Name: ייצור אטאלון פברי-פרוט בעלות נמוכה, מצומד סיבים ומרווח באוויר (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-02-03T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 22 s
Description: למד לייצר אטאלון Fabry-Perot בעלות נמוכה ומצומד סיבים לאופטיקה וחיישנים פוטוניים. שיטה זו מאפשרת אב-טיפוס מהיר ללא ציוד מיוחד ומייעלת מחקר בטכנולוגיות חיישן.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

העבודה המוצגת כאן נערכה במסגרת הפרויקט "חישה ירוקה" במימון FFG ותוכנית נאט"ו SPS "חיישני חלקיקים ננו פוטוניים לגילוי אירועי CBRN". העבודה נתמכה גם על ידי TU Graz Open Access Publishing Fund.

ייצור אטאלון פברי-פרוט ליישום בספקטרוסקופיית עקבות-גז

<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>

אין ניגודי עניינים.

מכיוון שה- FPE שנוצר בעקבות הפרוטוקול שניתן כאן מותאם ליישום ספציפי, התאמות אפשריות וצעדים קריטיים מוסברים בפרק זה. קודם כל, ה- FPE ותא המדידה מיועדים למדידות PTI. לכן, כניסת גז ויציאה, כמו גם ערוץ לייזר עירור, אשר בניצב לייזר בדיקה, מתווספים לתא. כל פתחי התא אטומים לאוויר באמצעות אורינגים ו/או מכוסים באמצעות חלונות UVFS כדי לאפשר התפשטות לייזר. אם נעשה שימוש שונה, התא, כפי שניתן בקובץ קידוד משלים 1, יכול להיות מעוצב מחדש ומותאם ליישום הספציפי. השחלה בשלב 1.4 מתבצעת לאחר ההדפסה. החוטים יכולים גם להיות מודפסים בתלת-ממד, אך מכיוון שאלה נוטים להישחק מהר, מודפסים רק חורים בקוטר חור הליבה המתאים, ואלה מושחלים לאחר מכן.
בחירת החומר עבור הספייסרים בשלב 2.1 היא קריטית. ההקבלה של הספייסרים קובעת את ההקבלה של מראות האטלון, ולכן משפיעה על העדינות7. במחקר זה נעשה שימוש בחלון UVFS מדויק בגודל 1/2 אינץ', כפי שמופיע בטבלת החומרים, עם הקבלה של ≤5 קשתות ושטוחות פני השטח של λ/10 מעל הצמצם השקוף. מקדם ההתפשטות התרמית של UVFS הוא 0.55 x 10−6/°C. ניתן להגדיל עוד יותר את יציבות הטמפרטורה על ידי שימוש, למשל, בספייסרים של Zerodur5 , עם מקדם התפשטות תרמית נמוך מ- 0.1 x 10−6/°C; עם זאת, זה יש את החיסרון של עלויות גבוהות יותר.
ה- FPE נוצר על ידי מראה אחת המשקפת במלואה, כמו גם מפצל קרן. למפצל הקורות משטח אחד מחזיר 70%, כמו גם צד אחורי מצופה אנטי רפלקטיבי. זה מאפשר צימוד של האור פנימה והחוצה אטלון. בנוסף, המצע של מפצל האלומות כולל צד טריז אחד כדי למנוע השפעות אטלון לא רצויות. הצד האחורי של המראה מחוספס מאותן סיבות.
