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

Fabricación de un Etalon Fabry-Pérot de bajo costo, acoplado a fibra y espaciado por aire

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

Este protocolo describe la construcción de un etalon Fabry-Perot discreto, acoplado a fibra y espaciado por aire de bajo costo con diversas aplicaciones, como en espectroscopia de gases traza. La fabricación es posible en cualquier instalación con equipos de laboratorio óptico estándar disponibles.

Abstract

Los etalones Fabry-Pérot (FPE) han encontrado su camino en muchas aplicaciones. En campos como la espectroscopia, las telecomunicaciones y la astronomía, los FPE se utilizan por su alta sensibilidad, así como por su excepcional capacidad de filtrado. Sin embargo, los etalones espaciados por aire con alta delicadeza generalmente son construidos por instalaciones especializadas. Su producción requiere una sala limpia, manejo especial de vidrio y maquinaria de recubrimiento, lo que significa que los FPE disponibles comercialmente se venden a un precio alto. En este artículo, se presenta un método nuevo y rentable para fabricar FPE acoplados a fibra con equipos de laboratorio fotónicos estándar. El protocolo debe servir como una guía paso a paso para la construcción y caracterización de estos FPE. Esperamos que esto permita a los investigadores realizar prototipos rápidos y rentables de FPE para diversos campos de aplicación. El FPE, tal como se presenta aquí, se utiliza para aplicaciones espectroscópicas. Como se muestra en la sección de resultados representativos a través de la prueba de las mediciones principales de vapor de agua en el aire ambiente, este FPE tiene una delicadeza de 15, que es suficiente para la detección fototérmica de concentraciones traza de gases.

Introduction

En su forma más básica, un FPE consiste en dos superficies de espejo parcialmente^{paralelas que} reflejan 1. En las siguientes explicaciones, cuando se hace referencia a espejos, el sustrato óptico y el recubrimiento reflectante se abordan como uno solo. En la mayoría de las aplicaciones, los espejos utilizados cuentan con una superficie acuñada² para evitar efectos etalon no deseados. La Figura 1 ilustra la formación del patrón de interferencia de un etalón espaciado por aire (Figura 1A), así como la función de reflectancia para diferentes reflectividades de espejo (Figura 1B).

La luz entra en la cavidad a través de un espejo, sufre múltiples reflejos y sale de la cavidad por reflexión y transmisión. Como este artículo se centra en la fabricación de un FPE operado en reflectancia, las explicaciones adicionales se refieren específicamente a la reflexión. Las ondas que salen de la cavidad interfieren, dependiendo de la diferencia de fase, q = 4πnd/λ. Aquí, n es el índice de refracción dentro de la cavidad, d es el espaciado del espejo y λ es la longitud de onda de la fuente de luz del interferómetro, aquí llamada láser de sonda. Una reflectancia mínima se produce cuando la diferencia de trayectoria óptica coincide con el múltiplo entero de la longitud de onda, . La delicadeza de un etalón plano-paralelo ideal está determinada por las reflectividades del espejo R₁ y R₂ solo³:

Sin embargo, un etalon real está sujeto a muchas pérdidas, que degradan la finura teóricamente alcanzable ^4,5,6. La desviación del paralelismo del espejo⁷, la incidencia no normal del rayo láser, la forma del haz⁸, las impurezas de la superficie del espejo y la dispersión, entre otros, conducen a una reducción en la delicadeza. El patrón de interferencia característico puede ser descrito por la función Airy¹:

El ancho completo a la mitad máximo (FWHM), así como el rango espectral libre (FSR) de la función de reflectancia, se pueden calcular de la siguiente manera:

Figura 1: Teoría del interferómetro Fabry-Pérot . (A) Una representación esquemática de la interferencia multihaz para un etalon espaciado por aire con ventanas acuñadas. Una onda plana, E₀, entra en la cavidad bajo un cierto ángulo, φ, a través de una superficie recubierta de antirreflectante (AR) y posteriormente sufre múltiples reflexiones entre las superficies altamente reflectantes (R alta) espaciadas a distancia, d. Con cada reflexión, parte de la luz se acopla del etalon ya sea en transmisión o reflexión, donde interfiere con las otras ondas. (B) La función de reflectancia de un etalon Fabry-Pérot ideal para diferentes reflectividades de espejo (eje y). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Los FPE se pueden encontrar en una amplia gama de aplicaciones 9,10,11. En el caso presentado aquí, el FPE se utiliza en una configuración de interferometría fototérmica (PTI). En PTI, la densidad pequeña y, por lo tanto, los cambios en el índice de refracción, inducidos por la excitación periódica seguida de la termalización rápida de un gas objetivo a través de un segundo láser, se miden interferométricamente¹². La cantidad de calor y, por lo tanto, la magnitud del cambio del índice de refracción son proporcionales a la concentración de gas. Al medir la intensidad de la función de reflectancia del FPE en su punto más pronunciado (punto de operación), estos cambios en el índice de refracción cambian la función de reflectancia, alterando así la intensidad medida. Como se puede suponer que la función de reflectancia es lineal en la región alrededor del punto de operación, la señal medida es proporcional a la concentración de gas. La sensibilidad del sensor está determinada por la pendiente de la función de reflectancia y, por lo tanto, es proporcional a la delicadeza. La PTI, en combinación con las FPE, ha demostrado ser un método sensible y selectivo para detectar trazas de gases y aerosoles 13,14,15,16,17,18. En el pasado, muchos sensores para mediciones de presión y acústicas se basaban en el uso de partes móviles, como membranas, sustituyendo el segundo espejo del FPE¹⁹. Las deflexiones de la membrana conducen a un cambio en la distancia del espejo y, por lo tanto, en la longitud de la trayectoria óptica. Estos instrumentos tienen la desventaja de ser propensos a vibraciones mecánicas. En los últimos años, el desarrollo de micrófonos ópticos que utilizan FPE sólidos ha alcanzado un nivel comercial²⁰. Al abstenerse del uso de piezas móviles, el mensurando cambió de distancia al índice de refracción dentro de la cavidad de Fabry-Pérot, aumentando significativamente la robustez de los sensores.

Los FPE espaciados por aire disponibles comercialmente cuestan más allá de lo que es aceptable para la creación de prototipos y pruebas, así como para la integración de instrumentos de producción de alto volumen. La mayoría de las publicaciones científicas que construyen y usan tales FPE discuten el tema de la fabricación solo mínimamente^21,22. En la mayoría de los casos, se necesitan equipos y máquinas específicos (por ejemplo, salas limpias, instalaciones de revestimiento, etc.); por ejemplo, para FPE totalmente integrados en fibra, es necesario un equipo especial de micromecanizado. Para reducir los costos de fabricación y permitir la prueba de múltiples configuraciones FPE diferentes para mejorar su idoneidad para configuraciones PTI, se desarrolló un nuevo método de fabricación, que se describe en detalle en el siguiente protocolo. Al utilizar solo componentes de fibra óptica a granel y telecomunicaciones disponibles comercialmente, los costos de fabricación podrían reducirse a menos de € 400 euros. Todas las instalaciones que trabajan con equipos fotónicos estándar deben ser capaces de reproducir nuestro esquema de fabricación y adaptarlo a sus aplicaciones.

