方法論記事

低コスト、ファイバー結合、空隙ファブリペローエタロンの製造

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DOI:

10.3791/65174

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2023年2月3日

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

この記事について

サマリー

このプロトコルでは、微量ガス分光法などのさまざまなアプリケーションを使用した、低コスト、ディスクリート、ファイバー結合、および空気間隔のファブリペローエタロンの構築について説明します。製造は、標準的な光学実験装置が利用可能な任意の施設で可能です。

要約

ファブリ・ペローのエタロン(FPE)は、多くの用途に採用されています。分光法、電気通信、天文学などの分野では、FPEは高感度と優れたフィルタリング機能のために使用されています。ただし、フィネスの高い空域エタロンは通常、特殊な施設によって構築されます。その生産には、クリーンルーム、特殊なガラスハンドリング、コーティング機械が必要であり、市販のFPEは高価格で販売されています。本稿では、標準的なフォトニック実験装置を使用してファイバ結合FPEを製造するための新しい費用効果の高い方法を紹介します。このプロトコルは、これらのFPEの構築と特性評価のためのステップバイステップガイドとして機能する必要があります。 これにより、研究者がさまざまなアプリケーション分野のFPEの迅速かつ費用対効果の高いプロトタイピングを実施できるようになることを願っています。ここに示すFPEは、分光アプリケーションに使用されます。周囲空気中の水蒸気の原理測定の証明による代表的な結果セクションに示すように、このFPE の フィネスは15であり、微量濃度のガスの光熱検出に十分です。

概要

最も基本的な形態では、FPEは、部分的に反射する2つの平面平行な鏡面1からなる。なお、以下の説明では、ミラーについて言及する場合、光学基材と反射被膜とを1つとして扱う。ほとんどのアプリケーションでは、使用されるミラーは、望ましくないエタロン効果を防ぐために1つのくさび面2を備えています。図1は、エアスペースエタロンの干渉パターンの形成(図1A)と、さまざまなミラー反射率の反射率関数(図1B)を示しています。

光は1つのミラーを通って空洞に入り、複数の反射を受け、反射と透過によって空洞から出ます。本稿では反射率で動作するFPEの作製に焦点を当てているため、以降の説明では特に反射について言及します。キャビティから出る波は、位相差に応じて、 q = 4πnd/λで干渉します。ここで、 n は空洞内部の屈折率、 d はミラー間隔、λは干渉計の光源の波長であり、ここではプローブレーザーと呼ばれます。最小反射率は、光路差が波長 figure-introduction-1の整数倍と一致するときに発生します。理想的な平面平行エタロンのフィネスは、ミラー反射率R1 とR2 のみ3によって決定されます。

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ただし、実際のエタロンは多くの損失の影響を受けやすく、理論的に達成可能なフィネス4,5,6が低下します。ミラー平行度7のずれは、レーザ光の非垂直入射、ビーム形状8、ミラー表面不純物、および散乱、とりわけ、フィネスの低下を招く。特徴的な干渉パターンは、Airy関数1で記述できます。

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半値幅(FWHM)と反射率関数の自由スペクトル範囲(FSR)は、次のように計算できます。

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図1:ファブリ・ペロー干渉計理論 。 (A)くさび窓を備えた空隙エタロンのマルチビーム干渉の概略図。平面波E0は、反射防止(AR)コーティングされた表面を通って、特定の角度φ下で空洞に入り、続いて、距離dに間隔を空けた高反射(高R)表面間で多重反射を受ける。反射するたびに、光の一部は透過または反射のいずれかでエタロンから外結合され、他の波と干渉します。(B)異なるミラー反射率(y軸)に対する理想的なファブリペローエタロンの反射率関数。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

FPEは、幅広いアプリケーションで見つけることができます9、10、11。ここに示すケースでは、FPEは光熱干渉計(PTI)セットアップで使用されます。PTIでは、周期的な励起とそれに続く第2のレーザーを介したターゲットガスの高速熱化によって引き起こされる小さな密度、したがって屈折率の変化が干渉的に測定されます12。熱量、したがって屈折率変化の大きさはガス濃度に比例します。FPEの最も急峻な点(動作点)で反射率関数の強度を測定する場合、これらの屈折率の変化は反射率関数をシフトさせ、それによって測定強度を変化させる。反射率は動作点周辺の領域で線形であると仮定できるため、測定信号はガス濃度に比例します。センサーの感度は反射率関数の傾きによって決定されるため、フィネスに比例します。PTIは、FPEと組み合わせて、微量のガスおよびエアロゾルを検出するための高感度で選択的な方法であることが証明されています13、14、15、16、17、18。これまで、圧力および音響測定用の多くのセンサーは、FPE19の2番目のミラーの代わりに、膜などの可動部品の使用に依存していました。膜のたわみは、ミラー距離、ひいては光路長の変化をもたらす。これらの機器には、機械的振動が発生しやすいという欠点があります。近年、固体FPEを使用した光マイクの開発は、商用レベル20に達しています。可動部品の使用を控えることで、測定値は距離からファブリペローキャビティ内の屈折率に変化し、センサーの堅牢性が大幅に向上しました。