בשלב 5.1, מתוארת ההגדרה האופטואלקטרונית למעקב אחר תהליך היישור. כל הסיבים המשמשים הם סיבי SMF-28 סטנדרטיים עם מחברי FC/APC. בשל היישום הייעודי עבור PTI, פוטו-גלאי מאוזן היה זמין במחקר זה, אך זה לא הכרחי באופן כללי. ניתן להשתמש במקום זאת בגלאי אור קונבנציונלי; במקרה זה, באמצעות מצמד 1 x 2 הוא מיושן. שינויים אלה אינם משפיעים על שאר רכיבי המערך, כפי שמוצג באיור 5. אפנון הזרם המשולש של לייזר הגשושית, כמתואר בשלב 5.4, מתאים לטאטוא אורך גל. יש לבחור טווח נוכחי מספיק כדי לטאטא לפחות שיא החזרה אחד של ה- FPE. לכן, FSR אחד יכול לשמש כלל אצבע. חישובים עבור FSR של FPE אידיאלי ניתן למצוא בסעיף מבוא. יחד עם מקדם הכוונון הנוכחי (nm/mA) של הלייזר, הנתון במדריך המתאים, ניתן לחשב את הטווח הנוכחי המכסה FSR אחד. לדוגמה, הלייזר ששימש בעבודה זו היה בעל מקדם כוונון זרם של 0.003 ננומטר/mA ונפלט באורך גל של 1,550 ננומטר. ה-FSR הצפוי של FPE אידיאלי עם מרווח מראה של 3 מ"מ, d, הוא כ-0.4 ננומטר. זה נותן טווח כוונון נוכחי של 133 mA.
בעבודה זו, תדר האפנון הוגדר ל -100 הרץ לתצוגה נוחה באוסילוסקופ. מכיוון שטווח כוונון הזרם הרצוי גדול למדי, ניתן להשתמש במנחת סיבים קבועים כדי להישאר במגבלות הכוח של הגלאי המשומש. ניתן להתקין את המנחת ישירות לאחר המבודד.
דבק ריפוי UV המשמש בשלב 6 ושלב 7 שקוף לאור לייזר ויש לו מקדם שבירה של 1.56. תהליך היישור, כמתואר בשלב 7.1, תלוי בגלאי האור הזמין. הגלאי המאוזן המשמש במערך זה מייצר פלט "אות" מתח שלילי. מטעמי הכללה, מניחים יציאת מתח חיובי לתיאור שלב 7.10 ובאיור 6. עבור אטלון מיושר היטב, שיא ההחזרה ילך לכיוון האפס, בעוד הפונקציה המשולשת תגדיל את יחס השיא לשיא שלה.
לצורך אפיון אטלון בשלב 8.1 נעשה שימוש בתוכנת חישוב מספרי (ראה טבלת חומרים). המתח הנמדד עבור כל שלב טמפרטורה הוא ממוצע ומשורטט, כפי שניתן לראות באיור 7. כדי להמיר את מדרגות הטמפרטורה לשלבי אורך גל, נעשה שימוש במקדם כוונון הטמפרטורה של לייזר הבדיקה. ספריות ניתוח אותות שילבו אלגוריתמים למציאת שיא, שניתן להשתמש בהם למטרה זו. מכיוון שניתוח הנתונים תלוי מאוד בפורמט הנתונים, לא מסופק כאן קוד, אך הוא יכול להיות זמין על ידי המחבר המתאים על פי בקשה.
מגבלה אפשרית של טכניקת הייצור המוצגת כאן היא היציבות התרמית והמכנית בסביבות משתנות. מכיוון שהיקף נייר הדרכה זה הוא אב טיפוס בעלות נמוכה של FPEs ליישומי מעבדה, לא ניתנות כאן בדיקות הנוגעות ליציבות מכנית וטמפרטורה. אם ה-FPE משמש ליישומים ניידים או בסביבות משתנות, יש לנקוט באמצעים נוספים על מנת לייצב באופן מכני את מערכת עדשות ה-fiber-GRIN ביחס לאטלון.
שיטה חדשה לייצור ואפיון FPE מודגמת כאן עם רכיבים אופטיים סטנדרטיים הזמינים בכל מעבדה פוטונית. FPE המוצג יש עדינות של כ 15 רגישות מספיק לגילוי כ 5 ppmV של אדי מים. מלבד היישום המוצג עבור PTI, FPE זה יכול לשמש ביישומים כגון בניית מיקרופונים אופטיים 20, אשר מיושמים בדרך כלל בתחום של בדיקות אל-הרס 23, מדידות אינדקס שבירה 24,25, או היגרומטרים 26, רק כדי שם כמה.

