低コスト、ファイバー結合、空隙ファブリペローエタロンの製造

1.測定セルの3次元印刷 補足コーディング・ファイル1に記載されている測定セルをアプリケーションに適合させます。バルク光学材料を取り付けるためのセルとキャップ(補足コーディングファイル1〜3で示されている)を3次元印刷します。注:本研究ではSLA 3Dプリンターを使用しました( 材料表を参照)。 印刷ジョブの生成中は、キャビティと開口部内の支持構造の数を最小限に抑えるようにしてください。樹脂が残っていると直径が小さくなり、バルク光学系が詰まる可能性があります。 印刷後、イソプロピルアルコールでセルを洗浄し、ワイヤーカッターとサンドペーパーですべての支持構造を取り除きます。 印刷直後および硬化前に適切な穴を通します。ガスの入口と出口をM5としてねじ込み、ホースコネクタを取り付けます。 下部の中央の穴をM4として通し、セルの取り付け後に対応します。 小さい方の貫通穴をM3としてケージロッド貫通穴に垂直にねじ込み、セルをケージシステムに固定できるようにします(図2)。 市販のUV硬化装置を使用して、セル(405 nm)とキャップを60°Cで少なくとも40分間UV硬化させます( 材料の表を参照)。 図2:測定セルのラベル付きCADモデルレンダリング。 ここでは、わかりやすくするために断面図を示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 2. スペーサーの準備 1つのUV溶融シリカ(UVFS)精密ウィンドウから2つのスペーサーを切り取ります。 図3Bに示すように、精密窓から幅約3mmの2枚を切り取ります。注意: スペーサーは、従来の低コストのガラスカッターを使用して切断できます(材料の表を参照)。注意: バルク光学部品を切断および取り扱うときは、手袋と保護メガネを着用してください。 カッターツールで精密窓に直線をスクライブし、ペンチを使用してガラスを割ります。ガラス表面の損傷を防ぐために、常に平らなペンチを使用し、金属とガラスの間にレンズクリーニングティッシュ(または同様のもの)を置きます。 ダスタースプレーでスペーサーを清掃し、残留ガラスの破片を取り除きます。注意: さらに、スペーサーは、圧力をかけずにレンズ洗浄液とレンズ洗浄ティッシュで慎重に拭くことができます。 3.エタロンの組み立て 3Dプリントされたセル(ステップ1)を、エタロンピットを上に向けてテーブルに置きます。 Oリング(10 mm x 1 mm、 材料表を参照)をエタロンピットに挿入し、指定された溝に少し押し込みます。 反射面を上に向けてビームスプリッターをエタロンピットとOリングに配置します。 ピンセットを使用して、2つのスペーサーをビームスプリッターに慎重に配置します。セルの片側から反対側に走る貫通穴 から 空気キャビティに入るガスと励起レーザーの明確な開口部を生成するようにそれらを配置します(図2、番号3)。注意: 図3Bに示すように、スペーサーを両側に配置して、中央に空気キャビティを確保する必要があります。平行な表面を傷つけないように、側面のスペーサーのみをつかんでください。 スペーサーが所定の位置にあるら、反射面を下に向けて、ミラーをスペーサーの上に合わせます。ビームスプリッター、スペーサー、ミラーを同心円状に位置合わせする必要があります。 3Dプリントされたエタロンキャップを取り、両方のOリング(10 mm x 1 mmと14 mm x 2 mm)を指定された溝に入れます。 キャップをセルの長方形の溝に合わせ、ミラーの上に置きます。スペーサーを所定の位置に固定するために、キャップに圧力をかけます。常にキャップに圧力をかけながらセルを持ち上げ、背面から指定された穴に4本のM4ネジを挿入します。 前面に4つのM4ナットで取り付け、キャップからの圧力がスペーサーを所定の位置に保持するのに十分になり、Oリングが十分に圧縮されるまで締めます。 スペーサーがまだ所定の位置にあるかどうかを確認します。もしそうなら、エタロンはさらに使用する準備ができています。 2つの追加の3Dプリントキャップを使用して、セルを気密にするために測定セルの側面にレーザーウィンドウを取り付けます。したがって、Oリング(10 mm x 1 mm)をセルの指定された溝に配置し、別の1つ(10 mm x 1 mm)をキャップに配置します。ウィンドウを溝に置き、図2の番号 2に示すように、4本のM3ネジとナットでウィンドウキャップを固定します。 図3:測定セルとFPEのレンダリング 。 (A)3DプリントされたセルとFPEの組み立てプロセスのレンダリングと、対応する取り付けキャップ付き。