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低成本、光纤耦合及空气间隔法布里-珀罗标准具的制备

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DOI：

10.3791/65174

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2023年2月3日

 ,  , 
1Institute of Electrical Measurement and Sensor Systems, Technical University of Graz

本文内容

摘要

本方案描述了一种低成本、分立式、光纤耦合且空气间隔的法布里-珀罗标准具的构建方法，可用于痕量气体光谱学等多种应用。只要有标准光学实验室设备，任何实验场所均可完成该器件的制备。

摘要

法布里-珀罗标准具（FPE）已广泛应用于多个领域。在光谱学、通信和天文学等学科中，FPE 因其高灵敏度和卓越的滤波能力而被采用。然而，高精细度的空气间隔标准具通常需由专业设施制造，其生产需要洁净室、特殊玻璃加工以及镀膜设备，导致商用 FPE 价格昂贵。本文介绍了一种利用标准光子学实验室设备制备光纤耦合 FPE 的新型低成本方法。本实验方案旨在为这些 FPE 的构建与表征提供逐步指导。 关键词：法布里-珀罗标准具，光纤耦合，高精细度，光谱学，滤波器，实验室制造，光子学设备. 我们希望这 将使研究人员能够针对不同应用领域快速且经济高效地对FPE进行原型开发。本文所展示的FPE用于光谱学应用。如代表性结果部分所示 通过 环境空气中水蒸气的原理性测量表明，该FPE的精细度为15，足以用于气体痕量浓度的光热检测。

引言

最基本的形式中，法布里-珀罗标准具（FPE）由两个平行且部分反射的平面镜面组成1。在下文的说明中，提及“镜面”时，均将光学基底与反射涂层视为一个整体。在大多数应用中，所使用的镜面具有一个楔形表面2，以防止产生不必要的法布里-珀罗干涉效应。图1展示了空气间隔法布里-珀罗标准具干涉图样的形成过程（图1A），以及不同镜面反射率下的反射率函数（图1B）。

光通过其中一个镜面进入谐振腔，经历多次反射后，通过反射和透射离开谐振腔。由于本文重点在于反射式法布里-珀罗标准具（FPE）的制备，后续说明将特指反射模式。离开谐振腔的光波发生干涉，其干涉情况取决于相位差 q = 4πnd/λ，其中 n 为谐振腔内部的折射率，d 为两镜面之间的间距，λ 为干涉仪光源的波长，此处称为探测激光。当光程差等于波长的整数倍时，反射率达到最小值，figure-introduction-1。理想平行平面标准具的精细度仅由两个镜面的反射率 R1 和 R2 决定3：

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然而，实际的法布里-珀罗标准具会受到多种损耗的影响，从而降低理论上可达到的精细度4,5,6。反射镜不完全平行7、激光束非垂直入射、光束形状8、反射镜表面杂质以及散射等因素均会导致精细度下降。该特征性的干涉图样可用艾里函数1来描述：

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反射函数的半高全宽（FWHM）以及自由光谱范围（FSR）可按如下方式计算：

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图 1：法布里-珀罗干涉仪原理。（A）带楔形窗口的空气间隔法布里-珀罗标准具多光束干涉示意图。一束平面波 E0 以一定角度 φ 通过增透膜（AR）表面进入谐振腔，并在间距为 d 的高反射率（高 R）表面之间发生多次反射。每次反射时，部分光以透射或反射形式从标准具中耦合输出，并与其他光束发生干涉。（B）理想法布里-珀罗标准具在不同镜面反射率下的反射率函数（y 轴）。请点击此处查看此图的放大版本。