בצורתו הבסיסית ביותר, FPE מורכב משני מישורים מקבילים המשקפים חלקית משטחי מראה1. בהסברים הבאים, כאשר מתייחסים למראות, מתייחסים למצע האופטי ולציפוי הרפלקטיבי כאחד. ברוב היישומים, המראות המשמשות כוללות משטח טריז אחד2 כדי למנוע השפעות אטלון לא רצויות. איור 1 מדגים את היווצרות תבנית ההתאבכות של אטלון מרווח אוויר (איור 1A), כמו גם את פונקציית ההחזרה עבור החזרי מראה שונים (איור 1B).
האור נכנס לחלל דרך מראה אחת, עובר השתקפויות מרובות, ויוצא מהחלל על ידי השתקפות כמו גם שידור. מכיוון שמאמר זה מתמקד בייצור של FPE המופעל בהשתקפות, ההסברים הנוספים מתייחסים באופן ספציפי להרפלקציה. הגלים העוזבים את החלל מפריעים, בהתאם להפרש הפאזה, q = 4πnd/λ. כאן, n הוא מקדם השבירה בתוך החלל, d הוא מרווח המראה, ו-λ הוא אורך הגל של מקור האור של האינטרפרומטר, הנקרא כאן לייזר הגשושית. השתקפות מינימלית מתרחשת כאשר הפרש הנתיב האופטי תואם לכפולה השלמה של אורך הגל, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq02.jpg" style="margin: auto;">. העדינות של אטלון מקבילי-מישורי אידיאלי נקבעת על ידי החזרות המראה R1 ו-R2 רק3:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq03.jpg" style="margin: auto;">
עם זאת, אטלון אמיתי נתון להפסדים רבים, אשר משפילים את העדינות התיאורטית הניתנת להשגה 4,5,6. סטייה של תקבולת המראה7, שכיחות לא נורמלית של קרן הלייזר, צורת קרן8, זיהומים בפני המראה, פיזור, בין היתר, מובילים להפחתת העדינות. ניתן לתאר את דפוס ההפרעה האופייני על ידי הפונקציה אוורירי1:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq04.jpg" style="margin: auto;">
ניתן לחשב את הרוחב המלא בחצי מקסימום (FWHM), כמו גם את הטווח הספקטרלי החופשי (FSR) של פונקציית ההחזרה, באופן הבא:
<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"> איור 1: תיאוריית האינטרפרומטר פברי-פרו . (A) תיאור סכמטי של התאבכות רב-אלומה עבור אטלון מרווח אוויר עם חלונות תקועים. גל מישורי, E0, נכנס לחלל בזווית מסוימת, φ, דרך משטח מצופה נגד השתקפות (AR) ולאחר מכן עובר השתקפויות מרובות בין המשטחים בעלי ההשתקפות הגבוהה (R גבוה) במרווחים מרוחקים, d. עם כל השתקפות, חלק מהאור נמצא מחוץ לאטלון או בשידור או בהחזרה, שם הוא מפריע לגלים האחרים. (B) פונקציית ההחזרה של אטלון פברי-פרו אידיאלי עבור החזרי מראה שונים (ציר y). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
ניתן למצוא FPEs במגוון רחב של יישומים 9,10,11. במקרה המוצג כאן, FPE משמש בהגדרת אינטרפרומטריה פוטותרמית (PTI). ב-PTI, צפיפות קטנה, ומכאן שינויים במקדם השבירה, הנגרמים על ידי עירור תקופתי ואחריו תרמיזציה מהירה של גז מטרה באמצעות לייזר שני, נמדדים באופן אינטרפרומטרי12. כמות החום, ולכן גודל השינוי במדד השבירה פרופורציונליים לריכוז הגז. בעת מדידת עוצמת פונקציית ההחזרה של FPE בנקודה התלולה ביותר שלה (נקודת פעולה), שינויים אלה במקדם השבירה מזיזים את פונקציית ההחזרה, ובכך משנים את העוצמה הנמדדת. מכיוון שניתן להניח שפונקציית ההחזרה היא ליניארית באזור סביב נקודת הפעולה, האות הנמדד הוא אז פרופורציונלי לריכוז הגז. רגישות החיישן נקבעת על ידי שיפוע פונקציית ההחזרה ולכן היא פרופורציונלית לעדינות. PTI, בשילוב עם FPEs, הוכח כשיטה רגישה וסלקטיבית לזיהוי כמויות זעירות של גזים ואירוסולים 13,14,15,16,17,18. בעבר, חיישנים רבים למדידות לחץ ואקוסטיקה הסתמכו על שימוש בחלקים נעים, כמו ממברנות, שהחליפו את המראה השנייה של FPE19. סטיות של הממברנה מובילות לשינוי במרחק המראה ובכך באורך הנתיב האופטי. מכשירים אלה יש את החיסרון של להיות נוטה תנודות מכניות. בשנים האחרונות, הפיתוח של מיקרופונים אופטיים באמצעות FPE מוצק הגיע לרמה מסחרית20. על ידי הימנעות משימוש בחלקים נעים, המדידה השתנתה ממרחק למקדם השבירה בתוך חלל פברי-פרו, ובכך הגדילה את הקשיחות של החיישנים באופן משמעותי.
FPEs זמינים באוויר זמינים מסחרית עולים מעבר למה שמקובל לאב טיפוס ולבדיקה, כמו גם שילוב מכשירי ייצור בנפח גבוה. רוב הפרסומים המדעיים הבונים ומשתמשים ב- FPE כאלה דנים בנושא הייצור רק באופן מינימלי21,22. ברוב המקרים, ציוד ומכונות ספציפיים (למשל, חדרים נקיים, מתקני ציפוי וכו ') נחוצים; לדוגמה, עבור FPE משולב סיבים מלאים, ציוד micromachining מיוחד הוא הכרחי. כדי להפחית את עלויות הייצור ולאפשר בדיקה של תצורות FPE שונות מרובות כדי לשפר את התאמתן להגדרות PTI, פותחה שיטת ייצור חדשה, המתוארת בפירוט בפרוטוקול הבא. על ידי שימוש רק ברכיבים אופטיים סטנדרטיים בתפזורת ובסיבים אופטיים של טלקום, ניתן להפחית את עלויות הייצור לפחות מ-400 אירו. כל מתקן שעובד עם ציוד פוטוני סטנדרטי אמור להיות מסוגל לשחזר את תוכנית הייצור שלנו ולהתאים אותה ליישומים שלהם.

