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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Engineering

Fabbricazione di un Etalon Fabry-Pérot a basso costo, accoppiato in fibra e spaziato in aria

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

Questo protocollo descrive la costruzione di un etalon Fabry-Perot a basso costo, discreto, accoppiato a fibre e spaziato in aria con varie applicazioni, come nella spettroscopia di gas in traccia. La fabbricazione è possibile in qualsiasi struttura con apparecchiature di laboratorio ottico standard disponibili.

Abstract

Gli etalon Fabry-Pérot (FPE) hanno trovato la loro strada in molte applicazioni. In campi come la spettroscopia, le telecomunicazioni e l’astronomia, gli FPE sono utilizzati per la loro elevata sensibilità e la loro eccezionale capacità di filtraggio. Tuttavia, gli etalon spaziati dall’aria con elevata finezza sono solitamente costruiti da strutture specializzate. La loro produzione richiede una camera bianca, una speciale movimentazione del vetro e macchinari per il rivestimento, il che significa che gli FPE disponibili in commercio sono venduti a un prezzo elevato. In questo articolo viene presentato un metodo nuovo ed economico per fabbricare FPE accoppiati a fibre con apparecchiature di laboratorio fotoniche standard. Il protocollo dovrebbe fungere da guida passo-passo per la costruzione e la caratterizzazione di questi FPE. Ci auguriamo che ciò consentirà ai ricercatori di condurre una prototipazione rapida ed economica di FPE per vari campi di applicazione. L’FPE, come qui presentato, viene utilizzato per applicazioni spettroscopiche. Come mostrato nella sezione dei risultati rappresentativi tramite misurazioni proof of principle del vapore acqueo nell’aria ambiente, questo FPE ha una finezza di 15, che è sufficiente per la rilevazione fototermica delle concentrazioni di tracce di gas.

Introduction

Nella sua forma più elementare, un FPE è costituito da due superfici speculari parzialmente riflettenti piane parallele¹. Nelle seguenti spiegazioni, quando si fa riferimento agli specchi, il substrato ottico e il rivestimento riflettente sono considerati come uno. Nella maggior parte delle applicazioni, gli specchi utilizzati presentano una superficie incuneata² per evitare effetti etalon indesiderati. La Figura 1 illustra la formazione del modello di interferenza di un etalon spaziato in aria (Figura 1A), nonché la funzione di riflettanza per diverse riflettività speculari (Figura 1B).

La luce entra nella cavità attraverso uno specchio, subisce molteplici riflessioni e lascia la cavità per riflessione e trasmissione. Poiché questo articolo si concentra sulla fabbricazione di un FPE operato in riflettanza, le ulteriori spiegazioni si riferiscono specificamente alla riflessione. Le onde che escono dalla cavità interferiscono, a seconda della differenza di fase, q = 4πnd/λ. Qui, n è l’indice di rifrazione all’interno della cavità, d è la spaziatura dello specchio e λ è la lunghezza d’onda della sorgente luminosa dell’interferometro, qui chiamata laser a sonda. Una riflettanza minima si verifica quando la differenza di cammino ottico corrisponde al multiplo intero della lunghezza d’onda, . La finezza di un etalon piano-parallelo ideale è determinata dalle riflettività speculari R₁ e R₂ solo³:

Tuttavia, un vero etalon è soggetto a molte perdite, che degradano la finezza teoricamente raggiungibile ^4,5,6. La deviazione del parallelismo dello specchio⁷, l’incidenza non normale del raggio laser, la forma del fascio⁸, le impurità della superficie dello specchio e la dispersione, tra gli altri, portano a una riduzione della finezza. Il modello di interferenza caratteristico può essere descritto dalla funzione di Airy¹:

L’intera larghezza a metà massimo (FWHM), così come l’intervallo spettrale libero (FSR) della funzione di riflettanza, possono essere calcolati come segue:

Figura 1: Teoria dell’interferometro di Fabry-Pérot . (A) Una rappresentazione schematica dell’interferenza multi-fascio per un etalon spaziato in aria con finestre incuneate. Un’onda piana, E₀, entra nella cavità sotto un certo angolo, φ, attraverso una superficie rivestita antiriflesso (AR) e successivamente subisce riflessioni multiple tra le superfici altamente riflettenti (alte R) distanziate a distanza, d. Ad ogni riflessione, parte della luce è accoppiata all’esterno dell’etalon sia in trasmissione che in riflessione, dove interferisce con le altre onde. (B) La funzione di riflettanza di un etalon ideale di Fabry-Pérot per diverse riflettività speculari (asse y). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Gli FPE possono essere trovati in una vasta gamma di applicazioni 9,10,11. Nel caso qui presentato, l’FPE viene utilizzato in una configurazione di interferometria fototermica (PTI). Nella PTI, le variazioni dell’indice di piccola densità e, quindi, di rifrazione, indotte dall’eccitazione periodica seguita dalla rapida termalizzazione di un gas bersaglio tramite un secondo laser, sono misurate interferometricamente¹². La quantità di calore e, quindi, l’entità della variazione dell’indice di rifrazione sono proporzionali alla concentrazione di gas. Quando si misura l’intensità della funzione di riflettanza dell’FPE nel suo punto più ripido (punto operativo), queste variazioni dell’indice di rifrazione spostano la funzione di riflettanza, alterando così l’intensità misurata. Poiché si può assumere che la funzione di riflettanza sia lineare nella regione attorno al punto di funzionamento, il segnale misurato è quindi proporzionale alla concentrazione di gas. La sensibilità del sensore è determinata dalla pendenza della funzione di riflettanza ed è, quindi, proporzionale alla finezza. PTI, in combinazione con FPE, ha dimostrato di essere un metodo sensibile e selettivo per rilevare tracce di gas e aerosol 13,14,15,16,17,18. In passato, molti sensori per le misurazioni della pressione e acustiche si basavano sull’uso di parti mobili, come le membrane, sostituendo il secondo specchio dell’FPE¹⁹. Le deflessioni della membrana portano a un cambiamento nella distanza dello specchio e, quindi, nella lunghezza del percorso ottico. Questi strumenti hanno lo svantaggio di essere soggetti a vibrazioni meccaniche. Negli ultimi anni, lo sviluppo di microfoni ottici che utilizzano FPE solidi ha raggiunto un livello commerciale²⁰. Astenendosi dall’uso di parti mobili, il misurando è passato dalla distanza all’indice di rifrazione all’interno della cavità di Fabry-Pérot, aumentando così significativamente la robustezza dei sensori.

Gli FPE spaziati in commercio costano oltre quanto accettabile per la prototipazione e il test, nonché l’integrazione di strumenti di produzione ad alto volume. La maggior parte delle pubblicazioni scientifiche che costruiscono e utilizzano tali FPE trattano il tema della fabbricazione solo minimamente^21,22. Nella maggior parte dei casi, sono necessarie attrezzature e macchine specifiche (ad esempio, camere bianche, impianti di rivestimento, ecc.); ad esempio, per gli FPE completamente integrati in fibra, sono necessarie speciali apparecchiature di microlavorazione. Per ridurre i costi di produzione e consentire il test di più configurazioni FPE diverse per migliorarne l’idoneità per le configurazioni PTI, è stato sviluppato un nuovo metodo di fabbricazione, descritto in dettaglio nel seguente protocollo. Utilizzando solo componenti standard in fibra ottica e di telecomunicazione disponibili in commercio, i costi di produzione potrebbero essere ridotti a meno di 400 euro. Ogni struttura che lavora con apparecchiature fotoniche standard dovrebbe essere in grado di riprodurre il nostro schema di fabbricazione e adattarlo alle loro applicazioni.