FPEs 可见于多种多样的应用中9,10,11在本案例中，FPE 被用于光热干涉（PTI）装置中。在 PTI 中，通过周期性激发目标气体并随之快速热化，引起微小的密度变化，从而导致折射率的微小变化 通过 第二个激光器，通过干涉测量法进行测量12热量的多少以及由此引起的折射率变化幅度与气体浓度成正比。当在FPE反射率函数的最陡点（工作点）测量反射率强度时，这些折射率的变化会使得反射率函数发生偏移，从而改变测得的强度值。由于在工作点附近区域的反射率函数可视为线性，因此测得的信号与气体浓度成正比。传感器的灵敏度由反射率函数的斜率决定，因而与FPE的精细度成正比。光热干涉法（PTI）结合FPE已被证实是一种灵敏且选择性高的痕量气体与气溶胶检测方法。13,14,15,16,17,18在过去，许多用于压力和声学测量的传感器依赖于可移动部件（如薄膜）来替代法布里-珀罗腔的第二面反射镜19膜的偏转会导致镜面间距及光学路径长度发生变化。这类仪器的缺点是容易受到机械振动的干扰。近年来，采用固体法布里-珀罗腔（FPE）的光学麦克风已发展至商业化水平。20通过避免使用可移动部件，被测量从距离转变为法布里-珀罗腔内的折射率，从而显著提高了传感器的耐用性。

市售的空气间隔式FPE价格超出了原型设计和测试，以及高通量生产仪器集成可接受的范围。大多数构建和使用此类FPE的科学文献仅对制备方法进行了极为简略的讨论21,22. 在大多数情况下，需要特定的设备和机器（例如，洁净室、镀膜设施等）；例如，对于全光纤集成的法布里-珀罗腔（FPE），需要特殊的微加工设备。为了降低制造成本，并实现对多种不同FPE结构的测试以提高其在PTI装置中的适用性，开发了一种新的制备方法，该方法在以下实验方案中将详细描述。通过仅使用 commercially available 的标准块状光学元件和电信光纤组件，制造成本可降低至低于 €400欧元。任何配备标准光子设备的机构都应能够复制我们的制备方案，并将其适配于各自的应用。

方案

1. 测量池的三维打印

  1. 根据补充编码文件1中的设计，将测量池适配至您的应用。使用补充编码文件1-3中提供的设计，对用于安装透镜材料的测量池及其端盖进行三维打印。
    注意：本研究使用了SLA 3D打印机（见材料表）。
  2. 在生成打印任务时，应尽量减少腔体和开口内部的支撑结构数量。残留树脂可能导致孔径减小，从而使块状光学元件卡住。
  3. 打印完成后，用异丙醇清洗测量池，并使用金属剪线钳和砂纸彻底清除所有支撑结构。
  4. 在打印后、固化前，立即对相应的孔进行攻丝。
    1. 将气体入口和出口攻丝为M5，以便安装软管接头。
    2. 将底部中央孔攻丝为M4，用于测量池的支架安装。
    3. 将较小的通孔垂直攻丝为M3，与笼式系统杆上的通孔匹配，以便将测量池固定在笼式系统上（图2）。
  5. 使用商用UV固化设备（见材料表），在60 °C条件下以405 nm紫外光对测量池和端盖进行至少40分钟的UV固化处理。

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图2带标签的测量池CAD模型示意图。 此处提供了剖面图以更清晰地说明。 请点击此处以查看此图的放大版本。

2. 准备间隔物

  1. 从一块紫外熔融石英（UVFS）精密窗口片上切割出两个间隔片。按 图3B 所示，从该窗口片上切下两段宽度约为 3 mm 的片段。
    注意：可使用常规的低成本玻璃切割刀进行切割（参见 材料表）。
    警告：切割和操作大块光学元件时，请佩戴手套和防护眼镜。
  2. 使用切割工具在精密窗口片上划出一条直线，然后用钳子将其折断。务必使用具有平整表面的钳子，并在金属钳口与玻璃之间垫上镜头清洁纸（或类似材料），以防止玻璃表面受损。
  3. 用除尘喷雾清洁间隔片，以去除残留的玻璃碎屑。
    注意：也可在不施加压力的情况下，使用镜头清洁液和镜头清洁纸轻轻擦拭间隔片。