市販の空域FPEは、プロトタイピングやテスト、および大量生産機器の統合に許容できるコストを超えています。そのようなFPEを構築して使用するほとんどの科学出版物は、製造のトピックについて最小限にしか議論していません21,22。ほとんどの場合、特定の機器や機械(クリーンルーム、コーティング施設など)が必要です。たとえば、完全にファイバー統合されたFPEの場合、特別な微細加工装置が必要です。製造コストを削減し、複数の異なるFPE構成のテストを可能にしてPTIセットアップへの適合性を高めるために、次のプロトコルで詳細に説明されている新しい製造方法が開発されました。市販の標準的なバルク光および通信光ファイバーコンポーネントのみを使用することで、製造コストを400ユーロ未満に削減できます。標準的なフォトニック機器を使用するすべての施設は、私たちの製造スキームを再現し、それをアプリケーションに適応させることができるはずです。

プロトコル

1.測定セルの3次元印刷

  1. 補足コーディング・ファイル1に記載されている測定セルをアプリケーションに適合させます。バルク光学材料を取り付けるためのセルとキャップ(補足コーディングファイル1〜3で示されている)を3次元印刷します。
    注:本研究ではSLA 3Dプリンターを使用しました( 材料表を参照)。
  2. 印刷ジョブの生成中は、キャビティと開口部内の支持構造の数を最小限に抑えるようにしてください。樹脂が残っていると直径が小さくなり、バルク光学系が詰まる可能性があります。
  3. 印刷後、イソプロピルアルコールでセルを洗浄し、ワイヤーカッターとサンドペーパーですべての支持構造を取り除きます。
  4. 印刷直後および硬化前に適切な穴を通します。
    1. ガスの入口と出口をM5としてねじ込み、ホースコネクタを取り付けます。
    2. 下部の中央の穴をM4として通し、セルの取り付け後に対応します。
    3. 小さい方の貫通穴をM3としてケージロッド貫通穴に垂直にねじ込み、セルをケージシステムに固定できるようにします(図2)。
  5. 市販のUV硬化装置を使用して、セル(405 nm)とキャップを60°Cで少なくとも40分間UV硬化させます( 材料の表を参照)。

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図2:測定セルのラベル付きCADモデルレンダリング。 ここでは、わかりやすくするために断面図を示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. スペーサーの準備

  1. 1つのUV溶融シリカ(UVFS)精密ウィンドウから2つのスペーサーを切り取ります。 図3Bに示すように、精密窓から幅約3mmの2枚を切り取ります。
    注意: スペーサーは、従来の低コストのガラスカッターを使用して切断できます(材料の表を参照)。
    注意: バルク光学部品を切断および取り扱うときは、手袋と保護メガネを着用してください。
  2. カッターツールで精密窓に直線をスクライブし、ペンチを使用してガラスを割ります。ガラス表面の損傷を防ぐために、常に平らなペンチを使用し、金属とガラスの間にレンズクリーニングティッシュ(または同様のもの)を置きます。
  3. ダスタースプレーでスペーサーを清掃し、残留ガラスの破片を取り除きます。
    注意: さらに、スペーサーは、圧力をかけずにレンズ洗浄液とレンズ洗浄ティッシュで慎重に拭くことができます。