Protocol

1. Stampa tridimensionale della cella di misura Adattare la cella di misura, come indicato nel file di codifica supplementare 1, alla propria applicazione. Stampa tridimensionale della cella e dei tappi, indicati nei file di codifica supplementari 1-3, per il montaggio dei materiali ottici sfusi.NOTA: Per il presente studio è stata utilizzata una stampante 3D SLA (vedi Tabella dei materiali). Durante la generazione del lavoro di stampa, assicurarsi di ridurre al minimo il numero di strutture di supporto all’interno delle cavità e delle aperture. La resina residua può ridurre il diametro e l’ottica di massa può rimanere bloccata. Dopo la stampa, pulire la cella con alcool isopropilico e rimuovere tutte le strutture di supporto con una taglierina e carta vetrata. Infilare i fori appropriati subito dopo la stampa e prima della polimerizzazione.Infilare l’ingresso e l’uscita del gas come M5 per montare il connettore del tubo. Infilare il foro centrale nella parte inferiore come M4 per il post-montaggio della cella. Infilare i fori passanti più piccoli perpendicolarmente nei fori passanti dell’asta della gabbia come M3 per consentire il fissaggio della cella al sistema della gabbia (Figura 2). Polimerizzare UV la cella (405 nm) e i tappi a 60 °C per almeno 40 minuti utilizzando un dispositivo di polimerizzazione UV disponibile in commercio (vedi tabella dei materiali). Figura 2: Rendering del modello CAD etichettato della cella di misura. Una vista di sezione è fornita qui per maggiore chiarezza. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. 2. Preparazione dei distanziatori Ritagliare due distanziali da una finestra di precisione in silice fusa UV (UVFS). Ritagliate due pezzi di circa 3 mm di larghezza dalla finestra di precisione, come mostrato nella Figura 3B.NOTA: I distanziatori possono essere tagliati utilizzando una tagliavetro convenzionale a basso costo (vedi Tabella dei materiali).ATTENZIONE: Indossare guanti e occhiali protettivi durante il taglio e la manipolazione dell’ottica sfusa. Scrivere una linea retta sulla finestra di precisione con lo strumento di taglio, quindi rompere il vetro usando una pinza. Utilizzare sempre pinze con superfici piane e mettere fazzoletti per la pulizia delle lenti (o simili) tra il metallo e il vetro per evitare danni alla superficie del vetro. Pulire i distanziali con uno spolverino spray per rimuovere i residui di vetro.NOTA: Inoltre, i distanziatori possono essere accuratamente puliti con fluido detergente per lenti e fazzoletti per la pulizia delle lenti senza applicare pressione. 3. Assemblaggio dell’etalon Posiziona la cella stampata in 3D (passaggio 1) sul tavolo con la fossa dell’etalon rivolta verso l’alto. Inserire un O-ring (10 mm x 1 mm, vedere la tabella dei materiali) nella fossa dell’etalon e premerlo leggermente nella scanalatura designata. Posizionare il beamsplitter con la superficie riflettente rivolta verso l’alto nella fossa dell’etalon e sull’O-ring. Posizionare con attenzione i due distanziali sul beamsplitter usando una pinzetta. Posizionarli in modo da generare un’apertura chiara per il laser a gas ed eccitazione, che entra nella cavità dell’aria attraverso il foro passante che corre da un lato all’altro della cella (Figura 2, numero 3).NOTA: I distanziali devono essere posizionati su ciascun lato per ottenere una cavità d’aria al centro, come mostrato nella figura 3B. Afferrare solo i distanziali sulle superfici laterali per evitare di graffiare le superfici parallele. Quando i distanziatori sono in posizione, allineare lo specchio sopra di essi, con il lato riflettente rivolto verso il basso. Il beamsplitter, i distanziali e lo specchio devono essere allineati concentricamente ora. Prendi il cappuccio in etalon stampato in 3D e inserisci entrambi gli O-ring (10 mm x 1 mm e 14 mm x 2 mm) nelle scanalature designate. Allineare il cappuccio alla scanalatura rettangolare della cella e posizionarlo sopra lo specchio.Applicare pressione sul cappuccio per fissare i distanziali in posizione. Sollevare la cella esercitando sempre pressione sul tappo e inserire quattro viti M4 attraverso i fori designati dal lato posteriore. Montali con quattro dadi M4 sul lato anteriore e stringili fino a quando la pressione del cappuccio è sufficiente per mantenere i distanziali in posizione e gli O-ring sono abbastanza compressi. Controllare se i distanziatori sono ancora in posizione; Se è così, l’Etalon è ora pronto per un ulteriore utilizzo. Utilizzare i due cappucci aggiuntivi stampati in 3D per montare finestre laser sul lato della cella di misurazione per rendere la cella a tenuta di gas. Pertanto, posizionare un O-ring (10 mm x 1 mm) nella scanalatura designata sulla cella e un altro (10 mm x 1 mm) sul cappuccio. Posizionare la finestra nella scanalatura e fissare il tappo della finestra con quattro viti e dadi M3, come mostrato nella Figura 2, numero 2). Figura 3: Rendering della cella di misura e dell’FPE. (A) Rendering del processo di assemblaggio della cella stampata in 3D e dell’FPE con il tappo di montaggio corrispondente. (B) Rendering dei componenti bulk-optic nell’ordine corretto. I distanziatori creano una cavità distanziata in aria tra le due superfici a specchio. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. 4. Assemblaggio della piattaforma di allineamento delle fibre Assemblare i stadi e le piastre adattatrici come indicato nella tabella dei materiali. Utilizzare la Figura 4 come orientamento durante la costruzione. Montare il primo stadio goniometrico monoasse su una breadboard ottica nella direzione x.NOTA: la nomenclatura degli assi è stata scelta arbitrariamente. Il piano ottico della breadboard è definito come un piano x-y, con la direzione verticale rivolta verso l’esterno della breadboard in direzione z positiva. A seconda degli stadi utilizzati, montare una piastra adattatore sopra lo stadio goniometrico, se necessario.Montare uno stadio di traslazione micrometrica x-y a due assi centrale sulla parte superiore della piastra adattatrice. Montare una staffa ad angolo retto sullo stadio di traslazione rivolto nella direzione y. Montare uno stadio di traslazione ad asse singolo sulla staffa ad angolo retto nella direzione z. Utilizzando piastre adattatrici aggiuntive, montare il secondo stadio goniometrico nella direzione z sullo stadio di traslazione. Attaccare un morsetto di ghiera in fibra sulla parte superiore di un palo. Scegli la lunghezza del palo in modo che la ghiera in fibra sia esattamente nel punto di rotazione del secondo stadio goniometrico verticale. La distanza è indicata nel manuale della tappa. Il diametro esterno della ghiera in fibra è di 2,8 mm. Se non è disponibile un morsetto per questo diametro, utilizzare un morsetto da 2,5 mm e allargarlo con un trapano. Montare il palo con il morsetto della ghiera sul secondo stadio goniometrico verticale in una posizione z corrispondente al punto di rotazione del primo stadio goniometrico orizzontale dal punto 4.2.Assicurarsi che il manicotto della ghiera e l’obiettivo GRIN sporgano dal morsetto della ghiera di alcuni millimetri nella direzione z negativa. Scegli la posizione verticale del palo in modo che la punta della lente GRIN si trovi nel punto di rotazione dello stadio goniometrico. Per montare l’etalon, prendi un palo, monta una staffa ad angolo retto su di esso e attacca una piastra della gabbia filettata SM1 standard da 30 mm su di esso. Montare quattro aste della gabbia (>40 mm) sulla piastra rivolta nella direzione z positiva. Prendi quattro molle metalliche con un diametro interno leggermente più grande del diametro dell’asta della gabbia e posizionane una su ciascuna asta della gabbia. Far scorrere la cella di misura con FPE integrato sulle aste con il lato beamsplitter rivolto verso l’alto fino a quando non poggia sulle molle.NOTA: assicurarsi che la cella possa muoversi liberamente nella direzione z. Se l’attrito è troppo elevato, è necessario un ulteriore allargamento dei fori passanti della cella per le aste della gabbia. Questo è meglio farlo con un file rotondo. Montare il palo, tramite un supporto per palo, una piastra di base e una forcella di serraggio, appena sotto la piattaforma di allineamento delle fibre. Assicurarsi che l’apertura della cella, che espone il beamsplitter, sia centrata circa 10 mm sotto il supporto della ghiera (punto 4.5). Figura 4: Immagine della piattaforma di allineamento con l’FPE accoppiato a lenti GRIN durante il processo di polimerizzazione UV. I componenti scritti in grigio sono per le misurazioni PTI e non sono necessari per il processo di allineamento. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. 5. Configurazione optoelettronica Assemblare i componenti optoelettronici elencati nella tabella dei materiali e disporli come mostrato schematicamente nella Figura 5. Montare i componenti in fibra ottica su una breadboard ottica utilizzando i vassoi dei componenti corrispondenti. Montare il laser su un supporto a diodi laser. Collegare la sorgente laser a un driver laser e a un controller TEC (thermoelectric cooler) con funzione di modulazione integrata (modulazione triangolare); In caso contrario, è necessario un generatore di funzioni aggiuntive. Impostare l’ampiezza della modulazione della corrente triangolare in modo da coprire un intervallo di lunghezze d’onda ben al di sopra del FWHM previsto dell’etalon (i calcoli possono essere trovati nella sezione di discussione). Impostare la frequenza di modulazione su circa 100 Hz. Collegare l’uscita ottica del laser all’ingresso dell’isolatore utilizzando manicotti di accoppiamento con staffa a L. Montare un attenuatore in fibra ottica da 15 dB dopo l’isolatore e collegarlo alla porta di ingresso dell’accoppiatore 1 x 2. Collegare la porta di uscita dell’accoppiatore con potenza ottica del 90% alla porta 1 del circolatore ottico. Collegare la porta di uscita dell’accoppiatore con potenza ottica del 10% al fotodiodo di riferimento del rilevatore bilanciato. Collegare la porta 2 del circolatore al sistema di lenti ghiera con coda di maiale. Collegare la porta 3 al fotodiodo di segnale del rilevatore. Impostare il rilevatore bilanciato in modalità “Auto-Balanced”. Collegare l’uscita elettrica “Segnale” del rilevatore a un canale dell’oscilloscopio con un cavo BNC. Figura 5: Schema del setup optoelettronico per la procedura di allineamento. Le linee rosse rappresentano le fibre ottiche, le linee nere sono cavi elettronici e il raggio blu è il laser della sonda. Qui viene utilizzato un rilevatore bilanciato, ma questo può essere sostituito da un fotorilevatore convenzionale. Pertanto, l’accoppiatore 1 x 2 può essere omesso. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. 6. Allineamento della lente Fiber-GRIN Montare il morsetto della ghiera su un palo e fissarlo tramite un supporto per palo su una breadboard ottica. Fissare il manicotto della ghiera in fibra in un morsetto di ghiera. Come indicato al punto 4.6, allargare il morsetto della ghiera con un trapano, se necessario. Riempire una pipetta con adesivo a polimerizzazione UV (vedere Tabella dei materiali).ATTENZIONE: Indossare guanti e occhiali mentre si maneggiano le ottiche di massa e l’adesivo a polimerizzazione UV. Prendi la ghiera in fibra di maiale e aggiungi una goccia di adesivo sulla superficie laterale della ghiera. Mantenere pulita la superficie anteriore della ghiera. Inserire la ghiera nella custodia della ghiera. Assicurarsi di inserire la ghiera abbastanza in profondità in modo che l’estremità anteriore dell’obiettivo GRIN sia almeno 1-2 mm al di fuori del manicotto della ghiera. Applicare una pre-polimerizzazione molto rapida con una lampada UV (~10 s). Far brillare la luce solo dal lato posteriore (estremità in fibra della ghiera) per fissare la ghiera al manicotto senza indurire alcun adesivo sulla parte anteriore della ghiera. Prendi la lente GRIN e trova il lato incuneato. Questo può essere fatto con un microscopio o semplicemente ruotandolo. In tal modo, il lato incuneato di 8° diventa visibile. Applicare un adesivo a goccia sull’estremità incuneata della lente GRIN e inserirlo nella custodia della ghiera.NOTA: Applicando una leggera pressione, l’aria esce dalla cavità tra la ghiera e la lente GIN. Non ci possono essere bolle d’aria racchiuse tra le due superfici. Se ci sono, una leggera svolta può aiutare; altrimenti, rimuovere la lente GRIN e ripetere il punto 6.8. Ruotare attentamente la lente GRIN fino a quando le due superfici angolate sono parallele. Montare un analizzatore di fascio di circa 150 mm davanti alla lente GRIN. Se non è disponibile un analizzatore di fascio, è possibile utilizzare un misuratore di potenza con un foro stenopeico anteriore. Collegare la ghiera a coda di maiale a un laser con la lunghezza d’onda appropriata. Accendi il laser.ATTENZIONE: devono essere prese precauzioni di sicurezza laser. Utilizzando una pinzetta, spostare leggermente la lente GRIN fuori dal manicotto della ghiera per modificare la distanza tra la ghiera e la lente GIN. Questa distanza è fondamentale per impostare la lunghezza focale del sistema. Mentre si sposta la lente GRIN, monitorare costantemente la forma del fascio (o la potenza ottica).NOTA: Una breve pre-polimerizzazione (~ 10 s) può aiutare se il processo di allineamento è troppo instabile. Quando il sistema è focalizzato sull’ottimale desiderato, applicare la polimerizzazione finale esponendola alla luce UV per circa 10 minuti. Dopo la polimerizzazione, rimuovere il manicotto della ghiera dal morsetto; A questo punto, è pronto per un ulteriore utilizzo. 7. Allineamento fibra-etalon Prendete la ghiera a coda di maiale e il sistema di lenti GRIN dal punto 5 e montatela con il morsetto della ghiera dal punto 4.5. Assicurarsi che la fase di traslazione nella direzione z sia spostata alla sua altezza massima e che tutte le altre fasi siano in posizione neutra (centrata). Allineare la cella sottostante. Assicurarsi che la lente GRIN punti direttamente al centro dell’apertura. Fissare la posizione della cella ad un’altezza leggermente inferiore alla lente GRIN (circa 5 mm). Applicare una o due gocce di adesivo sull’estremità anteriore della lente GRIN con la pipetta. Abbassare la fase di traslazione nella direzione z fino a garantire il contatto con la superficie rivestita antiriflesso del beamsplitter. Continuare ad abbassare la lente GRIN fino a quando non viene applicata una pressione sufficiente e le molle sono sotto tensione sufficiente.NOTA: Ciò garantisce che il contatto tra la lente GRIN e il beamsplitter sia mantenuto durante il processo di inclinazione dell’allineamento. La quantità di pressione necessaria dipende dalla configurazione e può essere regolata durante l’allineamento se non è possibile osservare una funzione di riflettanza ragionevole. L’esperienza ha dimostrato che una maggiore pressione di solito aiuta il processo di allineamento. Accendere il laser modulato e l’oscilloscopio. Assicurarsi che l’oscilloscopio abbia la massima risoluzione possibile quando si avvia il processo di