Name: Fabrication d’un Etalon Fabry-Pérot à faible coût, couplé à la fibre et espacé d’air (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-02-03T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 22 s
Description: Apprenez à fabriquer un étalon Fabry-Pérot à faible coût et couplé à la fibre pour la spectroscopie de gaz traces. Cette méthode accessible permet le prototypage rapide sans équipement spécialisé.

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Les travaux présentés ici ont été menés dans le cadre du projet financé par la FFG « Green Sensing » et du programme SPS de l’OTAN « Photonic Nano Particle Sensors for Detection CBRN events ». Le travail a également été soutenu par le TU Graz Open Access Publishing Fund.

Fabrication d’un étalon Fabry-Pérot pour application en spectroscopie de gaz traces

<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>
<li>Liu, M., Chao, X., Ye, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transmitting+intensity+distribution+after+a+Gaussian+beam+incidenting+nonnormally+on+a+wedged+Fabry-P%C3%A9rot+cavity%5BTitle%5D)+AND+%22Optik%22%5BJournal%5D)">Transmitting intensity distribution after a Gaussian beam incidenting nonnormally on a wedged Fabry-Pérot cavity.</a> Optik. 119 (14), 661-665 (2008).</li>
<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>
<li>Rees, D., Fuller-Rowell, T. J., Lyons, A., Killeen, T. L., Hays, P. B. <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.+1%3A+Design+and+construction%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Stable and rugged etalon for the Dynamics Explorer Fabry-Pérot interferometer. 1: Design and construction.</a> Applied Optics. 21 (21), 3896-3902 (1982).</li>
<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>

Il n’y a pas de conflits d’intérêts.