3.エタロンの組み立て

  1. 3Dプリントされたセル(ステップ1)を、エタロンピットを上に向けてテーブルに置きます。
  2. Oリング(10 mm x 1 mm、 材料表を参照)をエタロンピットに挿入し、指定された溝に少し押し込みます。
  3. 反射面を上に向けてビームスプリッターをエタロンピットとOリングに配置します。
  4. ピンセットを使用して、2つのスペーサーをビームスプリッターに慎重に配置します。セルの片側から反対側に走る貫通穴 から 空気キャビティに入るガスと励起レーザーの明確な開口部を生成するようにそれらを配置します(図2、番号3)。
    注意: 図3Bに示すように、スペーサーを両側に配置して、中央に空気キャビティを確保する必要があります。平行な表面を傷つけないように、側面のスペーサーのみをつかんでください。
  5. スペーサーが所定の位置にあるら、反射面を下に向けて、ミラーをスペーサーの上に合わせます。ビームスプリッター、スペーサー、ミラーを同心円状に位置合わせする必要があります。
  6. 3Dプリントされたエタロンキャップを取り、両方のOリング(10 mm x 1 mmと14 mm x 2 mm)を指定された溝に入れます。
  7. キャップをセルの長方形の溝に合わせ、ミラーの上に置きます。
    1. スペーサーを所定の位置に固定するために、キャップに圧力をかけます。常にキャップに圧力をかけながらセルを持ち上げ、背面から指定された穴に4本のM4ネジを挿入します。
    2. 前面に4つのM4ナットで取り付け、キャップからの圧力がスペーサーを所定の位置に保持するのに十分になり、Oリングが十分に圧縮されるまで締めます。
    3. スペーサーがまだ所定の位置にあるかどうかを確認します。もしそうなら、エタロンはさらに使用する準備ができています。
  8. 2つの追加の3Dプリントキャップを使用して、セルを気密にするために測定セルの側面にレーザーウィンドウを取り付けます。したがって、Oリング(10 mm x 1 mm)をセルの指定された溝に配置し、別の1つ(10 mm x 1 mm)をキャップに配置します。ウィンドウを溝に置き、図2の番号 2に示すように、4本のM3ネジとナットでウィンドウキャップを固定します。

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図3:測定セルとFPEのレンダリング 。 (A)3DプリントされたセルとFPEの組み立てプロセスのレンダリングと、対応する取り付けキャップ付き。(B)バルク光学部品を正しい順序でレンダリングする。スペーサーは、2つの鏡面の間に空気間隔の空洞を作成します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

4. ファイバーアライメントプラットフォームの組み立て

  1. 材料の表にリストされているようにステージとアダプタープレートを組み立てます。建設中の方向として図4を使用します。
  2. 最初の単軸ゴニオメトリックステージを光学ブレッドボードにx方向に取り付けます。
    注:軸の命名法は任意に選択されました。光学ブレッドボード平面は x-y 平面として定義され、垂直方向はブレッドボードの外側を正の z 方向に向いています。
  3. 使用するステージに応じて、必要に応じて、ゴニオメトリックステージの上にアダプタープレートを取り付けます。
    1. アダプタープレートの上部の中央に2軸x-yマイクロメータ並進ステージを取り付けます。
    2. 直角ブラケットを Y 方向を向いた平行移動ステージに取り付けます。
    3. 1 軸並進ステージを Z 方向の直角ブラケットに取り付けます。
  4. 追加のアダプタープレートを使用して、2番目のゴニオメトリックステージを並進ステージのz方向に取り付けます。
  5. ファイバーフェルールclを取り付けますamp ポストの上に。ファイバーフェルールが2番目の垂直ゴニオメトリックステージの回転点に正確にくるように、ポストの長さを選択します。距離はステージのマニュアルに記載されています。
  6. ファイバーフェルールの外径は2.8mmです。この直径のクランプがない場合は、2.5 mmクランプを使用し、ドリルで幅を広げます。
  7. フェルールクランプを使用してポストを取り付けます ステップ4.2の最初の水平ゴニオメトリックステージの回転点に対応するz位置に、2番目の垂直ゴニオメトリックステージ。
    1. フェルールスリーブとGRINレンズがフェルールクランプから負のz方向に数ミリメートル突き出ていることを確認します。
    2. GRINレンズの先端がゴニオメトリックステージの回転点になるように、ポストの垂直位置を選択します。
  8. エタロンを取り付けるには、支柱を取り、直角ブラケットを取り付け、標準のSM1ネジ付き30mmケージプレートを取り付けます。4本のケージロッド(>40 mm)を正のz方向を向いたプレートに取り付けます。
  9. ケージロッドの直径よりわずかに大きい内径の4つの金属スプリングを取り、各ケージロッドに1つずつ配置します。FPEを内蔵した測定セルをロッドにスライドさせ、ビームスプリッタ側を上に向けてスプリングに載せます。
    注: セルが Z 方向に自由に移動できることを確認します。摩擦が高すぎる場合は、ケージロッド用のセルの貫通穴をさらに広げる必要があります。これは、ラウンドファイルで行うのが最適です。
  10. ポストホルダー、ベースプレート、クランプフォーク を介して 、ファイバーアライメントプラットフォームのすぐ下にポストを取り付けます。ビームスプリッターを露出させるセルの開口部が、フェルールホルダーの約10mm下の中心にあることを確認します(ステップ4.5)。