(B)バルク光学部品を正しい順序でレンダリングする。スペーサーは、2つの鏡面の間に空気間隔の空洞を作成します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 4. ファイバーアライメントプラットフォームの組み立て 材料の表にリストされているようにステージとアダプタープレートを組み立てます。建設中の方向として図4を使用します。 最初の単軸ゴニオメトリックステージを光学ブレッドボードにx方向に取り付けます。注:軸の命名法は任意に選択されました。光学ブレッドボード平面は x-y 平面として定義され、垂直方向はブレッドボードの外側を正の z 方向に向いています。 使用するステージに応じて、必要に応じて、ゴニオメトリックステージの上にアダプタープレートを取り付けます。アダプタープレートの上部の中央に2軸x-yマイクロメータ並進ステージを取り付けます。 直角ブラケットを Y 方向を向いた平行移動ステージに取り付けます。 1 軸並進ステージを Z 方向の直角ブラケットに取り付けます。 追加のアダプタープレートを使用して、2番目のゴニオメトリックステージを並進ステージのz方向に取り付けます。 ファイバーフェルールclを取り付けますamp ポストの上に。ファイバーフェルールが2番目の垂直ゴニオメトリックステージの回転点に正確にくるように、ポストの長さを選択します。距離はステージのマニュアルに記載されています。 ファイバーフェルールの外径は2.8mmです。この直径のクランプがない場合は、2.5 mmクランプを使用し、ドリルで幅を広げます。 フェルールクランプを使用してポストを取り付けます ステップ4.2の最初の水平ゴニオメトリックステージの回転点に対応するz位置に、2番目の垂直ゴニオメトリックステージ。フェルールスリーブとGRINレンズがフェルールクランプから負のz方向に数ミリメートル突き出ていることを確認します。 GRINレンズの先端がゴニオメトリックステージの回転点になるように、ポストの垂直位置を選択します。 エタロンを取り付けるには、支柱を取り、直角ブラケットを取り付け、標準のSM1ネジ付き30mmケージプレートを取り付けます。4本のケージロッド(>40 mm)を正のz方向を向いたプレートに取り付けます。 ケージロッドの直径よりわずかに大きい内径の4つの金属スプリングを取り、各ケージロッドに1つずつ配置します。FPEを内蔵した測定セルをロッドにスライドさせ、ビームスプリッタ側を上に向けてスプリングに載せます。注: セルが Z 方向に自由に移動できることを確認します。摩擦が高すぎる場合は、ケージロッド用のセルの貫通穴をさらに広げる必要があります。これは、ラウンドファイルで行うのが最適です。 ポストホルダー、ベースプレート、クランプフォーク を介して 、ファイバーアライメントプラットフォームのすぐ下にポストを取り付けます。ビームスプリッターを露出させるセルの開口部が、フェルールホルダーの約10mm下の中心にあることを確認します(ステップ4.5)。 図4:UV硬化プロセス中のGRINレンズ結合FPEとのアライメントプラットフォームの写真。 灰色で書かれたコンポーネントはPTI測定用であり、アライメントプロセスには必要ありません。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 5.オプトエレクトロニクスセットアップ 材料の表にリストされているようにオプトエレクトロニクスコンポーネントを組み立て、図5に概略的に示すように配置します。 対応するコンポーネントトレイを使用して、光ファイバーコンポーネントを光ブレッドボードに取り付けます。 レーザーをレーザーダイオードマウントに取り付けます。レーザー光源をレーザードライバーと、変調機能(三角変調)が統合されたTEC(熱電冷却器)コントローラーに接続します。それ以外の場合は、追加の関数発生器が必要です。 エタロンの予想される半値幅をはるかに上回る波長範囲がカバーされるように、三角電流変調振幅を設定します(計算はディスカッションセクションにあります)。変調周波数を100Hz程度に設定します。 Lブラケット嵌合スリーブを使用して、レーザーの光出力をアイソレーター入力に接続します。 アイソレータの後に15dB光ファイバアッテネータを取り付け、1 x 2カプラの入力ポートに接続します。 90%の光パワーを持つカプラーの出力ポートを光サーキュレーターのポート1に接続します。 10%の光パワーを持つカプラの出力ポートを平衡検出器のリファレンスフォトダイオードに接続します。 サーキュレーターのポート2をピグテールフェルール-GRINレンズシステムに接続します。 