3. 间隔层的组装

  1. 将3D打印的细胞（步骤1）放置在桌面上，使标准腔凹面向上。
  2. 插入一个 O 型圈（10 mm × 1 mm，参见 材料清单) 放入标准腔凹槽中，并轻轻按入指定的凹槽内。
  3. 将分束器反射面朝上放置于标准具凹槽内的O形圈上。
  4. 使用镊子小心地将两个垫片放置到分束器上。放置时应留出清晰的通光孔径，以便气体和激发激光进入空气腔 通过 从细胞一侧贯穿至另一侧的穿孔图2，第3期。
    ​注意：必须在两侧放置间隔物，以在中间形成一个空气腔，如图所示 图3B仅抓住垫片的侧面，避免划伤平行表面。
  5. 当垫片就位后，将镜片放置在其上方，反射面朝下。此时，必须将分束器、垫片和镜片进行同心对齐。
  6. 取3D打印的法布里-珀罗标准具端盖，将两个O型圈（10 mm × 1 mm 和 14 mm × 2 mm）放入指定的凹槽中。
  7. 将盖子与细胞的矩形槽对齐，并放置在镜面顶部。
    1. 在盖子上施加压力以固定垫片。在始终保持对盖子施加压力的同时抬起细胞装置，从背面通过指定孔位插入四颗M4螺丝。
    2. 在正面使用四个 M4 螺母固定，拧紧至端盖产生的压力足以固定垫片且 O 型圈被充分压缩为止。
    3. 检查间隔片是否仍在原位；若是，则标准具现在可进行后续使用。
  8. 使用两个额外的3D打印端盖将激光窗口安装在测量池侧面，以确保池体气密。具体操作为：将一个O形圈（10 mm × 1 mm）放入池体指定的凹槽中，另一个O形圈（10 mm × 1 mm）套在端盖上。将窗口置于凹槽内，并用四个M3螺钉和螺母固定窗口端盖，如图所示 图2，第2期。

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图3：测量池与FPE的结构示意图。（A）3D打印测量池的组装过程，以及带有相应安装帽的FPE示意图。（B）体光学元件按正确顺序排列的示意图。垫片在两个镜面之间形成一个空气间隔腔。请点击此处查看该图的放大版本。

4. 光纤对准平台的组装

  1. 按照所列清单组装各阶段和适配板 材料表使用 图4 作为施工过程中的定位依据。
  2. 将第一个单轴测角仪安装在光学面包板上，方向为 x 轴方向。
    注：坐标轴命名系任意选定。光学平台平面定义为 x-y 平面，垂直方向为自平台向上，即正 z 方向。
  3. 根据所使用的阶段，必要时在测角台上安装一个适配板。
    1. 在适配板顶部中央安装一个两轴（x-y方向）微米平移台。
    2. 将一个直角支架安装到朝向 y 方向的平移台上。
    3. 将单轴平移台安装到直角支架上，沿 z 轴方向。
  4. 使用额外的适配板，将第二个测角台沿 z 方向安装在平移台上。
  5. 将光纤插芯夹具固定在支杆顶部。选择支杆的长度，使光纤插芯恰好位于第二垂直角调节台的旋转点处。该距离可在角调节台的使用手册中找到。
  6. 光纤接头的外径为2.8 mm。若无适用于该直径的夹具，可使用2.5 mm夹具，并用钻头将其扩宽。
  7. 将带有套圈夹的支架安装在第二个垂直测角台的 z 位置上，使其对应于步骤 4.2 中第一个水平测角台的旋转点。
    1. 确保光纤套筒和GRIN透镜在负z方向上从光纤夹持器中伸出几毫米。
    2. 调整支柱的垂直位置，使GRIN透镜的尖端位于测角台的旋转中心点。
  8. 安装标准具时，取一个支架，在其上安装一个直角支架，并将一个标准的SM1螺纹30 mm笼板固定在上面。安装四根笼杆（>40 mm）置于平板上，朝向正z方向。
  9. 取四个内径略大于笼杆直径的金属弹簧，分别套在每根笼杆上。将集成FPE的测量池的分束器一侧朝上，沿笼杆滑动，直至其落在弹簧上。
    ​注意：确保细胞在 z 方向上能够自由移动。如果摩擦力过大，需进一步扩大细胞上用于笼杆穿过的通孔，最好使用圆锉完成此操作。
  10. 安装支柱， 通过 一个后置支架、一块底板和一个夹紧叉，位于光纤对准平台正下方。确保腔体开口（露出分束器）的中心位置大约在卡圈 holder 下方 10 mm 处（步骤 4.5）。