Comme le FPE fabriqué selon le protocole donné ici est optimisé pour une application spécifique, les adaptations possibles et les étapes critiques sont expliquées dans ce chapitre. Tout d’abord, le FPE et la cellule de mesure sont conçus pour les mesures PTI. Par conséquent, une entrée et une sortie de gaz, ainsi qu’un canal pour le laser d’excitation, qui est perpendiculaire au laser de la sonde, sont ajoutés à la cellule. Toutes les ouvertures de la cellule sont soit étanches à l’air via des joints toriques et/ou couvertes par des fenêtres UVFS pour permettre la propagation laser. Si elle est utilisée différemment, la cellule, comme indiqué dans le fichier de codage supplémentaire 1, peut être repensée et adaptée à l’application spécifique. Le filetage à l’étape 1.4 est effectué après impression. Les filetages peuvent également être imprimés en 3D, mais comme ils ont tendance à s’user rapidement, seuls les trous avec le diamètre de trou de noyau approprié sont imprimés, et ceux-ci sont filetés par la suite.
Le choix du matériau pour les entretoises à l’étape 2.1 est crucial. Le parallélisme des entretoises détermine le parallélisme des miroirs etalon et, par conséquent, influence la finesse7. Une fenêtre de précision UVFS de 1/2 pouce, telle que fournie dans le tableau des matériaux, avec un parallélisme de ≤5 arcsecs et une planéité de surface de λ/10 sur l’ouverture libre a été utilisée dans cette étude. Le coefficient de dilatation thermique des UVFS est de 0,55 x 10−6/°C. La stabilité de la température peut encore être augmentée en utilisant, par exemple, des entretoises Zerodur5 , avec un coefficient de dilatation thermique inférieur à 0,1 x 10−6/°C ; Cependant, cela présente l’inconvénient de coûts plus élevés.
Le FPE est formé d’un miroir entièrement réfléchissant, ainsi que d’un séparateur de faisceau. Le séparateur de faisceau a une surface réfléchissante à 70%, ainsi qu’une face arrière revêtue d’antireflets. Cela permet le couplage de la lumière à l’intérieur et à l’extérieur de l’étalon. De plus, le substrat du séparateur de faisceau comporte un côté coincé pour éviter les effets indésirables de l’étalon. L’arrière du miroir est rugueux pour les mêmes raisons.
À l’étape 5.1, la configuration optoélectronique pour suivre le processus d’alignement est décrite. Toutes les fibres utilisées sont des fibres SMF-28 standard avec connecteurs FC/APC. En raison de l’application désignée pour PTI, un photodétecteur équilibré était facilement disponible dans cette étude, mais cela n’est pas nécessaire en général. Un photodétecteur conventionnel peut être utilisé à la place; Dans ce cas, l’utilisation d’un coupleur 1 x 2 est obsolète. Ces modifications n’affectent pas les autres composants de la configuration, comme illustré à la figure 5. La modulation de courant triangulaire du laser de la sonde, telle que décrite à l’étape 5.4, correspond à un balayage de longueur d’onde. Une plage de courant suffisante pour balayer au moins un pic de réflectance du FPE doit être choisie. Par conséquent, une RSF peut servir de règle empirique. Les calculs pour la RSF d’un FPE idéal peuvent être trouvés dans la section d’introduction. Avec le coefficient de réglage du courant (nm/mA) du laser, indiqué dans le manuel respectif, la plage de courant couvrant un FSR peut être calculée. À titre d’exemple, le laser utilisé dans ce travail avait un coefficient d’accord de courant de 0,003 nm/mA et émis à une longueur d’onde de 1 550 nm. La FSR attendue d’un FPE idéal avec un espacement miroir de 3 mm, d, est d’environ 0,4 nm. Cela donne une plage de réglage du courant de 133 mA.
Dans ce travail, la fréquence de modulation a été réglée à 100 Hz pour un affichage pratique à l’oscilloscope. Comme la plage de réglage du courant souhaitée est assez grande, un atténuateur à fibre fixe peut être utilisé pour rester dans les limites de puissance du détecteur utilisé. L’atténuateur peut être monté directement après l’isolateur.
L’adhésif UV utilisé aux étapes 6 et 7 est transparent à la lumière laser et a un indice de réfraction de 1,56. Le processus d’alignement, tel que décrit à l’étape 7.1, dépend du photodétecteur disponible. Le détecteur équilibré utilisé dans cette configuration génère une sortie « Signal » de tension négative. Pour des raisons de généralité, une sortie de tension positive est supposée pour la description de l’étape 7.10 et de la figure 6. Pour un étalon bien aligné, le pic de réflectance ira vers zéro, tandis que la fonction triangulaire augmentera son rapport crête à crête.
Pour la caractérisation de l’étalon à l’étape 8.1, un logiciel de calcul numérique est utilisé (voir Tableau des matériaux). La tension mesurée pour chaque étape de température est moyennée et tracée, comme le montre la figure 7. Pour convertir les pas de température en pas de longueur d’onde, le coefficient de réglage de la température du laser de sonde est utilisé. Les bibliothèques d’analyse de signaux ont intégré des algorithmes de recherche de pointe, qui peuvent être utilisés à cette fin. Comme l’analyse des données dépend fortement du format des données, aucun code n’est fourni ici, mais il peut être mis à disposition par l’auteur correspondant sur demande.
Une limitation possible de la technique de fabrication présentée ici est la stabilité thermique et mécanique dans des environnements changeants. Comme le domaine d’application de ce document d’instruction est le prototypage à faible coût de FPE pour des applications de laboratoire, aucun test concernant la stabilité mécanique et la stabilité en température n’est donné ici. Si le FPE est utilisé pour des applications mobiles ou dans des environnements changeants, des mesures supplémentaires doivent être prises afin de stabiliser mécaniquement le système de lentilles fibre-GRIN par rapport à l’étalon.
Une nouvelle méthode de fabrication et de caractérisation d’un FPE est démontrée ici avec des composants optiques standard disponibles dans chaque laboratoire photonique. Le FPE présenté a une finesse d’environ 15 et une sensibilité suffisante pour détecter environ 5 ppmV de vapeur d’eau. Outre l’application présentée pour PTI, ce FPE pourrait être utilisé dans des applications telles que la construction de microphones optiques 20, qui sont couramment appliqués dans le domaine des contrôles non destructifs 23, des mesures d’indice de réfraction 24,25 ou des hygromètres 26, pour n’en nommer que quelques-unes.