Protocol

1. Impresión tridimensional de la celda de medición Adapte la celda de medición, como se indica en el Archivo de codificación complementaria 1, a su aplicación. Imprima tridimensionalmente la celda, así como las tapas, dadas en los Archivos de codificación suplementarios 1-3, para montar los materiales ópticos a granel.NOTA: Se utilizó una impresora 3D SLA para el presente estudio (ver Tabla de materiales). Al generar el trabajo de impresión, asegúrese de minimizar el número de estructuras de soporte dentro de las cavidades y aberturas. La resina residual puede reducir el diámetro y la óptica a granel puede atascarse. Después de imprimir, limpie la celda con alcohol isopropílico y retire todas las estructuras de soporte con un cortador de alambre y papel de lija. Enhebra los orificios apropiados justo después de imprimir y antes de curar.Enrosque la entrada y salida de gas como M5 para montar el conector de la manguera. Enhebra el orificio central en la parte inferior como M4 para el montaje posterior de la celda. Enhebra los orificios pasantes más pequeños perpendicularmente en los orificios pasantes de la varilla de la jaula como M3 para permitir la fijación de la celda al sistema de jaula (Figura 2). Curado UV de la célula (405 nm) y las tapas a 60 °C durante al menos 40 minutos utilizando un dispositivo de curado UV disponible en el mercado (consulte la Tabla de materiales). Figura 2: Representación del modelo CAD etiquetado de la celda de medición. Aquí se proporciona una vista seccional para mayor claridad. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 2. Preparación de los espaciadores Corte dos espaciadores de una ventana de precisión de sílice fundida UV (UVFS). Recorte dos piezas de aproximadamente 3 mm de ancho de la ventana de precisión, como se muestra en la Figura 3B.NOTA: Los espaciadores se pueden cortar utilizando un cortador de vidrio convencional de bajo costo (consulte la Tabla de materiales).PRECAUCIÓN: Use guantes y gafas protectoras mientras corta y manipula la óptica a granel. Escriba una línea recta en la ventana de precisión con la herramienta de corte y luego rompa el vidrio con alicates. Siempre use alicates con superficies planas y coloque pañuelos de limpieza de lentes (o similares) entre el metal y el vidrio para evitar daños en la superficie del vidrio. Limpie los espaciadores con un aerosol de plumero para eliminar los residuos de vidrio.NOTA: Además, los espaciadores se pueden limpiar cuidadosamente con líquido de limpieza de lentes, así como con pañuelos de limpieza de lentes sin aplicar presión. 3. Montaje del etalon Coloque la celda impresa en 3D (paso 1) sobre la mesa con el pozo etalon hacia arriba. Inserte una junta tórica (10 mm x 1 mm, consulte Tabla de materiales) en el pozo de etalon y presiónela ligeramente en la ranura designada. Coloque el divisor de haz con la superficie reflectante hacia arriba en el pozo etalon y sobre la junta tórica. Coloque cuidadosamente los dos espaciadores en el divisor de haz con una pinza. Colóquelos de una manera que genere una apertura clara para el gas y el láser de excitación, que ingresa a la cavidad de aire a través del orificio pasante que va de un lado de la celda al otro (Figura 2, número 3).NOTA: Los espaciadores deben colocarse a cada lado para obtener una cavidad de aire en el medio, como se muestra en la Figura 3B. Solo agarre los espaciadores en las superficies laterales para evitar rayar las superficies paralelas. Cuando los espaciadores estén en su lugar, alinee el espejo encima de ellos, con el lado reflectante hacia abajo. El divisor de haz, los espaciadores y el espejo tienen que estar alineados concéntricamente ahora. Tome la tapa etalon impresa en 3D y coloque ambas juntas tóricas (10 mm x 1 mm y 14 mm x 2 mm) en las ranuras designadas. Alinee la tapa con la ranura rectangular de la celda y colóquela encima del espejo.Aplique presión sobre la tapa para fijar los espaciadores en su lugar. Levante la celda mientras siempre aplica presión sobre la tapa e inserte cuatro tornillos M4 a través de los orificios designados desde la parte posterior. Móntelos con cuatro tuercas M4 en la parte frontal y apriételos hasta que la presión de la tapa sea suficiente para mantener los espaciadores en su lugar y las juntas tóricas estén lo suficientemente comprimidas. Compruebe si los espaciadores todavía están en su lugar; Si es así, el Etalon ya está listo para su uso posterior. Utilice las dos tapas adicionales impresas en 3D para montar ventanas láser en el costado de la celda de medición con el fin de hacer que la celda sea hermética. Por lo tanto, coloque una junta tórica (10 mm x 1 mm) en la ranura designada en la celda y otra (10 mm x 1 mm) en la tapa. Coloque la ventana en la ranura y fije la tapa de la ventana con cuatro tornillos y tuercas M3, como se muestra en la Figura 2, número 2). Figura 3: Representación de la celda de medición y el