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图 4：在紫外固化过程中，GRIN透镜耦合FPE与对准平台的实物图。 灰色标注的组件用于PTI测量，在对准过程中并非必需。请点击此处查看该图的放大版本。

5. 光电装置

  1. 按照材料表中所列的光电元件进行组装，并按图5中的示意图进行布局。
  2. 使用相应的元件托盘将光纤光学元件安装在光学面包板上。
  3. 将激光器安装在激光二极管支架上。将激光源连接至带有集成调制功能（三角波调制）的激光驱动器和TEC（热电冷却器）控制器；否则，需额外配备函数发生器。
  4. 设置三角波电流调制幅度，使其覆盖的波长范围明显超过标准具预期的FWHM（计算方法见讨论部分）。将调制频率设置为约100 Hz。
  5. 使用L型连接套筒将激光器的光纤输出端连接至隔离器的输入端。
  6. 在隔离器后安装一个15 dB光纤衰减器，并将其连接至1×2耦合器的输入端口。
  7. 将耦合器输出端口中具有90%光功率的端口连接至光循环器的端口1。
  8. 将耦合器输出端口中具有10%光功率的端口连接至平衡探测器的参考光电二极管。
  9. 将循环器的端口2连接至带尾纤的插针-GRIN透镜系统。
  10. 将端口3连接至探测器的信号光电二极管。
  11. 将平衡探测器设置为“自动平衡”模式。使用BNC电缆将探测器的电信号输出端连接至示波器的一个通道。

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图5：对准步骤中光电装置的示意图。 红线代表光纤，黑线为电子电缆，蓝光束为探测激光。 此处使用了平衡探测器，但也可替换为常规的光电探测器，因此可以省略1×2耦合器。 请点击此处查看该图的放大版本。

6. 光纤-GRIN透镜对准

  1. 将套管夹安装在支架上并固定 通过 将支架固定到光学面包板上。
  2. 将光纤插芯套筒固定到插芯夹具中。如步骤4.6所述，如有必要，可用钻头扩宽插芯夹具。
  3. 用移液管吸取紫外固化胶粘剂（参见 材料清单).
    注意：操作大尺寸光学元件以及紫外固化胶时，须佩戴手套和护目镜。
  4. 取一根带辫光纤的插芯，在插芯的侧面涂一滴胶粘剂。保持插芯的前端表面清洁。
  5. 将卡套插入卡套套筒中，确保插入足够深度，使GRIN透镜前端至少伸出卡套套筒外1-2 mm。
  6. 使用紫外灯进行短暂预固化（约10秒）。仅从背面（卡套的光纤端）照射，以将卡套固定在套管上，同时避免卡套前端的粘合剂固化。
  7. 取GRIN透镜，找到其楔形侧面。可通过显微镜观察或简单旋转透镜来确定。从而 8° 楔形侧面变得可见。
  8. 在GRIN透镜的楔形末端滴加一滴粘合剂，并将其插入套管套筒中。
    注意：通过施加轻微压力，使套圈与GRIN透镜之间的空腔中的空气排出。两个表面之间不应有气泡残留。如有气泡，可轻微旋转以排除；否则，取下GRIN透镜，重复步骤6.8。
  9. 小心旋转梯度折射率透镜，直至两个斜面相互平行。
  10. 在GRIN透镜前方约150 mm处安装一个光束分析仪。若无光束分析仪，可使用带有前置针孔的功率计替代。
  11. 将带尾纤的卡套连接至具有合适波长的激光器。打开激光器。
    注意：必须采取激光安全防护措施。
  12. 使用镊子轻微移动GRIN透镜，使其从卡圈套筒中移出，以调节卡圈与GRIN透镜之间的距离。该距离对于设定系统的焦距至关重要。在移动GRIN透镜时，需持续监测光束形状（或光功率）。
    注：如果对准过程过于不稳定，可进行短暂的预固化（约 10 秒）。
  13. 当系统聚焦至理想的最佳状态时，将样品暴露于紫外光下照射约10分钟，以完成最终固化。
  14. 固化后，将卡套从夹具中取出；此时即可用于后续操作。