<table><tbody><tr><td>מקלט צילום מאוזן אוטומטית נירוונה</td><td>ניו פוקוס, בע"מ</td><td>2017</td><td>פוטו-גלאי מאוזן</td></tr><tr><td>דיודת לייזר ספסל / בקר TEC, 1A / 96 W</td><td>Thorlabs</td><td>ITC4001</td><td></td></tr><tr><td>תושבת דיודת לייזר פרפר</td><td>Thorlabs</td><td>LM14S2</td><td></td></tr><tr><td>מזלג הידוק</td><td>Thorlabs</td><td>CF175</td><td></td></tr><tr><td>compactRIO</td><td>National Instruments</td><td></td><td>לרכישת נתונים</td></tr><tr><td>מסיר אבק</td><td>רכיבי RS</td><td>168-1644</td><td></td></tr><tr><td>FC / APC ל- FC / APC שרוול הזדווגות L-Bracket יחיד</td><td>Thorlabs</td><td>ADAFCB3</td> נוזל ניקוי סיבים <td>מרובים דרושים</td></tr><tr><td></td><td>Thorlabs</td><td>RCS3</td><td></td></tr><tr><td>סיבים אופטיים SM סירקולטור</td><td>טכנולוגיות AFW</td><td>CIR-3-15-L-1-2</td><td></td></tr><tr><td>מצמד SM סיבים אופטיים 1 x 2, 90/10</td><td>טכנולוגיות AFW</td><td>FOBC-1-15-10-L-1-S-2</td><td>רק אם נעשה שימוש</td></tr> <tr><td>בגלאי פוטו מאוזןסיבים אופטיים SM</td><td>מבודד AFW טכנולוגיות</td><td>ISOD-15-L-1-2</td><td></td></tr><tr><td>סלילי אחסון סיבים אופטיים</td><td>Thorlabs</td><td>FSR1</td><td>מספר דרושים</td></tr><tr><td>מנחת סיבים אופטיים קבועים</td><td>Thorlabs</td><td>FA15T-APC</td><td>רמות הנחתה שונות בשימוש</td></tr><tr><td>שרוול GRIN/Ferrule, קוטר פנימי 1.818 מ"מ, אורך 10 מ"מ, זכוכית בורוסיליקט</td><td>Thorlabs</td><td>51-2800-1800</td><td>מערכת עדשות סיבים</td></tr><tr><td>עדשת גרין, ואוסלאש; 1.8 מ"מ, 0.23 גובה, 8&deg;, 1560 ננומטר אורך גל עיצוב, AR מצופה: 1250 - 1650 ננומטר</td><td>Thorlabs</td><td>GRIN2315A</td><td>מערכת עדשות סיבים-GRIN</td></tr><tr><td>מנורת UV-LED כף יד</td><td>רכיבי RS</td><td>220-6819</td><td>מנורה לריפוי הדבק&nbsp;</td></tr><tr><td>שלב דיוק גבוה ובסיס</td><td>ניופורט</td><td>9062-X-M</td><td></td></tr> שלושה <tr><td>קונקטור צינור</td> מחוספס <td>רכיבי</td><td></td><td>RS M5 הברגה</td></tr><tr><td>גוניומטר גדול, 44.5 מ"מ מרחק לנקודת סיבוב, &plusmn; 5&deg;,</td><td>Thorlabs</td> מטרי <td>GNL18/M</td><td>שני</td></tr><tr><td>שרוול הזדווגות L-Bracket</td><td>דרושים Thorlabs</td><td>ADAFCB3</td><td></td></tr><tr><td>מהדקי כפתורים מגנטיים</td><td>Thorlabs</td><td>BM075</td> בורג מיקרומטר <td>מרובה ניופורט</td></tr><tr><td></td><td></td><td>9355</td><td></td></tr><tr><td>דבק אופטי MIL-A-3920 עם גמישות, 1 אונקיה.