FPE. (A) Representación del proceso de ensamblaje de la celda impresa en 3D, así como del FPE con la tapa de montaje correspondiente. (B) Representación de los componentes ópticos a granel en el orden correcto. Los espaciadores crean una cavidad espaciada por el aire entre las dos superficies del espejo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 4. Montaje de la plataforma de alineación de fibras Ensamble las etapas y las placas adaptadoras como se indica en la Tabla de materiales. Utilice la Figura 4 como orientación durante la construcción. Monte la primera etapa goniométrica de un solo eje en una placa de pruebas óptica en la dirección x.NOTA: La nomenclatura del eje fue elegida arbitrariamente. El plano óptico de la placa de pruebas se define como un plano x-y, con la dirección vertical mirando hacia fuera de la placa de pruebas en una dirección z positiva. Dependiendo de las etapas utilizadas, monte una placa adaptadora en la parte superior de la etapa goniométrica, si es necesario.Monte una etapa de traslación de micrómetro x-y de dos ejes central en la parte superior de la placa adaptadora. Monte un soporte en ángulo recto en la etapa de traslación orientada en la dirección y. Monte una etapa de traslación de un solo eje en el soporte en ángulo recto en la dirección z. Con placas adaptadoras adicionales, monte la segunda etapa goniométrica en la dirección z en la etapa de traslación. Coloque una abrazadera de virola de fibra en la parte superior de un poste. Elija la longitud del poste para que la virola de fibra esté exactamente en el punto de rotación de la segunda etapa goniométrica vertical. La distancia se indica en el manual de la etapa. El diámetro exterior de la virola de fibra es de 2,8 mm. Si no hay una abrazadera disponible para este diámetro, utilice una abrazadera de 2,5 mm y ensanche con un taladro. Monte el poste con la abrazadera de virola en la segunda etapa goniométrica vertical en una posición z correspondiente al punto de rotación de la primera etapa goniométrica horizontal del paso 4.2.Asegúrese de que el manguito de la virola y la lente GRIN sobresalgan de la abrazadera de la virola unos milímetros en la dirección z negativa. Elija la posición vertical del poste para que la punta de la lente GRIN esté en el punto de rotación de la etapa goniométrica. Para montar el etalon, tome un poste, monte un soporte en ángulo recto sobre él y coloque una placa de jaula SM1 roscada estándar de 30 mm en él. Monte cuatro varillas de jaula (>40 mm) en la placa orientada en la dirección z positiva. Tome cuatro resortes metálicos con un diámetro interior ligeramente mayor que el diámetro de la varilla de la jaula y coloque uno en cada varilla de la jaula. Deslice la célula de medición con FPE integrado sobre las varillas con el lado del divisor de haz hacia arriba hasta que descanse sobre los resortes.NOTA: Asegúrese de que la celda pueda moverse libremente en la dirección z. Si la fricción es demasiado alta, es necesario ensanchar adicionalmente los orificios pasantes de la celda para las varillas de la jaula. Esto se hace mejor con un archivo redondo. Monte el poste, a través de un soporte para postes, una placa base y un tenedor de sujeción, justo debajo de la plataforma de alineación de fibra. Asegúrese de que la abertura de la celda, exponiendo el divisor de haz, esté centrada aproximadamente 10 mm por debajo del soporte de la virola (paso 4.5). Figura 4: Imagen de la plataforma de alineación con el FPE acoplado a lente GRIN durante el proceso de curado UV. Los componentes escritos en gris son para mediciones PTI y no son necesarios para el proceso de alineación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 5. Configuración optoelectrónica Ensamble los componentes optoelectrónicos como se enumeran en la Tabla de materiales y organícelos como se muestra esquemáticamente en la Figura 5. Monte los componentes de fibra óptica en una placa de pruebas óptica utilizando las bandejas de componentes correspondientes. Monte el láser en un soporte de diodo láser. Conecte la fuente láser a un controlador láser y un controlador TEC (enfriador termoeléctrico) con una función de modulación integrada (modulación triangular); de lo contrario, es necesario un generador de funciones adicional. Establezca la amplitud de modulación de corriente triangular de manera que se cubra un rango de longitud de onda que esté muy por encima del FWHM esperado del etalon (los cálculos se pueden encontrar en la sección de discusión). Ajuste la frecuencia de modulación a alrededor de 100 Hz. Conecte la salida óptica del láser a la entrada del aislador mediante manguitos de acoplamiento de soporte en L. Monte un atenuador de fibra óptica de 15 dB después del aislador y conéctelo al puerto de entrada del acoplador 1 x 2. Conecte el puerto de salida del acoplador con un 90% de potencia óptica al puerto 1 del circulador óptico. Conecte el puerto de salida