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図4:UV硬化プロセス中のGRINレンズ結合FPEとのアライメントプラットフォームの写真。 灰色で書かれたコンポーネントはPTI測定用であり、アライメントプロセスには必要ありません。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

5.オプトエレクトロニクスセットアップ

  1. 材料の表にリストされているようにオプトエレクトロニクスコンポーネントを組み立て、図5に概略的に示すように配置します。
  2. 対応するコンポーネントトレイを使用して、光ファイバーコンポーネントを光ブレッドボードに取り付けます。
  3. レーザーをレーザーダイオードマウントに取り付けます。レーザー光源をレーザードライバーと、変調機能(三角変調)が統合されたTEC(熱電冷却器)コントローラーに接続します。それ以外の場合は、追加の関数発生器が必要です。
  4. エタロンの予想される半値幅をはるかに上回る波長範囲がカバーされるように、三角電流変調振幅を設定します(計算はディスカッションセクションにあります)。変調周波数を100Hz程度に設定します。
  5. Lブラケット嵌合スリーブを使用して、レーザーの光出力をアイソレーター入力に接続します。
  6. アイソレータの後に15dB光ファイバアッテネータを取り付け、1 x 2カプラの入力ポートに接続します。
  7. 90%の光パワーを持つカプラーの出力ポートを光サーキュレーターのポート1に接続します。
  8. 10%の光パワーを持つカプラの出力ポートを平衡検出器のリファレンスフォトダイオードに接続します。
  9. サーキュレーターのポート2をピグテールフェルール-GRINレンズシステムに接続します。
  10. ポート3を検出器の信号フォトダイオードに接続します。
  11. バランス検出器を「自動バランス」モードに設定します。検出器の電気「信号」出力をBNCケーブルでオシロスコープの1チャンネルに接続します。

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図5:アライメント手順のためのオプトエレクトロニクスセットアップの概略図。 赤い線は光ファイバー、黒い線は電子ケーブル、青い線はプローブレーザーです。ここではバランス検出器が使用されますが、これは従来の光検出器に置き換えることができます。したがって、1×2カプラーは省略することができる。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

6. ファイバー-GRINレンズアライメント

  1. フェルールクランプをポストに取り付け、ポストホルダー を介して 光学ブレッドボードに固定します。
  2. ファイバーフェルールスリーブをフェルールクランプに固定します。手順4.6で述べたように、必要に応じてドリルでフェルールクランプを広げます。
  3. ピペットにUV硬化型接着剤を充填します(材料表を参照)。
    注意: バルク光学部品とUV硬化接着剤を取り扱うときは、手袋と眼鏡を着用してください。
  4. ピグテールファイバーフェルールを取り、フェルールの側面に接着剤を一滴加えます。フェルールの前面を清潔に保ちます。
  5. フェルールをフェルールスリーブに挿入します。GRINレンズの前端がフェルールスリーブの外側に少なくとも1〜2mmになるように、フェルールを十分に深く挿入してください。
  6. UVランプ(~10秒)で非常に迅速なプリキュアを適用します。フェルールの前端の接着剤を硬化させることなく、フェルールをスリーブに固定するために、裏側(フェルールのファイバー端)からのみ光を当ててください。
  7. GRINレンズを取り、くさび面を見つけます。これは顕微鏡で、または単にそれを回すことによって行うことができます。これにより、8°のくさび形側が見えるようになります。
  8. GRINレンズのくさび形の端にドロップ接着剤を塗布し、フェルールスリーブに挿入します。
    注意: わずかな圧力を加えることにより、空気はフェルールとGRINレンズの間の空洞から出ます。2つの表面の間に気泡が閉じ込められていない可能性があります。ある場合は、わずかな回転が役立ちます。それ以外の場合は、GRINレンズを取り外し、手順6.8を繰り返します。
  9. 2つの角度の付いた面が平行になるまで、GRINレンズを慎重に回転させます。
  10. ビームアナライザーをGRINレンズの約150mm前に取り付けます。ビームアナライザーがない場合は、前面にピンホールのあるパワーメーターを使用できます。
  11. ピグテールフェルールを適切な波長のレーザーに接続します。レーザーをオンにします。
    注意: レーザーの安全対策を講じる必要があります。
  12. ピンセットを使用して、GRINレンズをフェルールスリーブから少し動かし、フェルールとGRINレンズの間の距離を変更します。この距離は、システムの焦点距離を設定するために重要です。GRINレンズを動かしながら、ビーム形状(または光パワー)を常に監視してください。
    注意: 短いプリキュア(~10秒)は、アライメントプロセスが不安定すぎる場合に役立ちます。
  13. システムが目的の最適に焦点を合わせたら、UV光に約10分間さらして最終硬化を適用します。
  14. 硬化後、フェルールスリーブをクランプから取り外します。この時点で、さらに使用する準備が整いました。