7. 光纤-法布里-珀罗标准具的对准

  1. 从第5步中取出带辫状尾纤的套管和GRIN透镜系统，并使用第4.5步中的套管夹将其固定。
  2. 确保z方向的平移台升至最高位置，其余所有平移台均处于中性（居中）位置。
  3. 将细胞置于其正下方，确保GRIN透镜直接对准开口中心。固定细胞位置，使其高度略低于GRIN透镜（约5 mm）。
  4. 用移液器在GRIN透镜的前端滴加一至两滴粘合剂。
  5. 沿 z 方向向下移动平移台，直至确保与镀有抗反射涂层的分束器表面接触。继续降低 GRIN 透镜，直至施加足够的压力且弹簧具有足够的张力。
    注意：这可确保在对准过程中的倾斜操作期间，GRIN透镜与分光镜之间的接触得以保持。所需压力的大小取决于具体装置，若无法观察到合理的反射率函数，可在对准过程中进行调整。经验表明，通常施加更大的压力有助于对准过程。
  6. 打开调制激光器和示波器，确保示波器设置为尽可能高的分辨率 figure-protocol-5开始校准过程时，设置时间分辨率，使调制信号的两到三个周期可见。
  7. 通过确保GRIN透镜的指向正常来启动对准过程 在分束器表面进行观察，并通过目视检查相应调节测角台。此时即为零位。
  8. 逐步轻微偏转一个测角台，然后围绕零位移动另一个测角台。
    1. 如果在示波器上无法观察到变化，则略微增大第一台测角仪的偏转角度，并重复此迭代过程，直至示波器上出现三角波调制信号。
    2. 如果在载物台移动后观察到信号出现滞后现象，请检查所有组件是否均已正确固定。
      注意：通过向下移动 z 轴阶段产生压力增加也可能有助于改善信号。如果观察到的信号强度低于预期，则背向反射可能来自法布里-珀罗标准具的某个表面，或来自反射率函数的某个边缘峰。经验上，使用70%分光镜和全反射镜时，观察到的峰值反射约为输入至标准具的光功率的25%。
  9. 一旦观察到强烈的背向反射，调整示波器的分辨率，并确保法布里-珀罗标准具的反射率函数峰值位于三角波调制斜坡的中心位置图6调节激光器的温度，以调整标准具的峰值，直至峰值位于斜坡中心。
  10. 尽量通过微调测角台的位置，同时最大化三角调制的峰值强度（最小电压）和峰峰值比。
  11. 当对准过程完成后，将紫外灯靠近梯度折射率透镜安装。使用自定心中透镜架，以一定角度固定 45°.
  12. 逐步进行固化。首先，固化在步骤7.4中已涂覆的胶粘剂。持续在示波器上监测反射率函数。若固化因胶粘剂收缩导致准直性能下降，可轻微调节测角仪载物台。
  13. 5–10 分钟后，关闭紫外灯，并在GRIN透镜周围继续涂抹胶水，注意不要触碰透镜。再次用紫外光照射5–10分钟。重复此步骤，直至细胞孔洞被均匀的胶层完全填充。最后进行超过1小时的彻底固化。
  14. 为确保粘接部件连接牢固，可将整个装置静置1周，或对粘接部位进行热处理 60 °C 1 小时，如有可能。
  15. 现在，可将套筒从夹具上取下。因此，将平移台沿正z方向移动，直至弹簧完全松弛。避免对套筒-GRIN透镜系统施加任何应力；打开夹具并将其移除。至此，法布里-珀罗标准具已制备完成，可进行后续使用。