Dans sa forme la plus élémentaire, un FPE se compose de deux surfaces miroirs partiellement réfléchissantes planes et parallèles1. Dans les explications suivantes, lorsqu’il s’agit de miroirs, le substrat optique et le revêtement réfléchissant ne font qu’un. Dans la plupart des applications, les miroirs utilisés comportent une surface coincée2 pour éviter les effets indésirables de l’étalon. La figure 1 illustre la formation du motif d’interférence d’un étalon espacé d’air (figure 1A), ainsi que la fonction de réflectance pour différentes réflectivités de miroir (figure 1B).
La lumière pénètre dans la cavité par un miroir, subit de multiples réflexions et quitte la cavité par réflexion et transmission. Comme cet article se concentre sur la fabrication d’un FPE fonctionnant en réflectance, les explications supplémentaires se réfèrent spécifiquement à la réflexion. Les ondes quittant la cavité interfèrent, en fonction de la différence de phase, q = 4πnd/λ. Ici, n est l’indice de réfraction à l’intérieur de la cavité, d est l’espacement miroir et λ est la longueur d’onde de la source lumineuse de l’interféromètre, appelée ici laser de sonde. Une réflectance minimale se produit lorsque la différence de chemin optique correspond au multiple entier de la longueur d’onde, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq02.jpg" style="margin: auto;">. La finesse d’un étalon plan parallèle idéal est déterminée par les réflectivités miroirR1 etR2 seulement3 :
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq03.jpg" style="margin: auto;">
Cependant, un etalon réel est soumis à de nombreuses pertes, qui dégradent la finesse théoriquement réalisable 4,5,6. La déviation du parallélisme du miroir7, l’incidence anormale du faisceau laser, la forme du faisceau8, les impuretés de surface du miroir et la diffusion, entre autres, entraînent une réduction de la finesse. Le motif d’interférence caractéristique peut être décrit par la fonctiond’Airy 1:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq04.jpg" style="margin: auto;">
La largeur totale à la moitié du maximum (FWHM), ainsi que la gamme spectrale libre (FSR) de la fonction de réflectance, peuvent être calculées comme suit:
<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"> Figure 1 : Théorie de l’interféromètre Fabry-Perot. (A) Une représentation schématique de l’interférence multifaisceaux pour un étalon espacé d’air avec des fenêtres coincées. Une onde plane, E0, pénètre dans la cavité sous un certain angle, φ, à travers une surface revêtue d’antireflet (AR) et subit ensuite de multiples réflexions entre les surfaces hautement réfléchissantes (R élevé) espacées à distance, d. À chaque réflexion, une partie de la lumière est découplée de l’étalon soit en transmission, soit en réflexion, où elle interfère avec les autres ondes. (B) La fonction de réflectance d’un etalon idéal de Fabry-Pérot pour différentes réflectivités de miroir (axe y). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
Les FPE peuvent être trouvés dans un large éventail d’applications 9,10,11. Dans le cas présenté ici, le FPE est utilisé dans une installation d’interférométrie photothermique (PTI). Dans PTI, une faible densité et, par conséquent, des changements d’indice de réfraction, induits par l’excitation périodique suivie de la thermalisation rapide d’un gaz cible via un second laser, sont mesurés interférométriquement12. La quantité de chaleur et, par conséquent, l’ampleur du changement d’indice de réfraction sont proportionnelles à la concentration de gaz. Lors de la mesure de l’intensité de la fonction de réflectance du FPE à son point le plus raide (point de fonctionnement), ces changements d’indice de réfraction déplacent la fonction de réflectance, modifiant ainsi l’intensité mesurée. Comme la fonction de réflectance peut être supposée linéaire dans la région autour du point de fonctionnement, le signal mesuré est alors proportionnel à la concentration de gaz. La sensibilité du capteur est déterminée par la pente de la fonction de réflectance et est donc proportionnelle à la finesse. La PTI, en combinaison avec les FPE, s’est révélée être une méthode sensible et sélective pour détecter des traces de gaz et d’aérosols 13,14,15,16,17,18. Dans le passé, de nombreux capteurs pour les mesures de pression et acoustiques reposaient sur l’utilisation de pièces mobiles, comme des membranes, remplaçant le deuxième miroir du FPE19. Les déviations de la membrane entraînent une modification de la distance du miroir et, par conséquent, de la longueur du trajet optique. Ces instruments ont l’inconvénient d’être sujets aux vibrations mécaniques. Ces dernières années, le développement de microphones optiques utilisant des FPE solides a atteint un niveau commercial20. En s’abstenant d’utiliser des pièces mobiles, le mesurande est passé de la distance à l’indice de réfraction à l’intérieur de la cavité Fabry-Parot, augmentant ainsi considérablement la robustesse des capteurs.
Les FPE espacés d’air disponibles dans le commerce dépassent le coût acceptable pour le prototypage et les tests, ainsi que pour l’intégration d’instruments de production à haut volume. La plupart des publications scientifiques qui construisent et utilisent de tels FPE ne traitent que de manière minimale du sujet de la fabrication21,22. Dans la plupart des cas, des équipements et des machines spécifiques (par exemple, salles blanches, installations de revêtement, etc.) sont nécessaires; par exemple, pour les FPE entièrement intégrés à la fibre, un équipement de micro-usinage spécial est nécessaire. Pour réduire les coûts de fabrication et permettre le test de plusieurs configurations FPE différentes afin d’améliorer leur adéquation aux configurations PTI, une nouvelle méthode de fabrication a été développée, qui est décrite en détail dans le protocole suivant. En utilisant uniquement des composants standard disponibles dans le commerce, des composants standard en vrac et des fibres optiques de télécommunication, les coûts de fabrication pourraient être réduits à moins de 400 euros. Chaque installation travaillant avec un équipement photonique standard devrait être en mesure de reproduire notre schéma de fabrication et de l’adapter à leurs applications.