del acoplador con un 10% de potencia óptica al fotodiodo de referencia del detector balanceado. Conecte el puerto 2 del circulador al sistema de lentes GRIN de virola con coleta. Conecte el puerto 3 al fotodiodo de señal del detector. Ajuste el detector balanceado en modo “Auto-Balanced”. Conecte la salida eléctrica “Signal” del detector a un canal del osciloscopio con un cable BNC. Figura 5: Esquema de la configuración optoelectrónica para el procedimiento de alineación. Las líneas rojas representan fibras ópticas, las líneas negras son cables electrónicos y el haz azul es el láser de sonda. Aquí se utiliza un detector equilibrado, pero esto puede ser reemplazado por un fotodetector convencional. Por lo tanto, se puede omitir el acoplador 1 x 2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 6. Alineación de lentes Fiber-GRIN Monte la abrazadera de virola en un poste y fíjela a través de un soporte de poste en una placa de pruebas óptica. Fije el manguito de la virola de fibra en una abrazadera de virola. Como se mencionó en el paso 4.6, ensanche la abrazadera de virola con un taladro si es necesario. Llene una pipeta con adhesivo de curado UV (consulte la Tabla de materiales).PRECAUCIÓN: Use guantes y gafas mientras manipula la óptica a granel, así como el adhesivo de curado UV. Tome la virola de fibra con coleta y agregue una gota de adhesivo en la superficie lateral de la virola. Mantenga limpia la superficie frontal de la virola. Inserte la virola en el manguito de la virola. Asegúrese de insertar la virola lo suficientemente profundo para que el extremo frontal de la lente GRIN esté al menos 1-2 mm fuera del manguito de la virola. Aplicar un precurado muy rápido con una lámpara UV (~10 s). Solo haga brillar la luz desde la parte posterior (extremo de fibra de la virola) para fijar la virola al manguito sin endurecer ningún adhesivo en el extremo frontal de la virola. Tome la lente GRIN y encuentre el lado encajado. Esto se puede hacer con un microscopio o simplemente girándolo. De este modo, el lado de 8° encajado se hace visible. Aplique un adhesivo de gota en el extremo cuñado de la lente GRIN e insértelo en el manguito de la virola.NOTA: Al aplicar una ligera presión, el aire sale de la cavidad entre la virola y la lente GRIN. Es posible que no haya burbujas de aire encerradas entre las dos superficies. Si los hay, un ligero giro puede ayudar; de lo contrario, retire la lente GRIN y repita el paso 6.8. Gire la lente GRIN con cuidado hasta que las dos superficies en ángulo estén paralelas. Monte un analizador de haz aproximadamente 150 mm delante de la lente GRIN. Si no hay un analizador de haz disponible, se puede usar un medidor de potencia con un agujero de alfiler delante. Conecte la virola pigtailed a un láser con la longitud de onda adecuada. Encienda el láser.PRECAUCIÓN: Se deben tomar precauciones de seguridad con láser. Con unas pinzas, mueva ligeramente la lente GRIN fuera de la funda de la virola para cambiar la distancia entre la virola y la lente GRIN. Esta distancia es crucial para establecer la distancia focal del sistema. Mientras mueve la lente GRIN, monitoree constantemente la forma del haz (o potencia óptica).NOTA: Un precurado corto (~ 10 s) puede ayudar si el proceso de alineación es demasiado inestable. Cuando el sistema esté enfocado al óptimo deseado, aplique el curado final exponiéndolo a la luz UV durante aproximadamente 10 minutos. Después del curado, retire el manguito de la virola de la abrazadera; En este punto, está listo para su uso posterior. 7. Alineación fibra-etalon Tome la virola pigtailed y el sistema de lentes GRIN del paso 5, y móntelo con la abrazadera de virola del paso 4.5. Asegúrese de que la etapa de traslación en la dirección z se mueva a su altura máxima y que todas las demás etapas estén en posiciones neutras (centradas). Alinee la celda debajo de ella. Asegúrese de que la lente GRIN apunte directamente al centro de la abertura. Fije la posición de la celda a una altura ligeramente por debajo de la lente GRIN (aproximadamente 5 mm). Aplique una o dos gotas de adhesivo en el extremo frontal de la lente GRIN con la pipeta. Bajar la etapa de traslación en la dirección z hasta que se garantice el contacto con la superficie recubierta antirreflectante del divisor de haz. Continúe bajando la lente GRIN hasta que se aplique suficiente presión y los resortes estén bajo suficiente tensión.NOTA: Esto garantiza que el contacto entre la lente GRIN y el divisor de haz se mantenga durante el proceso de inclinación de la alineación. La cantidad de presión necesaria depende de la configuración y se puede ajustar durante la alineación si no se puede observar una función de reflectancia razonable. La experiencia ha demostrado que más presión generalmente ayuda al proceso de alineación. Encienda el láser modulado, así como el osciloscopio. Asegúrese de que el osciloscopio tenga la resolución más alta posible , al iniciar el proceso de alineación. Establezca la resolución de tiempo para que dos o tres períodos de la modulación sean visibles. Inicie el proceso de alineación asegurándose de que la lente GRIN apunte normalmente en la superficie del divisor de haz. Esto se puede hacer mediante inspección visual y girando las etapas goniométricas en consecuencia. Esta es ahora la posición cero. Paso a paso, desvíe ligeramente una etapa goniométrica y luego mueva la otra etapa goniométrica alrededor de la posición cero.Si no se puede observar ningún cambio en el osciloscopio, desvíe un poco más la primera etapa goniométrica y repita este proceso iterativo hasta que la modulación triangular se haga visible en el osciloscopio. Si observa una histéresis de la señal después de los movimientos de las etapas, verifique si todos los componentes están fijados correctamente.NOTA: Un aumento en la presión causado por mover la etapa z hacia abajo también puede ayudar. Si la señal observada no es tan fuerte como se esperaba, la reflexión posterior podría provenir de una de las superficies del etalon o de uno de los picos periféricos de la función de reflectancia. Como regla general, con un divisor de haz del 70% y un espejo totalmente reflectante, las reflexiones máximas observadas son del orden del 25% de la potencia óptica introducida en el etalon. Una vez que se observa una fuerte reflexión hacia atrás, ajuste la resolución del osciloscopio y asegúrese de que el pico de la función de reflectancia del etalon se encuentre en el centro de las pendientes de modulación triangular (Figura 6). Sintoniza el pico del etalon cambiando la temperatura del láser hasta que el pico se centre en la pendiente. Trate de maximizar la fuerza del pico (voltaje mínimo) mientras maximiza simultáneamente la relación pico-pico de la modulación triangular mediante ligeros movimientos de las etapas goniométricas. Cuando finalice el proceso de alineación, monte la lámpara UV cerca de la lente GRIN. Utilice una montura de lente autocentrada en un ángulo de 45°. Realice el curado paso a paso. Primero, cure el adhesivo que ya se ha aplicado en el paso 7.4. Siga monitoreando la función de reflectancia en el osciloscopio. Si el curado conduce a una degradación de la alineación debido a la contracción del adhesivo, ajuste ligeramente las etapas goniométricas. Después de 5-10 minutos, apague la lámpara UV y aplique más adhesivo alrededor de la lente GRIN sin tocarla. Exponga el adhesivo a la luz UV durante otros 5-10 minutos. Repita este paso hasta que la abertura de la celda esté completamente llena con una capa homogénea de adhesivo. Realizar la curación final durante más de 1 h. Para garantizar una conexión adecuada de los componentes pegados, deje reposar toda la configuración durante 1 semana o atempere la junta adhesiva a 60 °C durante 1 h, si es posible. Ahora, el manguito de la virola se puede quitar de la abrazadera. Por lo tanto, mueva la etapa de traslación en una dirección z positiva hasta que los resortes estén completamente relajados. Evite cualquier estrés en el sistema de lentes virola-GRIN; Abra la abrazadera y retírela. Ahora, el etalon está terminado y listo para su uso posterior. Figura 6: Señal de osciloscopio genérico ejemplar. En verde, se representa una buena alineación, y en amarillo, se muestra una peor. Cuanto mejor sea la alineación, mayor será la relación pico-pico de la modulación triangular, y más el pico de reflectancia (valle) se acercará a cero. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 8. Caracterización de Etalon Para la evaluación del etalon producido, utilice la misma configuración de fibra óptica que se describe en el paso 5. Utilice un sistema de medición capaz de ajustar la temperatura del láser paso a paso y con una tasa de registro de datos suficiente.NOTA: Aquí se utiliza un sistema basado en FPGA (consulte la Tabla de materiales). Calcular el FSR teórico. Dependiendo del láser utilizado (consulte el coeficiente de ajuste de temperatura), realice un barrido de temperatura correspondiente a al menos dos FSR. Aumente la temperatura paso a paso (incrementos de ~0.005 °C) y deje que el TEC se asiente durante 2-3 s antes de medir durante otros 2-3 s cada vez. Procese los datos con cualquier programa de cálculo numérico. Utilice cualquier biblioteca de procesamiento de señales con un buscador de picos integrado. La distancia entre dos picos posteriores representa el FSR. Calcule el FWHM evaluando el ancho del pico a su media altura.NOTA: Como el cálculo de FSR y FWHM depende en gran medida del formato de datos, no se proporciona ningún código aquí, pero el autor puede ponerlo a disposición previa solicitud. Convierta la temperatura en longitud de onda utilizando el coeficiente de ajuste de temperatura del láser. Calcule el FSR así como el FWHM a partir de las mediciones (Figura 7). Calcule la delicadeza del FPE fabricado con la siguiente fórmula:.