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图6：典型的通用示波器信号。 绿色曲线表示良好的对准状态，黄色曲线表示较差的对准状态。对准效果越好，三角波调制的峰峰值比越高，反射峰（或谷）越趋近于零。请点击此处查看该图的放大版本。

8. 埃塔隆表征

  1. 为评估所制备的法布里-珀罗标准具，使用与步骤5中所述相同的光纤装置。采用能够逐步进行激光器温度调谐并具有足够数据记录速率的测量系统。
    注意：此处使用基于FPGA的系统（参见材料表）。
  2. 计算理论自由光谱范围（FSR）。根据所用激光器（参见温度调谐系数），执行至少对应两个FSR的温度扫描。逐步升高温度（增量约为0.005 °C），每次升温后等待TEC稳定2–3秒，再进行2–3秒的测量。
  3. 使用任意数值计算程序处理数据。采用任何集成峰值查找功能的信号处理库。两个连续峰值之间的距离即为FSR。通过评估峰高一半处的峰宽来计算半高全宽（FWHM）。
    注意：由于FSR和FWHM的计算高度依赖于数据格式，此处未提供代码，但作者可根据请求提供。
  4. 利用激光器的温度调谐系数将温度转换为波长。
  5. 根据测量结果计算FSR以及FWHM（图7）。
  6. 使用以下公式计算所制备法布里-珀罗腔（FPE）的精细度：
    figure-protocol-7。

结果

如图7所示，可以制备出具有明确定义的反射率函数的FPE。

figure-results-1
图7：成品FPE的实测反射率函数。 通过温度扫描（对应激光器的波长扫描）测量FPE的反射率函数，用于评估器件的半高全宽（FWHM）和自由光谱范围（FSR）等参数。相对反射率是指光经过FPE后被反射回光纤中的光强所占的相对比例。请点击此处查看该图的放大版本。

FPE 的测量指标列于表 1中，并与具有相同参数的理想标准具的计算值进行了比较。理想 FPE 的公式可在引言部分找到。

实测值理想FPE
精细度12.817.1
半高全宽（FWHM）0.0268 nm0.0234 nm
自由光谱范围（FSR）0.3441 nm0.4004 nm
灵敏度14 1/nm21 1/nm

表1：制备的FPE标准具的实测值与计算值的比较。

为验证在特定应用中的适用性，使用FPE对环境空气中的水蒸气进行PTI测量。为此，将波长为1,364 nm的激发激光垂直于探测激光引入谐振腔，两束激光在FPE内部相交。激发激光以125 Hz的频率进行正弦调制。通过将探测激光稳定在FPE透射峰最陡峭的斜率处， 通过 恒流条件下，传感器达到最高灵敏度。对于水蒸气测量，测量池窗口保持开放，并暴露于环境空气中，水蒸气浓度为13,762 ppmV，该数值由参考设备测得（温度 = 21.4 °C，气压 = 979.9 hPa，相对湿度 = 52.2%）。通过快速傅里叶变换（FFT）提取信号，并与关闭激发激光时的背景信号进行比较，如图所示 图8. 可获得超过 7,000 的信噪比，对应的检测限约为 5 ppmV (3σ).

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图8：环境空气中水蒸气的PTI测量结果。 黑色曲线显示了激光激发频率为125 Hz时的FFT信号，蓝色曲线表示无激发时的背景信号。插图更详细地展示了在125 Hz处测得的峰值。请点击此处查看该图的放大版本。

补充代码文件 1：Measurement_cell.SLDPRT。 测量池的 CAD 文件。该测量池可根据特定应用的需求进行调整，随后进行 3D 打印。请点击此处下载该文件。