7. ファイバー-エタロンアライメント

  1. ステップ5のピグテールフェルールとGRINレンズシステムを取り、ステップ4.5のフェルールクランプで取り付けます。
  2. Z 方向の移動ステージが最大の高さまで移動し、他のすべてのステージがニュートラル (中央) の位置にあることを確認します。
  3. その下のセルを揃えます。GRINレンズが開口部の中心を直接向いていることを確認してください。セルの位置をGRINレンズより少し下の高さ(約5mm)に固定します。
  4. ピペットでGRINレンズの前端に1〜2滴の接着剤を塗布します。
  5. ビームスプリッタの反射防止コーティング面との接触が確保されるまで、平行移動段をz方向に下げます。十分な圧力がかかり、スプリングに十分な張力がかかるまで、GRINレンズを下げ続けます。
    注意: これにより、位置合わせの傾斜プロセス中にGRINレンズとビームスプリッターの間の接触が維持されます。必要な圧力の量はセットアップによって異なり、合理的な反射率関数が観察できない場合は、アライメント中に調整できます。経験上、通常、圧力が大きいほどアライメントプロセスに役立ちます。
  6. 変調レーザーとオシロスコープの電源を入れます。アライメントプロセスを開始するときは、オシロスコープの分解能が可能な限り高いことを確認してください figure-protocol-5。モジュレーションの2〜3周期が表示されるように時間分解能を設定します。
  7. GRINレンズがビームスプリッター表面に正常に向いていることを確認して、位置合わせプロセスを開始します。これは、目視検査を行い、それに応じてゴニオメトリックステージを回転させることによって行うことができます。これはゼロ位置になりました。
  8. 段階的に、一方のゴニオメトリックステージをわずかに偏向させてから、もう一方のゴニオメトリックステージをゼロ位置の周りに動かします。
    1. オシロスコープで変化が見られない場合は、最初のゴニオメトリック段をもう少し偏向させ、オシロスコープで三角変調が見えるようになるまでこの反復プロセスを繰り返します。
    2. ステージの移動後に信号のヒステリシスが観察された場合は、すべてのコンポーネントが正しく固定されているかどうかを確認してください。
      注意: Zステージを下に移動することによって引き起こされる圧力の増加も役立ちます。観測された信号が予想ほど強くない場合、後方反射はエタロンの表面の1つまたは反射率関数の周辺ピークの1つから発生する可能性があります。経験則として、70%のビームスプリッターと完全に反射するミラーを使用すると、観察されるピーク反射は、エタロンに導入された光パワーの25%のオーダーになります。
  9. 強い後方反射が観測されたら、オシロスコープの分解能を調整し、エタロンの反射率関数のピークが三角形の変調スロープの中心になるようにします(図6)。ピークが斜面の中心になるまでレーザーの温度を変えて、エタロンのピークを調整します。
  10. ピーク強度(最小電圧)を最大化すると同時に、ゴニオメトリックステージのわずかな動きによって三角変調のピークツーピーク比を最大化するようにしてください。
  11. 位置合わせが終了したら、UVランプをGRINレンズの近くに取り付けます。セルフセンタリングレンズマウントを45°の角度で使用します。
  12. 硬化を段階的に行う。まず、ステップ7.4ですでに塗布されている接着剤を硬化させます。オシロスコープの反射率関数を監視し続けます。硬化が接着剤の収縮による配向の劣化につながる場合は、ゴニオメトリックステージをわずかに調整します。
  13. 5〜10分後、UVランプをオフにし、GRINレンズに触れずに周囲に接着剤をさらに塗布します。接着剤をさらに5〜10分間UV光にさらします。セルの開口部が接着剤の均質な層で完全に満たされるまで、この手順を繰り返します。最終硬化を1時間以上行います。
  14. 接着されたコンポーネントを適切に接続するには、セットアップ全体を1週間休ませるか、可能であれば、接着ジョイントを60°Cで1時間焼き戻します。
  15. これで、フェルールスリーブをクランプから取り外すことができます。したがって、ばねが完全に緩和されるまで、平行移動ステージを正の Z 方向に移動します。フェルール-GRINレンズシステムへのストレスを避けてください。clを開きますamps、取り外します。これで、エタロンが完成し、さらに使用する準備が整いました。