</td><td>Thorlabs</td><td>NOA61</td><td>דבק לריפוי UV</td></tr><tr><td>בסיס הרכבה, 50 מ"מ x 75 מ"מ x 10 מ"מ</td><td>Thorlabs</td><td>BA2/M</td><td></td></tr><tr><td>טבעות O</td><td>Haberkorn</td><td></td><td>גדלים ניתנים בטקסט</td></tr><tr><td>מגש סיבים רכיב פסיבי</td><td>Thorlabs</td><td>BFCT</td> מתאם בסיס הדום <td>דרוש מרובה</td></tr><tr><td></td><td>Thorlabs</td><td>BE1</td><td></td></tr><tr><td>פרול צמה, ואוסלאש; 1.8 מ"מ, 8&deg;, FC/APC, AR מצופה: 1310/1550 ננומטר</td><td>Thorlabs</td><td>SMPF0115-APC</td><td>מערכת עדשות סיבים-GRIN-מחזיק</td></tr><tr><td>עמוד</td><td>Thorlabs</td><td>PH30/M</td><td></td></tr><tr><td>לאחר הרכבה ואוסלאש; 2.5 מ"מ מהדק טבעת, M4 ברז</td><td>Thorlabs</td><td>FCM/M</td><td></td></tr><tr><td>Python</td><td>Python</td><td>3.9</td><td>תוכנה לניתוח נתונים מספריים</td></tr><tr><td>תושבת זווית ישרה</td><td>ניופורט</td><td>9062-A-M</td><td></td></tr><tr><td>תושבת עדשה מרוכזת עצמית</td><td>Thorlabs</td><td>SCL03</td><td></td></tr><tr><td>Silberschnitt 3001</td><td>Bohle&nbsp;</td><td>3001</td><td>Glas חותך סט</td></tr><tr><td>SM1-הברגה סטנדרטית כלוב</td><td>צלחת Thorlabs</td><td>CP33/M</td><td></td></tr><tr><td>מכשיר ריפוי UV</td><td>Formlabs</td><td>Form Cure</td><td></td></tr><tr><td>1550 ננומטר 20 mW פרפר DFB דיודת לייזר</td><td>AeroDiode</td><td>1550LD-5-0-0-2</td><td></td></tr><tr><td>מדפסת תלת מימד</td><td>Formlabs</td><td>3+</td><td></td></tr><tr><td>&Oslash; חלון דיוק בפס רחב UVFS בגודל 1/2 אינץ', לא מצופה, t = 3 מ"מ</td><td>Thorlabs</td><td>WG40530</td><td>מרווחים</td></tr><tr><td>&Oslash; מראה דיאלקטרית בפס רחב 1/2 אינץ', 1280 - 1600 ננומטר</td><td>Thorlabs</td><td>BB05-E04</td><td>מראה</td></tr> <tr><td>ואוסלאש; 1/2 אינץ' 70:30 (R:T) UVFS מפצל קורות צלחת, ציפוי: 1.2 - 1.6 ומיקרו; m, t = 3 מ"מ</td><td>Thorlabs</td><td>BST06</td><td>Beamsplitter</td></tr></tbody></table>