补充编码文件 2：cap_etalon.SLDPRT。 用于在测量池内固定标准具的 CAD 文件。请点击此处下载该文件。

补充代码文件 3：cap_window.SLDPRT。 用于将激光窗口固定到测量池的 CAD 文件。请点击此处下载该文件。

讨论

由于按照本方案制备的FPE已针对特定应用进行了优化，本章将说明可能的调整方法及关键步骤。首先，FPE和测量池的设计适用于PTI测量，因此在测量池上增加了气体进出口，以及一条用于激发激光的通道，该通道与探测激光方向垂直。测量池的所有开口均需确保气密性 通过 O型圈和/或带盖 通过 UVFS窗口用于允许激光传播。若以不同方式使用，则如给定的细胞 补充编码文件 1，可根据具体应用重新设计和调整。步骤1.4中的螺纹加工在打印完成后进行。螺纹也可直接通过3D打印成型，但由于打印出的螺纹容易快速磨损，因此仅打印具有合适底孔直径的孔，后续再进行攻丝处理。

第2.1步中垫片材料的选择至关重要。垫片的平行度决定了法布里-珀罗标准具镜面的平行度，从而影响其精细度。7½英寸UVFS精密窗口，如所提供的 材料表，本研究中使用了一块平行度≤5角秒、通光孔径内表面平整度为λ/10的材料。UVFS的热膨胀系数为0.55 × 10−6/°C。通过使用例如Zerodur材料，可进一步提高温度稳定性。5 间隔物，其热膨胀系数低于 0.1 × 10−6°C；然而，这种方法的缺点是成本较高。

FPE 由一个全反射镜和一个分束器构成。分束器具有一个反射率为 70% 的表面，其背面则涂有抗反射涂层。这使得光能够耦合进入和离开法布里-珀罗标准具。此外，分束器基底的一侧为楔形设计，以防止产生不必要的标准具效应。镜子的背面同样进行了粗糙化处理，目的相同。

在步骤5.1中，描述了用于跟踪对准过程的光电装置。所使用的所有光纤均为带有FC/APC接头的标准SMF-28光纤。由于本研究针对PTI的特定应用，实验中可直接使用一个平衡光电探测器，但通常情况下这并非必需。也可使用常规光电探测器；此时，1×2耦合器便不再需要。这些更改不会影响装置中的其他组件，如图5所示。步骤5.4中所述的探测激光器的三角波电流调制对应于波长扫描。所选电流范围必须足以覆盖FPE至少一个反射峰。因此，可将一个自由光谱范围（FSR）作为经验参考。理想FPE的FSR计算方法可在引言部分找到。结合激光器的电流调谐系数（nm/mA）（由相应使用手册提供），可计算出覆盖一个FSR所需的电流范围。例如，本研究中使用的激光器电流调谐系数为0.003 nm/mA，发射波长为1,550 nm。对于镜面间距d为3 mm的理想FPE，其预期FSR约为0.4 nm，对应的电流调谐范围为133 mA。

在本实验中，为了便于在示波器上显示，调制频率设置为 100 Hz。由于所需的电流调谐范围较大，可使用固定光纤衰减器以确保不超过所用探测器的功率限制。衰减器可直接安装在隔离器之后。

步骤6和步骤7中使用的紫外固化胶对激光透明，其折射率为1.56。如步骤7.1所述， 对准过程依赖于可用的光电探测器。本装置中使用的平衡探测器输出负电压"信号"。为了描述的通用性，在步骤7.10的说明以及图6中均假设输出为正电压。对于对准良好的法布里-珀罗标准具，其反射峰将趋近于零，而三角函数的峰峰值比将增大。

在步骤8.1的法布里-珀罗标准具表征中，使用了数值计算软件（见材料表）。对每个温度步长测得的电压取平均值并绘图，如图7所示。为将温度步长转换为波长步长，需利用探针激光器的温度调谐系数。信号分析库中集成了峰值查找算法，可用于此目的。由于数据分析高度依赖于数据格式，此处未提供代码，但相应作者可根据请求提供。

本文所介绍的制备技术可能存在一个局限性，即在环境变化条件下的热稳定性和机械稳定性。由于本教学论文的重点是用于实验室应用的法布里-珀罗传感器（FPE）的低成本原型制作，因此本文未提供有关机械稳定性和温度稳定性的测试。如果将FPE用于移动应用或变化的环境条件下，则必须采取额外措施，以实现光纤与GRIN透镜系统相对于法布里-珀罗腔的机械稳定。