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図6:例示的な汎用オシロスコープ信号 緑では良好な位置合わせが示され、黄色では悪い位置合わせが示されています。アライメントが良いほど、三角変調のピークツーピーク比が高くなり、反射率ピーク(谷)がゼロに近づきます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

8.エタロンの特性評価

  1. 製造されたエタロンの評価には、手順5で説明したのと同じ光ファイバーセットアップを使用します。レーザーを段階的に温度調整し、十分なデータロギングレートで測定できる測定システムを使用してください。
    メモ: ここでは FPGA ベースのシステムを使用しています (「材料表」を参照)。
  2. 理論上のFSRを計算します。使用するレーザーに応じて(温度調整係数を参照)、少なくとも2つのFSRに対応する温度掃引を実行します。 温度を段階的に上げ(~0.005°C刻み)、TECを2〜3秒間セトリングさせてから、毎回さらに2〜3秒間測定します。
  3. 任意の数値計算プログラムでデータを処理します。ピークファインダを内蔵した信号処理ライブラリを使用できます。後続の2つのピーク間の距離はFSRを表します。半値の高さでのピークの幅を評価して、半値幅を計算します。
    注:FSRとFWHMの計算はデータ形式に大きく依存するため、ここではコードは示されていませんが、要求に応じて作成者が利用できるようにすることができます。
  4. レーザーの温度調整係数を使用して、温度を波長に変換します。
  5. 測定値からFSRとFWHMを計算します(図7)。
  6. 次の式で、作製したFPEのフィネスを計算します。
    figure-protocol-7.

結果

図7に示すように、反射率関数を明確に定義したFPEを作製することができます。

figure-results-1
図7:完成したFPEの反射率関数を測定しました。 レーザーの波長掃引に対応する温度掃引を行い、FPEの反射率関数を測定しました。これは、製造されたデバイスの半値全幅(FWHM)や自由スペクトル範囲(FSR)などのメトリックを評価するために使用されます。相対反射率とは、FPEを通過した後にファイバに逆反射される光の相対的な割合を指します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

FPEの測定指標を 表1 にリストし、同じ仕様の理想的なエタロンの計算値と比較します。理想的なFPEの公式は、概要セクションにあります。

測定理想的な FPE
技巧12.817.1
半値幅0.0268 nm0.0234 nm
ティッカー0.3441 nm0.4004 nm
感度14 1/ナノメートル21 1/ナノメートル

表1:作製したFPEエタロンの測定指標と計算指標の比較。

指定されたアプリケーションの適性を検証するために、FPEは周囲空気中の水蒸気のPTI測定に使用されます。したがって、波長1,364nmの励起レーザーがプローブレーザーに対して垂直にセル内に誘導される。両方のレーザーはFPE内で交差します。励起レーザーは、125Hzの周波数で正弦波変調されます。定電流 を介して FPEの最も急な斜面でプローブレーザーを安定化させることにより、センサーの最高の感度が達成されます。水蒸気測定の場合、セルは開いた窓で操作され、基準デバイス(温度= 21.4°C、圧力= 979.9 hPa、相対湿度= 52.2%)で測定された濃度13,762 ppmVの周囲空気にさらされます。信号は高速フーリエ変換(FFT)によって抽出され、 図8に示すように励起レーザーをオフにしたバックグラウンド信号と比較されます。約5ppmV(3σ)の検出限界に相当する7,000以上の信号対雑音比が得られます。

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図8:周囲空気中の水蒸気のPTI測定。 黒で、125Hzレーザー励起による測定のFFT信号が示されています。青色では、励起のないバックグラウンド信号が描かれています。挿入図は、125 Hzで測定されたピークをより詳細に示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

補足コーディング ファイル 1: Measurement_cell.SLDPRT. 測定セルのCADファイル。セルは、特定のアプリケーションの要件に適合させ、その後3Dプリントすることができます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足コーディングファイル2: cap_etalon.SLDPRT. 測定セル内のエタロンを固定するためのCADファイル。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足コーディング ファイル 3: cap_window.SLDPRT. レーザーウィンドウを測定セルに固定するためのCADファイル。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