ייצור אטאלון פברי-פרוט בעלות נמוכה, מצומד סיבים ומרווח באוויר

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

Fabry-Pérot etalons (FPE) מצאו את דרכם ליישומים רבים. בתחומים כגון ספקטרוסקופיה, טלקומוניקציה ואסטרונומיה, FPEs משמשים בשל רגישותם הגבוהה כמו גם יכולת הסינון יוצאת הדופן שלהם. עם זאת, אטלונים מרווחים באוויר עם עדינות גבוהה נבנים בדרך כלל על ידי מתקנים מיוחדים. הייצור שלהם דורש חדר נקי, טיפול מיוחד בזכוכית ומכונות ציפוי, כלומר FPE זמין מסחרית נמכרים במחיר גבוה. במאמר זה מוצגת שיטה חדשה וחסכונית לייצור FPEs מצומדים לסיבים עם ציוד מעבדה פוטוני סטנדרטי. הפרוטוקול צריך לשמש כמדריך שלב אחר שלב לבנייה ואפיון של FPEs אלה. אנו מקווים שזה יאפשר לחוקרים לבצע אב טיפוס מהיר וחסכוני של FPEs עבור תחומי יישום שונים. ה- FPE, כפי שמוצג כאן, משמש ליישומים ספקטרוסקופיים. כפי שמוצג בסעיף התוצאות המייצגות באמצעות הוכחת מדידות עקרוניות של אדי מים באוויר הסביבה, FPE זה יש עדינות של 15, אשר מספיק לזיהוי פוטותרמי של ריכוזי עקבות של גזים.

