Name: Fabricación de un Etalon Fabry-Pérot de bajo costo, acoplado a fibra y espaciado por aire (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-02-03T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 22 s
Description: Aprende a fabricar un etalón Fabry-Pérot de bajo costo acoplado a fibra para espectroscopía de gases traza. Este método accesible permite prototipar sensores fotónicos sin equipo especializado ni sala limpia.

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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.

Fabricación de un etalon Fabry-Pérot para su aplicación en espectroscopia de gases traza

<ol><li>Vaughan, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVaughan%2C+M+%22The+Fary-P%C3%A9rot+Interferometer.+History%2C+Theory%2C+Practice%2C+and+Applications%22">The Fary-Pérot Interferometer. History, Theory, Practice, and Applications</a>. , CRC Press. Boca. Raton, FL. (1989).</li>
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<li>Ismail, N., Kores, C. C., Geskus, D., Pollnau, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabry-P%C3%A9rot+resonator%3A+Spectral+line+shapes%2C+generic+and+related+Airy+distributions%2C+linewidths%2C+finesses%2C+and+performance+at+low+or+frequency-dependent+reflectivity%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Fabry-Pérot resonator: Spectral line shapes, generic and related Airy distributions, linewidths, finesses, and performance at low or frequency-dependent reflectivity.</a> Optics Express. 24 (15), 16366-16389 (2016).</li>
<li>Eklund, E. J., Shkel, A. M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Factors+affecting+the+performance+of+micromachined+sensors+based+on+Fabry-Perot+interferometry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengineering%22%5BJournal%5D)">Factors affecting the performance of micromachined sensors based on Fabry-Perot interferometry.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 15 (9), 1770-1776 (2005).</li>
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<li>Killeen, T. L., Hays, P. B., Kennedy, B. C., Rees, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stable+and+rugged+etalon+for+the+Dynamics+Explorer+Fabry-P%C3%A9rot+interferometer.+2%3A+Performance%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Stable and rugged etalon for the Dynamics Explorer Fabry-Pérot interferometer. 2: Performance.</a> Applied Optics. 21 (21), 3903-3912 (1982).</li>
<li>Marques, D. M., Guggenheim, J. A., Munro, P. R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysing+the+impact+of+non-parallelism+in+Fabry-P%C3%A9rot+etalons+through+optical+modelling%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Analysing the impact of non-parallelism in Fabry-Pérot etalons through optical modelling.</a> Optics Express. 29 (14), 21603-21614 (2021).</li>
<li>Marques, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modelling+Fabry-P%C3%A9rot+etalons+illuminated+by+focussed+beams%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Modelling Fabry-Pérot etalons illuminated by focussed beams.</a> Optics Express. 28 (5), 7691-7706 (2020).</li>
<li>Islam, M. R., Ali, M. M., Lai, M. -H., Lim, K. -S., Ahmad, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chronology+of+Fabry-Perot+interferometer+fiber-optic+sensors+and+their+applications%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22MDPI+Sensors%22%5BJournal%5D)">Chronology of Fabry-Perot interferometer fiber-optic sensors and their applications: A review.</a> MDPI Sensors. 14 (4), 7451-7488 (2014).</li>
<li>Preisser, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All-optical+highly+sensitive+akinetic+sensor+for+ultrasound+detection+and+photoacoustic+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Optics+Express%22%5BJournal%5D)">All-optical highly sensitive akinetic sensor for ultrasound detection and photoacoustic imaging.</a> Biomedical Optics Express. 7 (10), 4171-4186 (2016).</li>
<li>Chen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-fiber-optic+acoustic+sensor+based+on+high-Q+resonance+effect+using+Fabry-P%C3%A9rot+etalon%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Micro-fiber-optic acoustic sensor based on high-Q resonance effect using Fabry-Pérot etalon.</a> Optics Express. 29 (11), 16447-16454 (2021).</li>
<li>Bialkowski, S. E., Astrath, N. G. C., Proskurnin, M. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBialkowski%2C+SE+%22Photothermal+Spectroscopy+Methods%22">Photothermal Spectroscopy Methods</a>. , Wiley. Hoboken, NJ. (2019).</li>
