ושטוחות פני השטח של λ/10 מעל הצמצם השקוף. מקדם ההתפשטות התרמית של UVFS הוא 0.55 x 10−6/°C. ניתן להגדיל עוד יותר את יציבות הטמפרטורה על ידי שימוש, למשל, בספייסרים של Zerodur5 , עם מקדם התפשטות תרמית נמוך מ- 0.1 x 10−6/°C; עם זאת, זה יש את החיסרון של עלויות גבוהות יותר.
ה- FPE נוצר על ידי מראה אחת המשקפת במלואה, כמו גם מפצל קרן. למפצל הקורות משטח אחד מחזיר 70%, כמו גם צד אחורי מצופה אנטי רפלקטיבי. זה מאפשר צימוד של האור פנימה והחוצה אטלון. בנוסף, המצע של מפצל האלומות כולל צד טריז אחד כדי למנוע השפעות אטלון לא רצויות. הצד האחורי של המראה מחוספס מאותן סיבות.
בשלב 5.1, מתוארת ההגדרה האופטואלקטרונית למעקב אחר תהליך היישור. כל הסיבים המשמשים הם סיבי SMF-28 סטנדרטיים עם מחברי FC/APC. בשל היישום הייעודי עבור PTI, פוטו-גלאי מאוזן היה זמין במחקר זה, אך זה לא הכרחי באופן כללי. ניתן להשתמש במקום זאת בגלאי אור קונבנציונלי; במקרה זה, באמצעות מצמד 1 x 2 הוא מיושן. שינויים אלה אינם משפיעים על שאר רכיבי המערך, כפי שמוצג באיור 5. אפנון הזרם המשולש של לייזר הגשושית, כמתואר בשלב 5.4, מתאים לטאטוא אורך גל. יש לבחור טווח נוכחי מספיק כדי לטאטא לפחות שיא החזרה אחד של ה- FPE. לכן, FSR אחד יכול לשמש כלל אצבע. חישובים עבור FSR של FPE אידיאלי ניתן למצוא בסעיף מבוא. יחד עם מקדם הכוונון הנוכחי (nm/mA) של הלייזר, הנתון במדריך המתאים, ניתן לחשב את הטווח הנוכחי המכסה FSR אחד. לדוגמה, הלייזר ששימש בעבודה זו היה בעל מקדם כוונון זרם של 0.003 ננומטר/mA ונפלט באורך גל של 1,550 ננומטר. ה-FSR הצפוי של FPE אידיאלי עם מרווח מראה של 3 מ”מ, d, הוא כ-0.4 ננומטר. זה נותן טווח כוונון נוכחי של 133 mA.
בעבודה זו, תדר האפנון הוגדר ל -100 הרץ לתצוגה נוחה באוסילוסקופ. מכיוון שטווח כוונון הזרם הרצוי גדול למדי, ניתן להשתמש במנחת סיבים קבועים כדי להישאר במגבלות הכוח של הגלאי המשומש. ניתן להתקין את המנחת ישירות לאחר המבודד.
דבק ריפוי UV המשמש בשלב 6 ושלב 7 שקוף לאור לייזר ויש לו מקדם שבירה של 1.56. תהליך היישור, כמתואר בשלב 7.1, תלוי בגלאי האור הזמין. הגלאי המאוזן המשמש במערך זה מייצר פלט “אות” מתח שלילי. מטעמי הכללה, מניחים יציאת מתח חיובי לתיאור שלב 7.10 ובאיור 6. עבור אטלון מיושר היטב, שיא ההחזרה ילך לכיוון האפס, בעוד הפונקציה המשולשת תגדיל את יחס השיא לשיא שלה.
לצורך אפיון אטלון בשלב 8.1 נעשה שימוש בתוכנת חישוב מספרי (ראה טבלת חומרים). המתח הנמדד עבור כל שלב טמפרטורה הוא ממוצע ומשורטט, כפי שניתן לראות באיור 7. כדי להמיר את מדרגות הטמפרטורה לשלבי אורך גל, נעשה שימוש במקדם כוונון הטמפרטורה של לייזר הבדיקה. ספריות ניתוח אותות שילבו אלגוריתמים למציאת שיא, שניתן להשתמש בהם למטרה זו. מכיוון שניתוח הנתונים תלוי מאוד בפורמט הנתונים, לא מסופק כאן קוד, אך הוא יכול להיות זמין על ידי המחבר המתאים על פי בקשה.
מגבלה אפשרית של טכניקת הייצור המוצגת כאן היא היציבות התרמית והמכנית בסביבות משתנות. מכיוון שהיקף נייר הדרכה זה הוא אב טיפוס בעלות נמוכה של FPEs ליישומי מעבדה, לא ניתנות כאן בדיקות הנוגעות ליציבות מכנית וטמפרטורה. אם ה-FPE משמש ליישומים ניידים או בסביבות משתנות, יש לנקוט באמצעים נוספים על מנת לייצב באופן מכני את מערכת עדשות ה-fiber-GRIN ביחס לאטלון.
שיטה חדשה לייצור ואפיון FPE מודגמת כאן עם רכיבים אופטיים סטנדרטיים הזמינים בכל מעבדה פוטונית. FPE המוצג יש עדינות של כ 15 רגישות מספיק לגילוי כ 5 ppmV של אדי מים. מלבד היישום המוצג עבור PTI, FPE זה יכול לשמש ביישומים כגון בניית מיקרופונים אופטיים 20, אשר מיושמים בדרך כלל בתחום של בדיקות אל-הרס 23, מדידות אינדקס שבירה 24,25, או היגרומטרים 26, רק כדי שם כמה.
The authors have nothing to disclose.
העבודה המוצגת כאן נערכה במסגרת הפרויקט “חישה ירוקה” במימון FFG ותוכנית נאט”ו SPS “חיישני חלקיקים ננו פוטוניים לגילוי אירועי CBRN”. העבודה נתמכה גם על ידי TU Graz Open Access Publishing Fund.
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 |