allineamento. Impostare la risoluzione temporale in modo che siano visibili da due a tre periodi della modulazione. Avviare il processo di allineamento assicurandosi che la lente GRIN punti normalmente sulla superficie del beamsplitter. Questo può essere fatto con l’ispezione visiva e ruotando di conseguenza gli stadi goniometrici. Questa è ora la posizione zero. Passo dopo passo, deviare leggermente uno stadio goniometrico, quindi spostare l’altro stadio goniometrico attorno alla posizione zero.Se non è possibile osservare alcun cambiamento sull’oscilloscopio, deviare leggermente di più il primo stadio goniometrico e ripetere questo processo iterativo fino a quando la modulazione triangolare diventa visibile sull’oscilloscopio. Se si osserva un’isteresi del segnale dopo i movimenti degli stadi, verificare se tutti i componenti sono fissati correttamente.NOTA: Un aumento della pressione causato dallo spostamento dello stadio z verso il basso può anche aiutare. Se il segnale osservato non è così forte come previsto, la riflessione posteriore potrebbe provenire da una delle superfici dell’etalon o da uno dei picchi periferici della funzione di riflettanza. Come regola generale, con un beamsplitter al 70% e uno specchio completamente riflettente, le riflessioni di picco osservate sono nell’ordine del 25% della potenza ottica introdotta nell’etalon. Una volta osservata una forte riflessione posteriore, regolare la risoluzione dell’oscilloscopio e assicurarsi che il picco della funzione di riflettanza dell’etalon si trovi al centro delle pendenze di modulazione triangolare (Figura 6). Sintonizza il picco dell’etalon cambiando la temperatura del laser fino a quando il picco è centrato sul pendio. Cerca di massimizzare la forza di picco (tensione minima) massimizzando contemporaneamente il rapporto picco-picco della modulazione triangolare con lievi movimenti degli stadi goniometrici. Al termine del processo di allineamento, montare la lampada UV vicino alla lente GRIN. Utilizzare un attacco dell’obiettivo autocentrante con un angolo di 45°. Eseguire la polimerizzazione gradualmente. Innanzitutto, polimerizzare l’adesivo che è già stato applicato nel passaggio 7.4. Continua a monitorare la funzione di riflettanza sull’oscilloscopio. Se la polimerizzazione porta ad una degradazione dell’allineamento a causa del restringimento dell’adesivo, regolare leggermente gli stadi goniometrici. Dopo 5-10 minuti, spegnere la lampada UV e applicare altro adesivo intorno alla lente GRIN senza toccarla. Esporre l’adesivo alla luce UV per altri 5-10 minuti. Ripetere questo passaggio fino a quando l’apertura della cella è completamente riempita con uno strato omogeneo di adesivo. Eseguire la cura finale per più di 1 ora. Per garantire un corretto collegamento dei componenti incollati, lasciare riposare l’intera configurazione per 1 settimana o temperare il giunto adesivo a 60 °C per 1 ora, se possibile. Ora, il manicotto della ghiera può essere rimosso dal morsetto. Pertanto, spostare la fase di traslazione in una direzione z positiva fino a quando le molle non sono completamente rilassate. Evitare qualsiasi stress sul sistema di lenti ghiera-GRIN; Aprire il morsetto e rimuoverlo. Ora, l’etalon è finito e pronto per un ulteriore utilizzo. Figura 6: Segnale oscilloscopio generico ed esemplare. In verde, viene raffigurato un buon allineamento e in giallo ne viene mostrato uno peggiore. Migliore è l’allineamento, maggiore è il rapporto picco-picco della modulazione triangolare e più il picco di riflettanza (valle) va verso lo zero. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. 8. Caratterizzazione di Etalon Per la valutazione dell’etalon prodotto, utilizzare la stessa configurazione in fibra ottica descritta al punto 5. Utilizzare un sistema di misurazione in grado di regolare la temperatura del laser in modo graduale e con una velocità di registrazione dei dati sufficiente.NOTA: qui viene utilizzato un sistema basato su FPGA (vedere la tabella dei materiali). Calcola il FSR teorico. A seconda del laser utilizzato (vedere coefficiente di regolazione della temperatura), eseguire uno sweep di temperatura corrispondente ad almeno due FSR. Aumentare la temperatura gradualmente (incrementi di ~ 0,005 °C) e lasciare che il TEC si accontenti di 2-3 s prima di misurare per altri 2-3 s ogni volta. Elabora i dati con qualsiasi programma di calcolo numerico. Utilizza qualsiasi libreria di elaborazione del segnale con un cercatore di picco integrato. La distanza tra due picchi successivi rappresenta la FSR. Calcola l’FWHM valutando la larghezza del picco alla sua metà altezza.NOTA: Poiché il calcolo di FSR e FWHM dipende fortemente dal formato dei dati, non viene fornito alcun codice, ma può essere reso disponibile dall’autore su richiesta. Converti la temperatura in lunghezza d’onda utilizzando il coefficiente di regolazione della temperatura del laser. Calcolare l’FSR e l’FWHM dalle misurazioni (Figura 7). Calcolare la finezza dell’FPE fabbricato con la seguente formula:.