<li>Campillo, A. J., Petuchowski, S. J., Davis, C. C., Lin, H. -B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabry-P%C3%A9rot+photothermal+trace+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Fabry-Pérot photothermal trace detection.</a> Applied Physics Letters. 41 (4), 327-329 (1982).</li>
<li>Breitegger, P., Lang, B., Bergmann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intensity+modulated+photothermal+measurements+of+NO2+with+a+compact+fiber-coupled+Fabry-P%C3%A9rot+interferometer%5BTitle%5D)+AND+%22MDPI.Sensors%22%5BJournal%5D)">Intensity modulated photothermal measurements of NO2 with a compact fiber-coupled Fabry-Pérot interferometer.</a> MDPI.Sensors. 19 (15), 1424(2019).</li>
<li>Waclawek, J. P., Kristament, C., Moser, H., Lendl, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Balanced-detection+interferometric+cavity-assisted+photothermal+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Balanced-detection interferometric cavity-assisted photothermal spectroscopy.</a> Optics Express. 27 (9), 12183-12195 (2019).</li>
<li>Pevec, S., Donlagic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Miniature+all-fiber+Fabry-P%C3%A9rot+sensor+for+simultaneous+measurement+of+pressure+and+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Miniature all-fiber Fabry-Pérot sensor for simultaneous measurement of pressure and temperature.</a> Applied Optics. 51 (19), 4536-4541 (2012).</li>
<li>Dudzik, G., Krzempek, K., Abramski, K., Wysocki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solid-state+laser+intra-cavity+photothermal+gas+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+B%3A+Chemical%22%5BJournal%5D)">Solid-state laser intra-cavity photothermal gas sensor.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 328, 129072(2021).</li>
<li>Chen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-fiber-optic+acoustic+sensor+based+on+high-Q+resonance+effect+using+Fabry-P%C3%A9rot+etalon%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Micro-fiber-optic acoustic sensor based on high-Q resonance effect using Fabry-Pérot etalon.</a> Optics Express. 29 (11), 16447-16454 (2021).</li>
<li>Hälg, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+silicon+pressure+sensor+with+a+low-cost+contactless+interferometric+optical+readout%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">A silicon pressure sensor with a low-cost contactless interferometric optical readout.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 30 (3), 225-230 (1992).</li>
<li>Fischer, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+microphone+hears+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Photonics%22%5BJournal%5D)">Optical microphone hears ultrasound.</a> Nature Photonics. 10 (6), 356-358 (2016).</li>
<li>Waclawek, J. P., Bauer, V. C., Moser, H., Lendl, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((2f-wavelength+modulation+Fabry-P%C3%A9rot+photothermal+interferometry%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">2f-wavelength modulation Fabry-Pérot photothermal interferometry.</a> Optics Express. 24 (25), 28958-28967 (2016).</li>
<li>Chen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustic+performance+study+of+fiber-optic+acoustic+sensors+based+on+Fabry-P%C3%A9rot+etalons+with+different+Q+factors%5BTitle%5D)+AND+%22MDPI+Micromachines%22%5BJournal%5D)">Acoustic performance study of fiber-optic acoustic sensors based on Fabry-Pérot etalons with different Q factors.</a> MDPI Micromachines. 13 (1), 118(2022).</li>
<li>Meyendorf, N., Ida, N., Singh, R., Vran, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMeyendorf%2C+N+%22Handbook+of+Nondestructive+Evaluation+4.0%22">Handbook of Nondestructive Evaluation 4.0</a>. , Springer. Cham, Switzerland. (2022).</li>
<li>Kim, Y. J., Celliers, P. M., Eggert, J. H., Lazicki, A., Millot, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interferometric+measurements+of+refractive+index+and+dispersion+at+high+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Interferometric measurements of refractive index and dispersion at high pressure.</a> Scientific Reports. 11, 5610(2021).</li>
<li>Stollberger, W. F. Single particle photothermal interferometry. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Technical+University+Graz%22">Technical University Graz</a>. , Master's thesis (2022).</li>
<li>Radeschnig, U., Bergmann, A., Lang, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow-enhanced+photothermal+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22MDPI+Sensors%22%5BJournal%5D)">Flow-enhanced photothermal spectroscopy.</a> MDPI Sensors. 22 (19), 7148(2022).</li>
</ol>