<table><tbody><tr><td>Photorécepteur auto-équilibré Nirvana</td><td>New Focus, Inc.</td><td>2017</td><td>Photodétecteur équilibré</td></tr><tr><td>Diode laser de paillasse/Contrôleur TEC, 1A/96 W</td><td>Thorlabs</td><td>ITC4001</td><td></td></tr><tr><td>Monture de diode laser papillon</td><td>Thorlabs</td><td>LM14S2</td><td></td></tr><tr><td>Fourche de serrage</td><td>Thorlabs</td><td>CF175</td><td></td></tr><tr><td>compactRIO</td><td>National Instruments</td><td></td><td>Pour l’acquisition de données</td></tr><tr><td>Dépoussiéreur</td><td>RS Components</td><td>168-1644</td><td></td></tr><tr><td>FC/APC à FC/APC Manchon d’accouplement à support en L unique</td><td>Thorlabs</td><td>ADAFCB3</td><td>Plusieurs nécessaires</td></tr><tr><td>Fluide de nettoyage de fibre</td><td>Thorlabs</td><td>RCS3</td><td></td></tr><tr><td>Circulateur SM à fibre optique</td><td>Technologies AFW</td><td>CIR-3-15-L-1-2</td><td></td></tr><tr><td>Coupleur SM à fibre optique 1 x 2, 90/10</td><td>Technologies AFW</td><td>FOBC-1-15-10-L-1-S-2</td><td>Uniquement si un photodétecteur équilibré est utilisé</td></tr><tr><td>Isolateur de fibre optique SM</td><td>AFW technologies</td><td>ISOD-15-L-1-2</td><td></td></tr><tr><td>Bobines de stockage de fibre optique</td><td>Thorlabs</td><td>FSR1</td> Multiples <td>nécessaires</td></tr><tr><td>Atténuateur fixe à fibre optique</td><td>Thorlabs</td><td>FA15T-APC</td> Différents <td>niveaux d’atténuation utilisés</td></tr><tr><td>Manchon GRIN/Virole, 1.818 mm de diamètre interne, 10 mm de longueur, verre borosilicaté</td><td>Thorlabs</td><td>51-2800-1800</td><td>Système de lentille Fiber-GRIN</td></tr><tr><td>Lentille GRIN, et Oslash ; 1,8 mm, pas de 0,23, 8 po, 1560 nm Longueur d’onde de conception, revêtement AR : 1250 - 1650 nm</td><td>Thorlabs</td><td>GRIN2315A</td><td>Système d’objectif Fiber-GRIN</td></tr><tr><td>Lampe UV-LED portable</td><td>RS Components</td><td>220-6819</td><td>Lampe pour le durcissement de l’adhésif&nbsp ;</td></tr><tr><td>Platine et base de haute précision</td><td>Newport</td><td>9062-X-M</td> Connecteur de tuyau <td>à trois nedded</td></tr><tr><td></td><td>RS Components</td><td></td><td>M5 fileté</td></tr><tr><td>Grand goniomètre, 44,5 mm Distance au point de rotation, &plusmn ; 5&deg ;, Métrique</td><td>Thorlabs</td><td>GNL18/M</td><td>Deux</td></tr><tr><td>nécessaires L-Bracket Accouplement Manchon</td><td>Thorlabs</td><td>ADAFCB3</td><td></td></tr><tr><td>Pinces à bouton magnétique</td><td>Thorlabs</td><td>BM075</td><td></td></tr> Plusieurs <tr><td>fois nécessaires Vis micrométrique</td><td>Newport</td><td>9355</td><td>Trois nedded</td></tr><tr><td>MIL-A-3920 Adhésif optique avec résilience, 1 oz.</td><td>Thorlabs</td><td>NOA61</td><td>Adhésif à durcissement UV</td></tr><tr><td>Base de montage, 50 mm x 75 mm x 10 mm</td><td>Thorlabs</td><td>BA2/M</td><td></td></tr><tr><td>O-Rings</td><td>Haberkorn</td><td></td><td>Tailles indiquées dans le texte</td></tr><tr><td>Plateau en fibre de composant passif</td><td>Thorlabs</td><td>BFCT</td> Adaptateur <td>de</td></tr><tr><td>base de socle</td><td>nécessaire multiples Thorlabs</td><td>BE1</td><td></td></tr><tr><td>Ferrule à queue de cochon, et Oslash ; 1,8 mm, 8&deg ;, FC/APC, AR Revêtement : 1310/1550 nm</td><td>Thorlabs</td><td>SMPF0115-APC</td><td>Fiber-GRIN-lens system</td></tr> Support <tr><td>de poteau</td><td>Thorlabs</td><td>PH30/M</td><td></td></tr><tr><td>Post-Mountable & Oslash ; Pince à virole 2,5 mm, taraudage M4</td><td>Thorlabs</td><td>FCM/M</td><td></td></tr><tr><td>Python</td><td>Python</td><td>3.9</td><td>Logiciel d’analyse de données numériques</td></tr><tr><td>Support à angle droit</td><td>Newport</td><td>9062-A-M</td><td></td></tr><tr><td>Monture d’objectif à centrage automatique</td><td>Thorlabs</td><td>SCL03</td><td></td></tr><tr><td>Silberschnitt 3001</td><td>Bohle&nbsp ;</td><td>3001</td><td>Set de coupe-verre</td></tr><tr><td>SM1 Plaque de cage standard filetée</td><td>Thorlabs</td><td>CP33/M</td><td></td></tr><tr><td>Appareil de séchage UV</td><td>Formlabs</td><td>Form Cure</td><td></td></tr><tr><td>1550 nm 20 mW papillon Diode laser DFB</td><td>AeroDiode</td><td>1550LD-5-0-0-2</td><td></td></tr><tr><td>Imprimante 3D</td><td>Formlabs</td><td>3+</td><td></td></tr><tr><td>&Oslash ; Fenêtre de précision à large bande UVFS 1/2", non traitée, t = 3 mm</td><td>Thorlabs</td><td>WG40530</td><td>Spacers</td></tr> <tr><td>& Oslash ; Miroir diélectrique à large bande 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) UVFS Séparateur de faisceau, Revêtement : 1,2 - 1,6 & micro ; m, t = 3 mm</td><td>Thorlabs</td><td>BST06</td><td>Séparateur de faisceau</td></tr></tbody></table>