ここに示すプロトコルに従って製造されたFPEは特定のアプリケーション向けに最適化されているため、この章では可能な適応と重要な手順について説明します。まず、FPEと測定セルはPTI測定用に設計されています。したがって、ガスの入口と出口、およびプローブレーザーに垂直な励起レーザー用のチャネルがセルに追加されます。セルのすべての開口部は、Oリングを介して気密にされるか、UVFSウィンドウを介して覆われ、レーザー伝播を可能にします。別の使い方をすれば、補足コーディング・ファイル 1 に示されているように、セルを再設計して特定のアプリケーションに適合させることができます。手順 1.4 のスレッド処理は、印刷後に行われます。ねじ山は3Dプリントすることもできますが、摩耗が早い傾向があるため、適切なコア穴径の穴のみを印刷し、後でねじ切りします。

ステップ2.1のスペーサーの材料の選択は非常に重要です。スペーサーの平行度は、エタロンミラーの平行度を決定し、したがって、フィネス7に影響を与えます。この研究では、材料表に記載されている1/2インチのUVFS精密ウィンドウを使用し、平行度が≤5秒角で、クリアアパーチャ全体でλ/10の表面平坦度を示しました。UVFSの熱膨張係数は0.55 x 10−6 /°Cです。 温度安定性は、例えば、熱膨張係数が0.1 x 10−6 /°C未満のZerodur5スペーサーを使用することによってさらに高めることができる。ただし、これにはコストが高くなるという欠点があります。

FPEは、1つの完全反射ミラーとビームスプリッターによって形成されます。ビームスプリッターには、70%の反射面が1つと、反射防止コーティングされた裏面があります。これにより、エタロンの内外の光の結合が可能になります。さらに、ビームスプリッターの基板は、不要なエタロン効果を防ぐために片方のくさび面を備えています。同じ理由でミラーの裏側が粗くなっています。

ステップ5.1では、アライメントプロセスを追跡するためのオプトエレクトロニクスセットアップについて説明します。使用されるすべてのファイバは、FC/APCコネクタを備えた標準のSMF-28ファイバです。PTIの指定されたアプリケーションにより、この研究ではバランスの取れた光検出器がすぐに利用できましたが、これは一般的には必要ありません。代わりに従来の光検出器を使用できます。この場合、1 x 2カプラーの使用は廃止されます。これらの変更は、 図 5 に示すように、セットアップの他のコンポーネントには影響しません。プローブレーザの三角電流変調は、ステップ5.4で説明したように、波長掃引に対応する。FPEの少なくとも1つの反射率ピークを掃引するのに十分な電流範囲を選択する必要があります。したがって、1つのFSRが経験則として機能します。理想的なFPEのFSRの計算は、導入セクションにあります。それぞれのマニュアルに記載されているレーザーの電流同調係数(nm/mA)とともに、1つのFSRをカバーする電流範囲を計算することができます。一例として、本研究で使用したレーザーは、電流同調係数が0.003nm/mAで、波長1,550nmで発光しました。ミラー間隔が3mmの理想的なFPEの予想されるFSRdは、約0.4nmです。これにより、133mAの電流同調範囲が得られます。

この作品では、オシロスコープでの表示に便利なように変調周波数を100Hzに設定しました。所望の電流同調範囲はかなり広いので、固定ファイバ減衰器を使用して、使用する検出器の電力制限内にとどまることができます。アッテネータは、アイソレータの直後に取り付けることができます。

ステップ6およびステップ7で使用されるUV硬化型接着剤は、レーザー光に対して透明であり、屈折率は1.56である。アライメントプロセスは、ステップ7.1で説明したように、利用可能な光検出器に依存する。このセットアップで使用されるバランス検出器は、負電圧「信号」出力を生成します。一般性の理由から、ステップ7.10の説明および 図6では正の電圧出力を想定しています。適切に整列したエタロンの場合、反射率ピークはゼロに近づき、三角関数はピークツーピーク比を増加させます。

ステップ8.1のエタロンの特性評価には、数値計算ソフトウェアが使用されます( 材料表を参照)。 図7に示すように、各温度ステップの測定電圧を平均化してプロットします。温度ステップを波長ステップに変換するには、プローブレーザーの温度調整係数が使用されます。信号解析ライブラリにはピーク検出アルゴリズムが統合されており、その目的に使用できます。データ分析はデータ形式に強く依存するため、ここではコードは提供されていませんが、要求に応じて対応する作成者が利用できるようにすることができます。

ここで提示する製造技術の考えられる制限は、変化する環境における熱的および機械的安定性です。この説明ペーパーの範囲は、実験室アプリケーション向けのFPEの低コストプロトタイピングであるため、ここでは機械的および温度安定性に関するテストは提供されていません。FPEをモバイルアプリケーションや変化する環境で使用する場合は、エタロンに対してファイバーGRINレンズシステムを機械的に安定させるために追加の対策を講じる必要があります。