No hay conflictos de intereses.

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.

En su forma más básica, un FPE consiste en dos superficies de espejo parcialmenteparalelas 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, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq02.jpg" style="margin: auto;">. La delicadeza de un etalón plano-paralelo ideal está determinada por las reflectividades del espejo R1 y R2 solo3:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq03.jpg" style="margin: auto;">
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:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq04.jpg" style="margin: auto;">
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:
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq05.jpg" style="margin: auto;">
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq06.jpg" style="margin: auto;">
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65174/65174fig01.jpg"> 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). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig01large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
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 mínimamente21,22. 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.

<table><tbody><tr><td>Fotorreceptor Auto-Balanceado Nirvana</td><td>New Focus, Inc.</td><td>2017</td><td>Fotodetector equilibrado Controlador</td></tr><tr><td>de diodo láser de sobremesa/TEC, 1A/96 W</td><td>Thorlabs</td><td>ITC4001</td><td></td></tr><tr><td>Montaje de diodo láser de mariposa</td><td>Thorlabs</td><td>LM14S2</td><td></td></tr><tr><td>Horquilla de apriete</td><td>Thorlabs</td><td>CF175</td><td></td></tr><tr><td>compactRIO</td><td>National Instruments</td><td></td><td>Para la adquisición de datos</td></tr><tr><td>Removedor de polvo</td><td>RS Components</td><td>168-1644</td><td></td></tr><tr><td>Manguito de acoplamiento de soporte en L único de FC/APC</td><td>Thorlabs</td><td>ADAFCB3</td><td>Se necesitan múltiples</td></tr><tr><td>fluidos de limpieza</td><td>de fibra Thorlabs</td><td>RCS3</td><td></td></tr><tr><td>Circulador de fibra óptica SM</td><td>Tecnologías AW CIR-3-15-L-1-2</td><td></td>Acoplador <td>SM de</td></tr><tr><td>fibra óptica 1 x 2, tecnologías AFW 90/10</td><td></td><td>FOBC-1-15-10-L-1-S-2</td><td>Solo si se utiliza</td></tr> <tr><td>un fotodetector equilibradoAislador SM de fibra óptica</td><td>AFW technologies</td><td>ISOD-15-L-1-2</td><td></td></tr><tr><td>Carretes de almacenamiento de fibra óptica</td><td>Thorlabs</td><td>FSR1</td><td>Se necesitan múltiples</td></tr><tr><td>Atenuador de fibra óptica fijo</td><td>Thorlabs</td><td>FA15T-APC</td><td>Diferentes niveles de atenuación utilizados</td></tr><tr><td>Manguito GRIN/Férula, 1.818 mm Diámetro interno, 10 mm de longitud, Vidrio de borosilicato</td><td>Thorlabs</td><td>51-2800-1800</td><td>Sistema de lentes de fibra GRIN</td></tr><tr><td>Lente GRIN, y Oslash; 1,8 mm, paso de 0,23, 8 grados, 1560 nm Longitud de onda de diseño, con recubrimiento AR: 1250 - 1650 nm</td><td>Sistema de lentes Thorlabs</td><td>GRIN2315A</td><td>Fiber-GRIN</td></tr><tr><td>Lámpara UV-LED de mano</td><td>RS Components</td><td>220-6819</td><td>Lámpara para curar el adhesivo&nbsp;</td></tr><tr><td>Platina y base de alta precisión</td><td>Newport</td><td>9062-X-M</td> Conector de manguera <td>de tres nedded</td></tr><tr><td></td><td>RS Components</td><td></td><td>M5 roscado</td></tr><tr><td>Gran goniómetro, 44,5 mm Distancia al punto de rotación, &plusmn; 5&deg;, Métrico</td><td>Thorlabs</td><td>GNL18/M</td> Se <td>necesitan dos</td></tr><tr><td>manguitos de acoplamiento de soporte en L</td><td>Thorlabs</td><td>ADAFCB3</td><td></td></tr><tr><td>Abrazaderas de botón magnéticas</td><td>Thorlabs</td><td>BM075</td><td>Se necesitan múltiples</td></tr><tr><td>tornillos micrómetro</td><td>Newport</td><td>9355</td><td></td></tr><tr><td>Adhesivo óptico MIL-A-3920 de tres nedded con resistencia, 1 oz.</td><td>Thorlabs</td><td>NOA61</td><td>Adhesivo de curado UV</td></tr><tr><td>Base de montaje, 50 mm x 75 mm x 10 mm</td><td>Thorlabs</td><td>BA2/M</td><td></td></tr><tr><td>Juntas tóricas Haberkorn</td><td></td><td></td><td>Tamaños indicados en el texto</td></tr><tr><td>Bandeja de fibra de componente pasivo</td><td>Thorlabs</td><td>BFCT</td><td>Se necesitan varios</td></tr><tr><td>Adaptador de base de pedestal</td><td>Thorlabs</td><td>BE1</td><td></td></tr><tr><td>virola de coleta, &oslash; 1,8 mm, 8 grados, FC/APC, AR Recubrimiento: 1310/1550 nm</td><td>Sistema de lentes Thorlabs</td><td>SMPF0115-APC</td><td>Fiber-GRIN</td></tr><tr><td>Soporte de poste</td><td>Thorlabs</td><td>PH30/M</td><td></td></tr><tr><td>Post-Mountable &Oslash; Abrazadera de férula de 2,5 mm, grifo M4</td><td>Thorlabs</td><td>FCM/M</td><td></td></tr><tr><td>Python</td><td>Python</td><td>3.9</td><td>Software de análisis de datos numéricos</td></tr><tr><td>Soporte de ángulo recto</td><td>Newport</td><td>9062-A-M</td><td></td></tr><tr><td>Montura de lente autocentrante</td><td>Thorlabs</td><td>SCL03</td><td></td></tr><tr><td>Silberschnitt 3001</td><td>Bohle&nbsp;</td><td>3001</td><td>Juego de fresas Glas</td></tr><tr><td>Placa de jaula estándar con rosca SM1</td><td>Thorlabs</td><td>CP33/M</td><td></td></tr><tr><td>Dispositivo de curado UV</td><td>Form</td><td>Cure</td><td></td></tr><tr><td>1550 nm 20 mW mariposa Diodo láser DFB</td><td>AeroDiode</td><td>1550LD-5-0-0-2</td><td></td></tr><tr><td>Impresora 3D</td><td>Formlabs</td><td>3+&</td><td></td></tr><tr><td>Oslash; Ventana de precisión de banda ancha UVFS de 1/2", sin recubrimiento, t = 3 mm</td><td>Thorlabs</td><td>WG40530</td><td>Espaciadores</td></tr><tr><td>&Oslash; Espejo dieléctrico de banda ancha de 1/2", 1280 - 1600 nm</td><td>Thorlabs</td><td>BB05-E04</td><td>Mirror</td></tr><tr><td>&Oslash; 1/2" 70:30 (R:T) Divisor de haz de placa UVFS, recubrimiento: 1.2 - 1.6 y micro; m, t = 3 mm</td><td>Thorlabs</td><td>BST06</td><td>Divisor de haz</td></tr></tbody></table>