כפי שניתן לראות באיור 7, FPE עם פונקציית החזרה מוגדרת היטב יכול להיות מפוברק.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65174/65174fig07.jpg"> איור 7: פונקציית החזרה מדודה של ה-FPE המוגמר. בוצע טאטוא טמפרטורה, המתאים לטאטוא אורך גל של הלייזר, כדי למדוד את פונקציית ההחזרה של ה- FPE. זה משמש להערכת מדדים כמו הרוחב המלא בחצי מקסימום (FWHM) והטווח הספקטרלי החופשי (FSR) של המכשיר המפוברק. החזרה יחסית מתייחסת ליחס היחסי של האור המוחזר בחזרה לתוך הסיב לאחר שעבר את ה- FPE. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig07large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
המדדים הנמדדים של ה- FPE מפורטים בטבלה 1 ומושווים לערכים המחושבים של אטלון אידיאלי עם אותם מפרטים. ניתן למצוא את הנוסחאות עבור FPE אידיאלי בסעיף המבוא.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td>
			<td>נמדד</td>
			<td>FPE אידיאלי</td>
		</tr><tr><td>פינס</td>
			<td>12.8</td>
			<td>17.1</td>
		</tr><tr><td>FWHM</td>
			<td>0.0268 נאנומטר</td>
			<td>0.0234 נאנומטר</td>
		</tr><tr><td>FSR</td>
			<td>0.3441 נאנומטר</td>
			<td>0.4004 נאנומטר</td>
		</tr><tr><td>רגישות</td>
			<td>14 1/ננומטר</td>
			<td>21 1/ננומטר</td>
		</tr></tbody></table>טבלה 1: השוואה בין המדדים הנמדדים והמחושבים של אטלון FPE מפוברק.
כדי לאמת את ההתאמה ליישום ייעודי, ה- FPE משמש למדידות PTI של אדי מים באוויר הסביבה. לכן, לייזר עירור באורך גל של 1,364 ננומטר מונחה לתוך התא בניצב ללייזר הגשושית. שני הלייזרים מצטלבים בתוך ה-FPE. לייזר העירור הוא אפנן סינוזואידית עם תדר של 125 הרץ. על ידי ייצוב לייזר הבדיקה במדרון התלול ביותר של ה- FPE, באמצעות זרם קבוע, מושגת הרגישות הגבוהה ביותר של החיישן. עבור מדידות אדי מים, התא מופעל עם חלונות פתוחים וחשוף לאוויר הסביבה בריכוז של 13,762 ppmV, כפי שנמדד על ידי מכשיר ייחוס (טמפרטורה = 21.4 ° C, לחץ = 979.9 hPa, לחות יחסית = 52.2%). האות מופק באמצעות התמרת פורייה מהירה (FFT) ומושווה לאות הרקע כאשר לייזר העירור כבוי, כפי שמוצג באיור 8. ניתן לקבל יחס אות לרעש של יותר מ-7,000, המתאים למגבלת זיהוי של כ-5 ppmV (3σ).
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65174/65174fig08.jpg"> איור 8: מדידות PTI של אדי מים באוויר הסביבה. בשחור, אות FFT של מדידה עם עירור לייזר של 125 הרץ מוצג. בכחול, אות הרקע ללא עירור מתואר. הכניסה מציגה את השיא הנמדד ב- 125 הרץ בפירוט רב יותר. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig08large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
קובץ קידוד משלים 1: Measurement_cell. SLDPRT. קובץ CAD לתא המדידה. התא יכול להיות מותאם לדרישות של היישום הספציפי ולאחר מכן מודפס 3D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/measurement_cell.zip" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>
קובץ קידוד משלים 2: cap_etalon. SLDPRT. קובץ CAD לתיקון האטלון בתוך תא המדידה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/cap_etalon.zip" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>
קובץ קידוד משלים 3: cap_window. SLDPRT. קובץ CAD לקיבוע חלונות הלייזר לתא המדידה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/cap_window.zip" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>

פרוטוקול זה מתאר בנייה של אטלון פברי-פרו בעלות נמוכה, בדיד, מצומד סיבים ומרווח אוויר, עם יישומים שונים, כגון בספקטרוסקופיית גז עקבות. הייצור אפשרי בכל מתקן עם ציוד מעבדה אופטי סטנדרטי זמין.

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

במסגרת עבודת הדוקטורט שלי במכון למדידת חשמל ומערכות חיישנים, אני עובד על הערכת פוטנציאל המזעור של חיישני גז פוטותרמי ואירוסול. מאמצים רבים מושקעים בהפיכת חיישנים פוטוניים לחזקים ורב-תכליתיים יותר או בעלות נמוכה וממוזערים, אך זה די מאתגר לשלב מטרות אלה עם סלקטיביות ורגישות הכרחיות. היתרון העיקרי של הפרוטוקול שלנו נובע מהנגישות הקלה של השיטה.ללא צורך בחדר נקי או מכונות מיוחדות, הפרוטוקול שלנו מציע הזדמנות לאב טיפוס חסכוני עם ציוד פוטוני סטנדרטי. אנו מקווים כי הפרוטוקול שלנו יאפשר לחוקרים אב טיפוס מהיר וקל של תצורות אטלון מרובות בזמן ובצורה חסכונית. נמשיך לעבוד על מזעור חיישני אירוסול פוטוני וגז.נתמקד בעקרונות חישה חדשים על ידי ניצול יחסי הגומלין בין אור מובנה לחומר מובנה.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

Metamaterials בתדרי terahertz להציע הזדמנויות ייחודיות, אבל הם מאתגרים לפברק בתפזורת. אנחנו מתאימים את הליך הייצור לסיבים אופטיים פולימר microstructured בזול כדי להמציא metamaterials פוטנציאל בקנה מידה תעשייתי. אנו מייצרים סיבי polymethylmethacrylate המכילים ~ 10 חוטי אינדיום קוטר מיקרומטר מופרדים על ידי ~ 100 מיקרומטר, שמציג תגובת plasmonic terahertz.