ここでは、FPEを製造および特性評価する新しい方法を、すべてのフォトニックラボで利用可能な標準的な光学コンポーネントを使用して示します。提示されたFPEは、約15のフィネスと約5ppmVの水蒸気を検出するのに十分な感度を持っています。PTIの提示されたアプリケーションに加えて、このFPEは、ほんの数例を挙げると、非破壊検査23、屈折率測定24,25、または湿度計26の分野で一般的に適用される光マイクロフォン20の構築などのアプリケーションで使用できます。

開示事項

利益相反はありません。

謝辞

ここで紹介する作業は、FFGが資金提供するプロジェクト「グリーンセンシング」とNATO SPSプログラム「CBRNイベントを検出するためのフォトニックナノ粒子センサー」の枠組みの中で実施されました。この作品は、TUグラーツオープンアクセス出版基金によっても支援されました。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
オートバランスフォトレシーバー ニルヴァーナニューフォーカス株式会社2017バランス型光検出器
ベンチトップ型レーザーダイオード/TECコントローラ、1A/96 WThorlabsITC4001
バタフライレーザーダイオードマウントThorlabsLM14S2
クランプフォークThorlabsCF175
compactRIONational Instrumentsデータ収集用
ダストリムーバRSコンポーネ168-1644
FC/APC から FC/APC へのシングル L ブラケット嵌合スリーブThorlabsADAFCB3複数の必要な
ファイバー洗浄液ThorlabsRCS3
光ファイバー SM サーキュレーターAFW 技術CIR-3-15-L-1-2
光ファイバー SM カプラー 1 x 2、90/10AFW 技術FOBC-1-15-10-L-1-S-2平衡光検出器を使用する場合のみ
光ファイバーSMアイソレーターAFW技術ISOD-15-L-1-2
光ファイバーストレージリールThorlabsFSR1複数必要
固定光ファイバー減衰器ThorlabsFA15T-APC異なる減衰レベルを使用
GRIN/フェルールスリーブ、1.818mm内径、10mm長さ、ホウケイ酸ガラスThorlabs51-2800-1800ファイバー-GRIN-レンズシステム
GRINレンズ、Ø1.8 mm、0.23ピッチ、8°C、1560 nm 設計波長、ARコーティング:1250 - 1650 nmThorlabsGRIN2315AFiber-GRIN-lensシステム
ハンドヘルドUV-LEDランプRSコンポーネンツ220-6819接着剤を硬化させるためのランプ 
高精度ステージとベースニューポート9062-X-M3 ネージング
ホース コネクタRS コンポーネントM5 ねじ
式大型ゴニオメーター、回転点までの距離 44.5 mm、±5°、メートルThorlabsGNL18 / M2つの必要な
Lブラケット嵌合スリーブThorlabsADAFCB3
磁気ボタンクランプThorlabsBM075必要な
マイクロメータネジNewport93553つのnedded
MIL-A-3920光学接着剤弾力性、1オンス。ThorlabsNOA61UV硬化接着剤
取り付けベース、50 mm x 75 mm x 10 mmThorlabsBA2/M
OリングHaberkornテキストで与えられたサイズ
受動部品ファイバートレイThorlabsBFCT複数の必要な
台座ベースアダプターThorlabsBE1
ピッグテールフェルール、Ø1.8 mm、8°、FC/APC、AR コーティング:1310/1550 nmThorlabsSMPF0115-APCFiber-GRIN-lens system
ポストホルダーThorlabsPH30/M
ポストマウント可能 Ø2.5 mm フェルールクランプ、M4 タップThorlabsFCM/M
PythonPython3.9数値データ解析ソフトウェア
直角ブラケットNewport9062-A-M
セルフセンタリングレンズマウントThorlabsSCL03
Silberschnitt 3001Bohle 3001Glas カッターセット
SM1 スレッド標準ケージプレートThorlabsCP33/M
UV 硬化装置FormlabsForm Cure
1550 nm 20 mW バタフライ DFB レーザーダイオードAeroDiode1550LD-5-0-0-2
3D-printerFormlabs3+
Ø1/2 "UVFSブロードバンド精密ウィンドウ、コーティングなし、t = 3 mmThorlabsWG40530Spacers
Ø1/2 "広帯域誘電体ミラー、1280 - 1600 nmThorlabsBB05-E04
Ø1/2インチ 70:30 (R:T) UVFS プレート ビームスプリッター、コーティング: 1.2 - 1.6 & マイクロ;m、t = 3 mmThorlabsBST06ビームスプリッター
ンツ 複数のミラー

参考文献

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