fabricación de un etalon fabry-pérot de bajo costo, acoplado a fibra y espaciado por aire

Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-P&#233;rot Etalon

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.

Como se puede ver en la Figura 7, se podría fabricar un FPE con una función de reflectancia bien definida.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65174/65174fig07.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig07large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
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.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td>
			<td>Medido</td>
			<td>Ideal FPE</td>
		</tr><tr><td>Fineza</td>
			<td>12.8</td>
			<td>17.1</td>
		</tr><tr><td>FWHM</td>
			<td>0,0268 nm</td>
			<td>0,0234 nm</td>
		</tr><tr><td>FSR</td>
			<td>0,3441 nm</td>
			<td>0,4004 nm</td>
		</tr><tr><td>Sensibilidad</td>
			<td>14 1/nm</td>
			<td>21 1/nm</td>
		</tr></tbody></table>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).
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65174/65174fig08.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig08large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/measurement_cell.zip" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</a>
Archivo de codificación suplementario 2: cap_etalon. SLDPRT. Archivo CAD para fijar el etalon dentro de la celda de medición. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/cap_etalon.zip" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</a>
Archivo de codificación suplementario 3: cap_window. SLDPRT. Archivo CAD para fijar las ventanas láser en la celda de medición. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/cap_window.zip" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</a>

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.

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

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are ...

En el ámbito de mi tesis doctoral en el Instituto de Medición Eléctrica y Sistemas de Sensores, estoy trabajando en la evaluación del potencial de miniaturización de los sensores fototérmicos de gas y aerosol. Se pone mucho esfuerzo en hacer que los sensores fotónicos sean más robustos y versátiles o de bajo costo y miniaturizados, pero es bastante difícil combinar estos objetivos con la selectividad y sensibilidad necesarias. La principal ventaja de nuestro protocolo radica en la fácil accesibilidad del método.Sin necesidad de una sala limpia o máquinas especiales, nuestro protocolo ofrece la oportunidad de crear prototipos rentables con equipos fotónicos estándar. Esperamos que nuestro protocolo permita a los investigadores la creación rápida y fácil de prototipos de múltiples configuraciones de etalon de una manera rápida y rentable. Seguiremos trabajando en la miniaturización de sensores fotónicos de aerosol y gas.Nos centraremos en nuevos principios de detección explotando las interacciones entre la luz estructurada y la materia estructurada.

fabrication-low-cost-fiber-coupled-air-spaced-fabry-prot

Research

Investigación

JoVE Journal

Engineering

Ingeniería

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