本文展示了一种利用每个光子学实验室中常见的标准光学元件来制备和表征法布里-珀罗腔（FPE）的新方法。所展示的FPE精细度约为15，灵敏度足以检测约5 ppmV的水蒸气。除了本文所展示的光热干涉（PTI）应用外，该FPE还可用于其他多种应用，例如构建光学麦克风20（常用于无损检测领域23）、折射率测量24,25或湿度计26等。

致谢

本文所述工作是在奥地利科研促进署（FFG）资助项目框架内开展的 "绿色感知" 以及北约SPS计划 "用于检测核生化事件的光子纳米粒子传感器"该工作还得到了TU Graz开放获取出版基金的支持。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
自平衡光电接收器 NirvanaNew Focus, Inc.2017平衡光电探测器
台式激光二极管/TEC 控制器，1 A/96 WThorlabsITC4001
蝶形激光二极管安装座ThorlabsLM14S2
夹紧叉ThorlabsCF175
compactRIONational Instruments用于数据采集
除尘器RS Components168-1644
FC/APC 至 FC/APC 单L型转接套筒ThorlabsADAFCB3需要多个
光纤清洁液ThorlabsRCS3
光纤单模环形器AFW technologiesCIR-3-15-L-1-2
光纤单模耦合器 1×2，90/10AFW technologiesFOBC-1-15-10-L-1-S-2仅在使用平衡光电探测器时需要
光纤单模隔离器AFW technologiesISOD-15-L-1-2
光纤存储卷轴ThorlabsFSR1需要多个
固定式光纤衰减器ThorlabsFA15T-APC使用不同衰减级别
GRIN/插针套筒，内径 1.818 mm，长度 10 mm，硼硅酸盐玻璃Thorlabs51-2800-1800光纤-GRIN透镜系统
GRIN 透镜，Ø1.8 mm，0.23 节距，8°，设计波长 1560 nm，增透膜：1250 - 1650 nmThorlabsGRIN2315A光纤-GRIN透镜系统
手持式紫外LED灯RS Components220-6819用于固化胶粘剂 
高精度位移台及底座Newport9062-X-M需要三个
软管接头RS ComponentsM5 螺纹
大型测角仪，旋转点距离 44.5 mm，±5°，公制ThorlabsGNL18/M需要两个
L型转接套筒ThorlabsADAFCB3
磁性按钮夹具ThorlabsBM075需要多个
千分尺螺钉Newport9355需要三个
MIL-A-3920 弹性光学胶，1 盎司ThorlabsNOA61紫外固化胶
安装底座，50 mm × 75 mm × 10 mmThorlabsBA2/M
O型圈Haberkorn尺寸见正文
无源器件光纤托盘ThorlabsBFCT需要多个
立柱式底座适配器ThorlabsBE1
带尾纤的插针，Ø1.8 mm，8°，FC/APC，增透膜：1310/1550 nmThorlabsSMPF0115-APC光纤-GRIN透镜系统
立柱支架ThorlabsPH30/M
可安装立柱的 Ø2.5 mm 插针夹具，M4 螺纹孔ThorlabsFCM/M
PythonPython3.9数值数据分析软件
直角支架Newport9062-A-M
自定心透镜安装座ThorlabsSCL03
Silberschnitt 3001Bohle 3001玻璃切割工具套装
SM1螺纹标准笼板ThorlabsCP33/M
紫外固化装置FormlabsForm Cure
1550 nm 20 mW 蝶形 DFB 激光二极管AeroDiode1550LD-5-0-0-2
3D 打印机Formlabs3+
Ø1/2" UVFS 宽带精密窗口片，未镀膜，t = 3 mmThorlabsWG40530间隔垫片
Ø1/2" 宽带介质镜，1280 - 1600 nmThorlabsBB05-E04反射镜
Ø1/2" 70:30 (R:T) UVFS 平板分束器，镀膜：1.2 - 1.6 µm，t = 3 mmThorlabsBST06分束器

参考文献

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