Representative Results

Come si può vedere nella Figura 7, è stato possibile fabbricare un FPE con una funzione di riflettanza ben definita. Figura 7: Funzione di riflettanza misurata dell’FPE finito. È stato eseguito uno sweep di temperatura, corrispondente a uno sweep di lunghezza d’onda del laser, per misurare la funzione di riflettanza dell’FPE. Questo viene utilizzato per valutare metriche come l’intera larghezza a metà massimo (FWHM) e l’intervallo spettrale libero (FSR) del dispositivo fabbricato. La riflettanza relativa si riferisce alla proporzione relativa di luce riflessa nella fibra dopo aver superato l’FPE. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Le metriche misurate dell’FPE sono elencate nella Tabella 1 e confrontate con i valori calcolati di un etalon ideale con le stesse specifiche. Le formule per un FPE ideale sono disponibili nella sezione introduttiva. Misurato FPE ideale Finezza 12.8 17.1 FWHM 0,0268 nm 0,0234 nm FSR 0,3441 nm 0,4004 nm Sensibilità 14 1/nm 21 1/nm Tabella 1: Confronto delle metriche misurate e calcolate dell’ETALON FPE fabbricato. Per convalidare l’attitudine per un’applicazione designata, l’FPE viene utilizzato per le misurazioni PTI del vapore acqueo nell’aria ambiente. Pertanto, un laser di eccitazione con una lunghezza d’onda di 1.364 nm viene guidato nella cella perpendicolarmente al laser della sonda. Entrambi i laser si intersecano all’interno dell’FPE. Il laser di eccitazione è modulato sinusoidamente con una frequenza di 125 Hz. Stabilizzando il laser sonda sulla pendenza più ripida dell’FPE, tramite corrente costante, si ottiene la massima sensibilità del sensore. Per le misurazioni del vapore acqueo, la cella viene azionata con finestre aperte ed esposta all’aria ambiente con una concentrazione di 13.762 ppmV, misurata da un dispositivo di riferimento (temperatura = 21,4 °C, pressione = 979,9 hPa, umidità relativa = 52,2%). Il segnale viene estratto mediante una trasformata di Fourier veloce (FFT) e confrontato con il segnale di fondo con il laser di eccitazione spento, come mostrato in Figura 8. È possibile ottenere un rapporto segnale/rumore superiore a 7.000, corrispondente a un limite di rilevamento di circa 5 ppmV (3σ). Figura 8: Misurazioni PTI del vapore acqueo nell’aria ambiente. In nero, viene mostrato il segnale FFT di una misura con eccitazione laser a 125 Hz. In blu è raffigurato il segnale di fondo senza eccitazione. Il riquadro mostra il picco misurato a 125 Hz in modo più dettagliato. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. File di codifica supplementare 1: Measurement_cell. SLDPRT. File CAD per la cella di misura. La cella può essere adattata ai requisiti dell’applicazione specifica e successivamente stampata in 3D. Clicca qui per scaricare questo file. File di codifica supplementare 2: cap_etalon. SLDPRT. File CAD per il fissaggio dell’etalon all’interno della cella di misura. Clicca qui per scaricare questo file. File di codifica supplementare 3: cap_window. SLDPRT. File CAD per il fissaggio delle finestre laser sulla cella di misura. Clicca qui per scaricare questo file.

Discussion

Poiché l’FPE fabbricato seguendo il protocollo qui indicato è ottimizzato per un’applicazione specifica, i possibili adattamenti e passaggi critici sono spiegati in questo capitolo. Prima di tutto, l’FPE e la cella di misura sono progettati per le misurazioni PTI. Pertanto, alla cella vengono aggiunti un ingresso e un’uscita del gas, nonché un canale per il laser di eccitazione, che è perpendicolare al laser della sonda. Tutte le aperture della cella sono rese ermetiche tramite O-ring e / o coperte da finestre UVFS per consentire la propagazione del laser. Se utilizzata in modo diverso, la cella, come indicato nel file di codifica supplementare 1, può essere riprogettata e adattata all’applicazione specifica. La filettatura nel passaggio 1.4 viene eseguita dopo la stampa. I fili potrebbero anche essere stampati in 3D, ma poiché tendono a consumarsi rapidamente, vengono stampati solo fori con il diametro appropriato del foro del nucleo e successivamente vengono filettati.

La scelta del materiale per i distanziatori nella fase 2.1 è cruciale. Il parallelismo dei distanziatori determina il parallelismo degli specchi etalon e, quindi, influenza la finezza⁷. In questo studio è stata utilizzata una finestra di precisione UVFS da 1/2 pollice, come indicato nella tabella dei materiali, con un parallelismo di ≤5 secondi d’arco e una planarità superficiale di λ/10 sull’apertura chiara. Il coefficiente di dilatazione termica di UVFS è 0,55 x 10⁻⁶/°C. La stabilità della temperatura può essere ulteriormente aumentata utilizzando, ad esempio, distanziatori Zerodur⁵ , con un coefficiente di dilatazione termica inferiore a 0,1 x 10⁻⁶/°C; Tuttavia, questo ha lo svantaggio di costi più elevati.

L’FPE è formato da uno specchio completamente riflettente e da un beamsplitter. Il beamsplitter ha una superficie riflettente del 70% e un lato posteriore rivestito antiriflesso. Ciò consente l’accoppiamento della luce dentro e fuori l’etalon. Inoltre, il substrato del beamsplitter presenta un lato incuneato per prevenire effetti etalon indesiderati. Il lato posteriore dello specchio è irruvidito per gli stessi motivi.