ポート3を検出器の信号フォトダイオードに接続します。 バランス検出器を「自動バランス」モードに設定します。検出器の電気「信号」出力をBNCケーブルでオシロスコープの1チャンネルに接続します。 図5:アライメント手順のためのオプトエレクトロニクスセットアップの概略図。 赤い線は光ファイバー、黒い線は電子ケーブル、青い線はプローブレーザーです。ここではバランス検出器が使用されますが、これは従来の光検出器に置き換えることができます。したがって、1×2カプラーは省略することができる。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 6. ファイバー-GRINレンズアライメント フェルールクランプをポストに取り付け、ポストホルダー を介して 光学ブレッドボードに固定します。 ファイバーフェルールスリーブをフェルールクランプに固定します。手順4.6で述べたように、必要に応じてドリルでフェルールクランプを広げます。 ピペットにUV硬化型接着剤を充填します(材料表を参照)。注意: バルク光学部品とUV硬化接着剤を取り扱うときは、手袋と眼鏡を着用してください。 ピグテールファイバーフェルールを取り、フェルールの側面に接着剤を一滴加えます。フェルールの前面を清潔に保ちます。 フェルールをフェルールスリーブに挿入します。GRINレンズの前端がフェルールスリーブの外側に少なくとも1〜2mmになるように、フェルールを十分に深く挿入してください。 UVランプ(~10秒)で非常に迅速なプリキュアを適用します。フェルールの前端の接着剤を硬化させることなく、フェルールをスリーブに固定するために、裏側(フェルールのファイバー端)からのみ光を当ててください。 GRINレンズを取り、くさび面を見つけます。これは顕微鏡で、または単にそれを回すことによって行うことができます。これにより、8°のくさび形側が見えるようになります。 GRINレンズのくさび形の端にドロップ接着剤を塗布し、フェルールスリーブに挿入します。注意: わずかな圧力を加えることにより、空気はフェルールとGRINレンズの間の空洞から出ます。2つの表面の間に気泡が閉じ込められていない可能性があります。ある場合は、わずかな回転が役立ちます。それ以外の場合は、GRINレンズを取り外し、手順6.8を繰り返します。 2つの角度の付いた面が平行になるまで、GRINレンズを慎重に回転させます。 ビームアナライザーをGRINレンズの約150mm前に取り付けます。ビームアナライザーがない場合は、前面にピンホールのあるパワーメーターを使用できます。 ピグテールフェルールを適切な波長のレーザーに接続します。レーザーをオンにします。注意: レーザーの安全対策を講じる必要があります。 ピンセットを使用して、GRINレンズをフェルールスリーブから少し動かし、フェルールとGRINレンズの間の距離を変更します。この距離は、システムの焦点距離を設定するために重要です。GRINレンズを動かしながら、ビーム形状(または光パワー)を常に監視してください。注意: 短いプリキュア(~10秒)は、アライメントプロセスが不安定すぎる場合に役立ちます。 システムが目的の最適に焦点を合わせたら、UV光に約10分間さらして最終硬化を適用します。 硬化後、フェルールスリーブをクランプから取り外します。この時点で、さらに使用する準備が整いました。 7. ファイバー-エタロンアライメント ステップ5のピグテールフェルールとGRINレンズシステムを取り、ステップ4.5のフェルールクランプで取り付けます。 Z 方向の移動ステージが最大の高さまで移動し、他のすべてのステージがニュートラル (中央) の位置にあることを確認します。 その下のセルを揃えます。GRINレンズが開口部の中心を直接向いていることを確認してください。セルの位置をGRINレンズより少し下の高さ(約5mm)に固定します。 ピペットでGRINレンズの前端に1〜2滴の接着剤を塗布します。 ビームスプリッタの反射防止コーティング面との接触が確保されるまで、平行移動段をz方向に下げます。十分な圧力がかかり、スプリングに十分な張力がかかるまで、GRINレンズを下げ続けます。注意: これにより、位置合わせの傾斜プロセス中にGRINレンズとビームスプリッターの間の接触が維持されます。必要な圧力の量はセットアップによって異なり、合理的な反射率関数が観察できない場合は、アライメント中に調整できます。経験上、通常、圧力が大きいほどアライメントプロセスに役立ちます。 変調レーザーとオシロスコープの電源を入れます。