fabrication d’un etalon fabry-pérot à faible coût, couplé à la fibre et espacé d’air

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

Les etalons Fabry-Pérot (FPE) ont trouvé leur place dans de nombreuses applications. Dans des domaines tels que la spectroscopie, les télécommunications et l’astronomie, les FPE sont utilisés pour leur sensibilité élevée ainsi que pour leur capacité de filtrage exceptionnelle. Cependant, les étalons espacés d’air avec une grande finesse sont généralement construits par des installations spécialisées. Leur production nécessite une salle blanche, une manipulation spéciale du verre et des machines de revêtement, ce qui signifie que les FPE disponibles dans le commerce sont vendus à un prix élevé. Dans cet article, une nouvelle méthode rentable pour fabriquer des EPF couplés à des fibres avec un équipement de laboratoire photonique standard est présentée. Le protocole devrait servir de guide étape par étape pour la construction et la caractérisation de ces EPF. Nous espérons que cela permettra aux chercheurs de procéder à un prototypage rapide et rentable de FPE pour divers domaines d’application. Le FPE, tel que présenté ici, est utilisé pour des applications spectroscopiques. Comme le montre la section des résultats représentatifs via les mesures de preuve de principe de la vapeur d’eau dans l’air ambiant, ce FPE a une finesse de 15, ce qui est suffisant pour la détection photothermique des concentrations de gaz à l’état de traces.