Nella fase 5.1 viene descritta la configurazione optoelettronica per tracciare il processo di allineamento. Tutte le fibre utilizzate sono fibre SMF-28 standard con connettori FC/APC. A causa dell’applicazione designata per PTI, un fotorivelatore bilanciato era prontamente disponibile in questo studio, ma questo non è necessario in generale. Al suo posto può essere utilizzato un fotorivelatore convenzionale; In questo caso, l’utilizzo di un accoppiatore 1 x 2 è obsoleto. Queste modifiche non influiscono sugli altri componenti dell’installazione, come illustrato nella Figura 5. La modulazione di corrente triangolare del laser della sonda, come descritto al punto 5.4, corrisponde a una lunghezza d’onda. È necessario scegliere un intervallo di corrente sufficiente a coprire almeno un picco di riflettanza dell’FPE. Pertanto, un FSR può servire come regola empirica. I calcoli per l’FSR di un FPE ideale sono disponibili nella sezione introduttiva. Insieme al coefficiente di sintonizzazione della corrente (nm/mA) del laser, indicato nel rispettivo manuale, è possibile calcolare l’intervallo di corrente che copre un FSR. Ad esempio, il laser utilizzato in questo lavoro aveva un coefficiente di sintonizzazione della corrente di 0,003 nm / mA ed emesso a una lunghezza d’onda di 1.550 nm. L’FSR atteso di un FPE ideale con spaziatura dello specchio di 3 mm, d, è di circa 0,4 nm. Questo dà un intervallo di sintonizzazione della corrente di 133 mA.

In questo lavoro, la frequenza di modulazione è stata impostata su 100 Hz per una comoda visualizzazione all’oscilloscopio. Poiché l’intervallo di sintonizzazione della corrente desiderato è piuttosto ampio, è possibile utilizzare un attenuatore a fibra fissa per rimanere entro i limiti di potenza del rilevatore utilizzato. L’attenuatore può essere montato direttamente dopo l’isolatore.

L’adesivo a polimerizzazione UV utilizzato nella fase 6 e nella fase 7 è trasparente alla luce laser e ha un indice di rifrazione di 1,56. Il processo di allineamento, come descritto al punto 7.1, dipende dal fotorivelatore disponibile. Il rilevatore bilanciato utilizzato in questa configurazione genera un’uscita “Segnale” a tensione negativa. Per ragioni generali, si assume un’uscita di tensione positiva per la descrizione del passo 7.10 e nella figura 6. Per un etalon ben allineato, il picco di riflettanza andrà verso lo zero, mentre la funzione triangolare aumenterà il suo rapporto picco-picco.

Per la caratterizzazione dell’etalon nella fase 8.1, viene utilizzato un software di calcolo numerico (vedere Tabella dei materiali). La tensione misurata per ogni fase di temperatura viene calcolata in media e tracciata, come mostrato nella Figura 7. Per convertire i passi di temperatura in passi di lunghezza d’onda, viene utilizzato il coefficiente di regolazione della temperatura del laser della sonda. Le librerie di analisi dei segnali hanno integrato algoritmi di ricerca dei picchi, che possono essere utilizzati a tale scopo. Poiché l’analisi dei dati dipende fortemente dal formato dei dati, qui non viene fornito alcun codice, ma può essere reso disponibile dall’autore corrispondente su richiesta.

Una possibile limitazione della tecnica di fabbricazione qui presentata è la stabilità termica e meccanica in ambienti mutevoli. Poiché lo scopo di questo documento di istruzioni è la prototipazione a basso costo di FPE per applicazioni di laboratorio, non vengono forniti test relativi alla stabilità meccanica e alla temperatura. Se l’FPE viene utilizzato per applicazioni mobili o in ambienti mutevoli, è necessario adottare misure aggiuntive per stabilizzare meccanicamente il sistema di lenti in fibra GRIN rispetto all’etalon.

Un nuovo metodo per fabbricare e caratterizzare un FPE è dimostrato qui con componenti ottici standard disponibili in ogni laboratorio fotonico. L’FPE presentato ha una finezza di circa 15 e una sensibilità sufficiente per rilevare circa 5 ppmV di vapore acqueo. Oltre all’applicazione presentata per PTI, questo FPE potrebbe essere utilizzato in applicazioni come la costruzione di microfoni ottici 20, che sono comunemente applicati nel campo dei test non distruttivi 23, misure dell’indice di rifrazione 24,25 o igrometri ²⁶^, solo per citarne alcuni.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Il lavoro qui presentato è stato condotto nell’ambito del progetto finanziato da FFG “Green Sensing” e del programma SPS della NATO “Photonic Nano Particle Sensors for Detecting CBRN events”. Il lavoro è stato anche sostenuto da 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

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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).

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