アライメントプロセスを開始するときは、オシロスコープの分解能が可能な限り高いことを確認してください 。モジュレーションの2〜3周期が表示されるように時間分解能を設定します。 GRINレンズがビームスプリッター表面に正常に向いていることを確認して、位置合わせプロセスを開始します。これは、目視検査を行い、それに応じてゴニオメトリックステージを回転させることによって行うことができます。これはゼロ位置になりました。 段階的に、一方のゴニオメトリックステージをわずかに偏向させてから、もう一方のゴニオメトリックステージをゼロ位置の周りに動かします。オシロスコープで変化が見られない場合は、最初のゴニオメトリック段をもう少し偏向させ、オシロスコープで三角変調が見えるようになるまでこの反復プロセスを繰り返します。 ステージの移動後に信号のヒステリシスが観察された場合は、すべてのコンポーネントが正しく固定されているかどうかを確認してください。注意: Zステージを下に移動することによって引き起こされる圧力の増加も役立ちます。観測された信号が予想ほど強くない場合、後方反射はエタロンの表面の1つまたは反射率関数の周辺ピークの1つから発生する可能性があります。経験則として、70%のビームスプリッターと完全に反射するミラーを使用すると、観察されるピーク反射は、エタロンに導入された光パワーの25%のオーダーになります。 強い後方反射が観測されたら、オシロスコープの分解能を調整し、エタロンの反射率関数のピークが三角形の変調スロープの中心になるようにします(図6)。ピークが斜面の中心になるまでレーザーの温度を変えて、エタロンのピークを調整します。 ピーク強度(最小電圧)を最大化すると同時に、ゴニオメトリックステージのわずかな動きによって三角変調のピークツーピーク比を最大化するようにしてください。 位置合わせが終了したら、UVランプをGRINレンズの近くに取り付けます。セルフセンタリングレンズマウントを45°の角度で使用します。 硬化を段階的に行う。まず、ステップ7.4ですでに塗布されている接着剤を硬化させます。オシロスコープの反射率関数を監視し続けます。硬化が接着剤の収縮による配向の劣化につながる場合は、ゴニオメトリックステージをわずかに調整します。 5〜10分後、UVランプをオフにし、GRINレンズに触れずに周囲に接着剤をさらに塗布します。接着剤をさらに5〜10分間UV光にさらします。セルの開口部が接着剤の均質な層で完全に満たされるまで、この手順を繰り返します。最終硬化を1時間以上行います。 接着されたコンポーネントを適切に接続するには、セットアップ全体を1週間休ませるか、可能であれば、接着ジョイントを60°Cで1時間焼き戻します。 これで、フェルールスリーブをクランプから取り外すことができます。したがって、ばねが完全に緩和されるまで、平行移動ステージを正の Z 方向に移動します。フェルール-GRINレンズシステムへのストレスを避けてください。clを開きますamps、取り外します。これで、エタロンが完成し、さらに使用する準備が整いました。 図6:例示的な汎用オシロスコープ信号 緑では良好な位置合わせが示され、黄色では悪い位置合わせが示されています。アライメントが良いほど、三角変調のピークツーピーク比が高くなり、反射率ピーク(谷)がゼロに近づきます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 8.エタロンの特性評価 製造されたエタロンの評価には、手順5で説明したのと同じ光ファイバーセットアップを使用します。レーザーを段階的に温度調整し、十分なデータロギングレートで測定できる測定システムを使用してください。メモ: ここでは FPGA ベースのシステムを使用しています (「材料表」を参照)。 理論上のFSRを計算します。使用するレーザーに応じて(温度調整係数を参照)、少なくとも2つのFSRに対応する温度掃引を実行します。 温度を段階的に上げ(~0.005°C刻み)、TECを2〜3秒間セトリングさせてから、毎回さらに2〜3秒間測定します。 任意の数値計算プログラムでデータを処理します。ピークファインダを内蔵した信号処理ライブラリを使用できます。後続の2つのピーク間の距離はFSRを表します。半値の高さでのピークの幅を評価して、半値幅を計算します。注:FSRとFWHMの計算はデータ形式に大きく依存するため、ここではコードは示されていませんが、要求に応じて作成者が利用できるようにすることができます。 レーザーの温度調整係数を使用して、温度を波長に変換します。 測定値からFSRとFWHMを計算します(図7)。 次の式で、作製したFPEのフィネスを計算します。.