Representative Results

Como se puede ver en la Figura 7, se podría fabricar un FPE con una función de reflectancia bien definida. Figura 7: Función de reflectancia medida del FPE terminado. Se realizó un barrido de temperatura, correspondiente a un barrido de longitud de onda del láser, para medir la función de reflectancia del FPE. Esto se utiliza para evaluar métricas como el ancho completo a la mitad máximo (FWHM) y el rango espectral libre (FSR) del dispositivo fabricado. La reflectancia relativa se refiere a la proporción relativa de luz que se refleja de nuevo en la fibra después de pasar el FPE. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Las métricas medidas del FPE se enumeran en la Tabla 1 y se comparan con los valores calculados de un etalon ideal con las mismas especificaciones. Las fórmulas para un FPE ideal se pueden encontrar en la sección de introducción. Medido Ideal FPE Fineza 12.8 17.1 FWHM 0,0268 nm 0,0234 nm FSR 0,3441 nm 0,4004 nm Sensibilidad 14 1/nm 21 1/nm Tabla 1: Comparación de las métricas medidas y calculadas del etalon FPE fabricado. Para validar la aptitud para una aplicación designada, el FPE se utiliza para mediciones PTI de vapor de agua en el aire ambiente. Por lo tanto, un láser de excitación con una longitud de onda de 1.364 nm se guía hacia la celda perpendicularmente al láser de sonda. Ambos láseres se cruzan dentro del FPE. El láser de excitación se modula sinusoidalmente con una frecuencia de 125 Hz. Al estabilizar el láser de sonda en la pendiente más pronunciada del FPE, a través de corriente constante, se logra la mayor sensibilidad del sensor. Para mediciones de vapor de agua, la celda funciona con ventanas abiertas y se expone al aire ambiente con una concentración de 13,762 ppmV, medida por un dispositivo de referencia (temperatura = 21.4 ° C, presión = 979.9 hPa, humedad relativa = 52.2%). La señal se extrae por medio de una transformada rápida de Fourier (FFT) y se compara con la señal de fondo con el láser de excitación apagado, como se muestra en la Figura 8. Se puede obtener una relación señal-ruido de más de 7.000, correspondiente a un límite de detección de aproximadamente 5 ppmV (3σ). Figura 8: Mediciones PTI de vapor de agua en el aire ambiente. En negro, se muestra la señal FFT de una medición con excitación láser de 125 Hz. En azul, se representa la señal de fondo sin excitación. El recuadro muestra el pico medido a 125 Hz con más detalle. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Archivo de codificación suplementario 1: Measurement_cell. SLDPRT. Archivo CAD para la celda de medición. La celda se puede adaptar a los requisitos de la aplicación específica y, posteriormente, imprimirse en 3D. Haga clic aquí para descargar este archivo. Archivo de codificación suplementario 2: cap_etalon. SLDPRT. Archivo CAD para fijar el etalon dentro de la celda de medición. Haga clic aquí para descargar este archivo. Archivo de codificación suplementario 3: cap_window. SLDPRT. Archivo CAD para fijar las ventanas láser en la celda de medición. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discussion

Como el FPE fabricado siguiendo el protocolo dado aquí está optimizado para una aplicación específica, las posibles adaptaciones y pasos críticos se explican en este capítulo. En primer lugar, el FPE y la celda de medición están diseñados para mediciones de PTI. Por lo tanto, se agrega a la celda una entrada y salida de gas, así como un canal para el láser de excitación, que es perpendicular al láser de sonda. Todas las aberturas de la celda se hacen herméticas a través de juntas tóricas y / o se cubren a través de ventanas UVFS para permitir la propagación del láser. Si se usa de manera diferente, la celda, como se indica en el Archivo de codificación suplementario 1, se puede rediseñar y adaptar a la aplicación específica. El enhebrado en el paso 1.4 se realiza después de la impresión. Los hilos también podrían imprimirse en 3D, pero como tienden a desgastarse rápidamente, solo se imprimen orificios con el diámetro de orificio del núcleo apropiado, y estos se roscan después.

La elección del material para los espaciadores en el paso 2.1 es crucial. El paralelismo de los espaciadores determina el paralelismo de los espejos etalon y, por lo tanto, influye en la delicadeza⁷. En este estudio se utilizó una ventana de precisión UVFS de 1/2 pulgada, como se proporciona en la Tabla de materiales, con un paralelismo de ≤5 segundos de arco y una planitud superficial de λ / 10 sobre la apertura clara. El coeficiente de expansión térmica de UVFS es 0.55 x 10⁻⁶/°C. La estabilidad de la temperatura se puede aumentar aún más utilizando, por ejemplo, espaciadores Zerodur⁵ , con un coeficiente de expansión térmica inferior a 0,1 x 10⁻⁶/°C; Sin embargo, esto tiene la desventaja de costos más altos.

El FPE está formado por un espejo totalmente reflectante, así como un divisor de haz. El divisor de haz tiene una superficie reflectante del 70%, así como una parte posterior con revestimiento antirreflectante. Esto permite el acoplamiento de la luz dentro y fuera del etalon. Además, el sustrato del divisor de haz presenta un lado encajado para evitar efectos etalon no deseados. La parte posterior del espejo está rugosa por las mismas razones.