Metamaterials בודה בשיטת ציור הסיבים

אנו מפתחים ולאפיין סיב אופטי פולימר הפרעות המשתמש לוקליזציה אנדרסון רוחבית כמנגנון waveguiding רומן. סיבי microstructured זה יכול להעביר קרן מקומית קטנה עם רדיוס כי ניתן להשוות את רדיוס האלומה של סיבים אופטיים קונבנציונליים.

ייצור ואפיון של סיבים אופטיים הפרעות פולימר ללוקליזציה רוחבית אנדרסון אור

שני נוזלים סמוכים העוברים דרך ערוץ מיקרופלואידי מחורץ יכולים להיות מכוונים ליצירת נדן סביב ליבת רב-אופן; ובכך לקבוע הן צורה והן חתך רוחב. פולמור Photoinitiated, כגון כימיה לחץ תיול, מתאים היטב לחיזוק במהירות את נוזל הליבה לתוך מיקרופייבר עם גודל וצורה קבועים מראש.

ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש

עירורים אופטו-מכניים פרמטריים הודגמו לאחרונה בניסוי בתהודה אופטומכנית מיקרופלואידית באמצעות לחץ קרינה אופטי ופיזור ברילואין מגורה. מאמר זה מתאר את הייצור של מהודים מיקרופלואידיים אלה יחד עם מתודולוגיות ליצירה ואימות של תנודות אופטומכניות.

ייצור ובדיקה של מתנדים optomechanical Microfluidic

אנו מציגים פרוטוקול עבור בודה חללים גבישים פוטוניים 1-D על סיבי סיליקה בקוטר subwavelength (nanofibers אופטי) באמצעות אבלציה לייזר המושרה femtosecond.

המצאה של 1-D פוטוניים Crystal חלל על nanofiber שימוש Femtosecond אבלציה לייזר המושרה

פרוטוקולים לסינתזה של microspheres מפולימרים, מניפולציה של microspheres, ומדידות photoluminesencence מיקרו מוצגים.

ייצור של פולימרים microspheres עבור מהוד אופטי ויישומי לייזר

פרוטוקול זה מתאר את תכנון וייצור של גשר מים והפעלה שלה כמו סיבים מים. הניסוי מדגים כי נימי מגנטיים של סיבי מים לווסת את התשדורת אופטי.

עיצוב, ייצור של סיב אופטי עשויים מים

שיטה מוצגת כדי לבנות מותאם אישית בעלות נמוכה, מצב נעול לייזר סיבים השני ליישומים פוטנציאליים מיקרוסקופ multiphoton, אנדוסקופיה, ו photomedicine. לייזר זה בנוי באמצעות חלקים זמינים מסחרית וטכניקות שחבור בסיסיות.

בעלות נמוכה ייצור מותאם אישית ומצב-הפעלה נעולה של כל נורמלי-נפיצה לייזר סיבים שנייה עבור מיקרוסקופ רב פוטון

אנו מציגים שיטות ייצור של microstructures בדוגמת של צינורות פחמן מיושר אנכית (CNTs), והשימוש בהם כמו תבניות בסיס לייצור microstructures פולימר במרקם מאורגן פני הננומטרי. ביערות ה-CNT הם densified על ידי עיבוי של ממס על מצע, אשר מגביר באופן משמעותי את צפיפות האריזה שלהם ומאפשר עצמית מכוונת היווצרות של צורות 3D.

ייצור, Densification, העתק דפוס של Microstructures Nanotube 3D פחמן

פרוטוקול זה מתאר את הסימולציה, הייצור והאפיון של בולמי metamaterial THz. בולמים כאלה, כאשר יחד עם חיישן מתאים, יש יישומים בTHz הדמיה וספקטרוסקופיה.

סימולציה, ייצור ואפיון של בולמי metamaterial THz

למד לייצר אטאלון Fabry-Perot בעלות נמוכה ומצומד סיבים לאופטיקה וחיישנים פוטוניים. שיטה זו מאפשרת אב-טיפוס מהיר ללא ציוד מיוחד ומייעלת מחקר בטכנולוגיות חיישן.

ייצור אטאלון פברי-פרוט בעלות נמוכה, מצומד סיבים ומרווח באוויר

גלה סרטונים נוספים