Comme on peut le voir à la figure 7, un FPE avec une fonction de réflectance bien définie pourrait être fabriqué.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65174/65174fig07.jpg"> Figure 7 : Fonction de réflectance mesurée du FPE fini. Un balayage de température, correspondant à un balayage de longueur d’onde du laser, a été effectué pour mesurer la fonction de réflectance du FPE. Ceci est utilisé pour évaluer des métriques telles que la pleine largeur à la moitié maximale (FWHM) et la plage spectrale libre (FSR) du dispositif fabriqué. La réflectance relative fait référence à la proportion relative de lumière réfléchie dans la fibre après avoir passé le FPE. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig07large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
Les métriques mesurées du FPE sont listées dans le tableau 1 et comparées aux valeurs calculées d’un etalon idéal avec les mêmes spécifications. Les formules pour un FPE idéal peuvent être trouvées dans la section d’introduction.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td>
			<td>Mesuré</td>
			<td>FPE idéal</td>
		</tr><tr><td>Finesse</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>Sensibilité</td>
			<td>14 1/nm</td>
			<td>21 1/nm</td>
		</tr></tbody></table>Tableau 1 : Comparaison des mesures mesurées et calculées de l’etalon FPE fabriqué.
Pour valider l’aptitude à une application désignée, le FPE est utilisé pour les mesures PTI de la vapeur d’eau dans l’air ambiant. Par conséquent, un laser d’excitation d’une longueur d’onde de 1 364 nm est guidé perpendiculairement dans la cellule au laser de la sonde. Les deux lasers se croisent à l’intérieur du FPE. Le laser d’excitation est modulé sinusoïdalement avec une fréquence de 125 Hz. En stabilisant le laser de la sonde sur la pente la plus raide du FPE, via un courant constant, la sensibilité la plus élevée du capteur est atteinte. Pour les mesures de vapeur d’eau, la cellule fonctionne avec des fenêtres ouvertes et est exposée à l’air ambiant avec une concentration de 13 762 ppmV, mesurée par un appareil de référence (température = 21,4 °C, pression = 979,9 hPa, humidité relative = 52,2%). Le signal est extrait au moyen d’une transformée de Fourier rapide (FFT) et comparé au signal de fond avec le laser d’excitation éteint, comme le montre la figure 8. Un rapport signal sur bruit supérieur à 7 000 peut être obtenu, ce qui correspond à une limite de détection d’environ 5 ppmV (3σ).
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65174/65174fig08.jpg"> Figure 8 : Mesures PTI de la vapeur d’eau dans l’air ambiant. En noir, le signal FFT d’une mesure avec excitation laser 125 Hz est affiché. En bleu, le signal de fond sans excitation est représenté. L’encart montre plus en détail le pic mesuré à 125 Hz. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig08large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
Fichier de codage supplémentaire 1 : Measurement_cell. SLDPRT. Fichier CAO pour la cellule de mesure. La cellule peut être adaptée aux exigences de l’application spécifique et ensuite imprimée en 3D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/measurement_cell.zip" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.</a>
Fichier de codage supplémentaire 2 : cap_etalon. SLDPRT. Fichier CAO pour la fixation de l’étalon à l’intérieur de la cellule de mesure. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/cap_etalon.zip" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.</a>
Fichier de codage supplémentaire 3 : cap_window. SLDPRT. Fichier CAO pour fixer les fenêtres laser sur la cellule de mesure. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/cap_window.zip" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.</a>

Ce protocole décrit la construction d’un etalon Fabry-Perot à faible coût, discret, couplé à des fibres et espacé d’air avec diverses applications, telles que la spectroscopie des gaz traces. La fabrication est possible dans n’importe quelle installation disposant d’un équipement de laboratoire optique standard.

Fabrication d’un Etalon Fabry-Pérot à faible coût, couplé à la fibre et espacé d’air

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

Dans le cadre de ma thèse de doctorat à l’Institut de mesure électrique et des systèmes de capteurs, je travaille sur l’évaluation du potentiel de miniaturisation des capteurs de gaz photothermiques et d’aérosols. Beaucoup d’efforts sont déployés pour rendre les capteurs photoniques plus robustes et polyvalents ou peu coûteux et miniaturisés, mais il est assez difficile de combiner ces objectifs avec la sélectivité et la sensibilité nécessaires. Le principal avantage de notre protocole provient de la facilité d’accès de la méthode.Sans avoir besoin d’une salle blanche ou de machines spéciales, notre protocole offre la possibilité d’un prototypage rentable avec un équipement photonique standard. Nous espérons que notre protocole permettra aux chercheurs de prototyper rapidement et facilement plusieurs configurations d’étalon de manière rapide et rentable. Nous continuerons à travailler sur la miniaturisation des capteurs photoniques d’aérosols et de gaz.Nous nous concentrerons sur de nouveaux principes de détection en exploitant les interactions entre la lumière structurée et la matière structurée.

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