En el paso 5.1, se describe la configuración optoelectrónica para rastrear el proceso de alineación. Todas las fibras utilizadas son fibras SMF-28 estándar con conectores FC/APC. Debido a la aplicación designada para PTI, un fotodetector equilibrado estaba fácilmente disponible en este estudio, pero esto no es necesario en general. En su lugar, se puede usar un fotodetector convencional; En este caso, el uso de un acoplador 1 x 2 está obsoleto. Estos cambios no afectan a los demás componentes de la configuración, como se muestra en la figura 5. La modulación de corriente triangular del láser de sonda, como se describe en el paso 5.4, corresponde a un barrido de longitud de onda. Se debe elegir un rango de corriente suficiente para barrer al menos un pico de reflectancia del FPE. Por lo tanto, un FSR puede servir como regla general. Los cálculos para el FSR de un FPE ideal se pueden encontrar en la sección de introducción. Junto con el coeficiente de ajuste de corriente (nm / mA) del láser, dado en el manual respectivo, se puede calcular el rango de corriente que cubre un FSR. Como ejemplo, el láser utilizado en este trabajo tenía un coeficiente de sintonización de corriente de 0.003 nm / mA y emitido a una longitud de onda de 1,550 nm. El FSR esperado de un FPE ideal con un espaciado entre espejos de 3 mm, d, es de aproximadamente 0,4 nm. Esto da un rango de sintonización de corriente de 133 mA.

En este trabajo, la frecuencia de modulación se ajustó a 100 Hz para una visualización conveniente en el osciloscopio. Como el rango de ajuste de corriente deseado es bastante grande, se puede usar un atenuador de fibra fija para permanecer dentro de los límites de potencia del detector utilizado. El atenuador se puede montar directamente después del aislador.

El adhesivo de curado UV utilizado en los pasos 6 y 7 es transparente a la luz láser y tiene un índice de refracción de 1,56. El proceso de alineación, como se describe en el paso 7.1, depende del fotodetector disponible. El detector balanceado utilizado en esta configuración genera una salida de “señal” de voltaje negativo. Por razones de generalidad, se asume una salida de voltaje positivo para la descripción del paso 7.10 y en la Figura 6. Para un etalon bien alineado, el pico de reflectancia irá hacia cero, mientras que la función triangular aumentará su relación pico-pico.

Para la caracterización de etalon en el paso 8.1, se utiliza un software de cálculo numérico (ver Tabla de materiales). El voltaje medido para cada paso de temperatura se promedia y se grafica, como se muestra en la Figura 7. Para convertir los pasos de temperatura en pasos de longitud de onda, se utiliza el coeficiente de ajuste de temperatura del láser de sonda. Las bibliotecas de análisis de señales han integrado algoritmos de búsqueda de picos, que se pueden utilizar para ese propósito. Como el análisis de datos depende en gran medida del formato de los datos, no se proporciona ningún código aquí, pero el autor correspondiente puede ponerlo a disposición previa solicitud.

Una posible limitación de la técnica de fabricación presentada aquí es la estabilidad térmica y mecánica en entornos cambiantes. Como el alcance de este documento instructivo es la creación de prototipos de bajo costo de FPE para aplicaciones de laboratorio, aquí no se realizan pruebas sobre la estabilidad mecánica y de temperatura. Si el FPE se utiliza para aplicaciones móviles o en entornos cambiantes, se deben tomar medidas adicionales para estabilizar mecánicamente el sistema de lentes de fibra GRIN en relación con el etalon.

Aquí se demuestra un nuevo método para fabricar y caracterizar un FPE con componentes ópticos estándar disponibles en todos los laboratorios fotónicos. El FPE presentado tiene una finura de aproximadamente 15 y una sensibilidad suficiente para detectar aproximadamente 5 ppmV de vapor de agua. Además de la aplicación presentada para PTI, este FPE podría usarse en aplicaciones como la construcción de micrófonos ópticos 20, que se aplican comúnmente en el campo de las pruebas no destructivas 23, las mediciones del índice de refracción 24,25 o los higrómetros ²⁶^, solo por nombrar algunos.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

El trabajo presentado aquí se llevó a cabo en el marco del proyecto financiado por FFG “Green Sensing” y el programa SPS de la OTAN “Photonic Nano Particle Sensors for Detecting CBRN events”. El trabajo también fue apoyado por 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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