Wytwarzanie taniego, sprzężonego z włóknami i rozmieszczonego powietrznie etalonu Fabry-Pérot

W ramach pracy doktorskiej w Instytucie Elektrycznych Systemów Pomiarowych i Sensorowych zajmuję się oceną potencjału miniaturyzacyjnego fototermalnych czujników gazów i aerozoli. Wiele wysiłku wkłada się w to, aby czujniki fotoniczne były albo bardziej wytrzymałe i wszechstronne, albo tańsze i zminiaturyzowane, ale połączenie tych celów z niezbędną selektywnością i czułością jest dość trudne. Główną zaletą naszego protokołu jest łatwa dostępność metody.

Bez konieczności stosowania pomieszczenia czystego lub specjalnych maszyn, nasz protokół oferuje szansę na ekonomiczne prototypowanie przy użyciu standardowego sprzętu fotonicznego. Mamy nadzieję, że nasz protokół umożliwi naukowcom szybkie i łatwe prototypowanie wielu konfiguracji etalonu w sposób efektywny czasowo i kosztowo. Będziemy kontynuować prace nad miniaturyzacją czujników aerozoli fotonicznych i gazów.

Skupimy się na nowych zasadach wykrywania, wykorzystując interakcje między światłem strukturalnym a materią strukturalną. Aby rozpocząć, umieść wydrukowaną w 3D komórkę na stole z wgłębieniem etalonowym skierowanym do góry. Włóż O-ring do wgłębienia etalonowego i lekko wciśnij go w wyznaczony rowek.

Umieść rozdzielacz wiązki z powierzchnią odblaskową skierowaną do góry na O-ringu w studzience etalonowej. Za pomocą pęsety ostrożnie umieść dwie przekładki na rozdzielaczu wiązki, aby wygenerować przezroczystą aperturę dla lasera gazowego i wzbudzającego, który dostaje się do wnęki powietrznej przez otwór przelotowy biegnący z jednej strony ogniwa na drugą. Wyrównaj lustro na górze przekładek stroną odbijającą skierowaną w dół, tak aby rozdzielacz wiązki, przekładki i lustro były wyrównane koncentrycznie.

Weź wydrukowaną w 3D nasadkę z etalonu i umieść O-ringi w wyznaczonych rowkach. Dopasuj nasadkę do prostokątnego rowka ogniwa, podnieś nasadkę i dociśnij nasadkę, aby zamocować przekładki na miejscu, jednocześnie wkładając cztery M4 przez wyznaczone otwory od tyłu. Zamontuj z czterema nakrętkami M4 z przodu i dokręcaj je, aż nacisk z nasadki będzie wystarczający, aby utrzymać przekładki na miejscu, a O-ringi zostaną wystarczająco ściśnięte.

W celu wyrównania światłowodu z etalonem zamontuj tuleję z warkoczem i system soczewek GRIN za pomocą zacisku tulejki i upewnij się, że stolik translacyjny w kierunku Z jest przesunięty na maksymalną wysokość. Wyrównaj wydrukowaną w 3D komórkę pod tym systemem, ustalając jej pozycję na wysokości nieco poniżej soczewki GRIN, wskazując bezpośrednio na środek otworu. Nałóż jedną lub dwie krople kleju na przedni koniec soczewki GRIN za pomocą pipety.

Obniż stopień translacji w kierunku Z, aż zapewniony będzie kontakt z pokrytą powłoką antyrefleksyjną powierzchni rozdzielacza wiązki. Kontynuuj opuszczanie soczewki GRIN, aż zostanie zastosowany wystarczający nacisk, a sprężyny będą wystarczająco napięte. Włącz modulowany laser i oscyloskop.

Upewnij się, że oscyloskop ma najwyższą możliwą rozdzielczość podczas rozpoczynania procesu wyrównywania, a następnie ustaw rozdzielczość czasową tak, aby widoczne były dwa do trzech okresów modulacji. Aby rozpocząć proces wyrównywania, upewnij się, że soczewka GRIN jest skierowana normalnie na powierzchnię rozdzielacza wiązki. Krok po kroku odchyl nieznacznie pierwszy stopień goniometryczny, a następnie przesuń drugi stopień goniometryczny wokół pozycji zerowej.

Jeśli na oscyloskopie nie zaobserwuje się żadnej zmiany, odchyl nieco bardziej pierwszy stopień goniometryczny i powtarzaj ten iteracyjny proces, aż modulacja trójkątna stanie się widoczna na oscyloskopie. Po zaobserwowaniu silnego odbicia wstecznego dostosuj rozdzielczość oscyloskopów i upewnij się, że szczyt funkcji odbicia etalonu znajduje się centralnie na trójkątnych zboczach modulacji. Dostosuj szczyt etalonu, zmieniając temperaturę lasera, aż szczyt zostanie wyśrodkowany na zboczu.

Przy niewielkich ruchach stopni goniometrycznych staraj się zmaksymalizować siłę szczytu, jednocześnie maksymalizując stosunek piku do szczytu modulacji trójkątnej. Po zakończeniu wyrównywania zamontuj UV lamp blisko soczewki GRIN zamontowanej pod kątem 45 stopni. Następnie utwardź klej nałożony na przedni koniec soczewki GRIN.

Po 5 do 10 minutach wyłącz lampę UV i nałóż więcej kleju wokół soczewki GRIN, nie dotykając jej. Wystaw klej na działanie światła UV przez kolejne 5 do 10 minut. Powtarzaj ten krok, aż otwór komórki zostanie całkowicie wypełniony jednorodną warstwą kleju i wykonuj ostateczne utwardzanie przez co najmniej godzinę.

Reprezentatywny obraz pokazuje dobre i gorsze wyrównanie. Im lepsze wyrównanie, tym wyższy stosunek piku do szczytu modulacji trójkątnej i tym bardziej pik odbicia zbliża się do zera. Aby ocenić wytworzony etalon, należy użyć konfiguracji światłowodowej i systemu pomiarowego zdolnego do stopniowego dostrajania temperatury lasera z wystarczającą szybkością rejestrowania danych.

Aby uzyskać pomiary do obliczenia teoretycznego zakresu swobodnego widma lub FSR, należy wykonać przemiatanie temperatury odpowiadające co najmniej dwóm FSR, zwiększając temperaturę stopniowo i pozwalając chłodnicy termoelektrycznej ustabilizować się na dwie do trzech sekund przed pomiarem przez kolejne dwie do trzech sekund za każdym razem. Po wykonaniu przemiatania temperatury odpowiadającego długości fali lasera, należy przetworzyć dane pomiarowe za pomocą dowolnego programu do obliczeń numerycznych. Korzystaj z dowolnej biblioteki przetwarzania sygnału ze zintegrowanym wykrywaczem wartości szczytowych.

Odległość między dwoma kolejnymi szczytami reprezentuje FSR. Oceń szerokość piku w połowie wysokości, aby obliczyć pełną szerokość w połowie maksimum. Przelicz temperaturę na długość fali, używając współczynnika dostrajania temperatury lasera.

Oblicz pełną szerokość przy połowie maksimum i FSR na podstawie pomiarów. Na koniec oblicz finezję sfabrykowanych etalonów Fabry'ego-Perota. Badania te doprowadziły do wytworzenia etalonów Fabry'ego-Perota o dobrze zdefiniowanej funkcji odbicia.

Porównanie zmierzonych i obliczonych wskaźników wyprodukowanego etalonu Fabry'ego-Perota wykazało, że zmierzona finezja na całej szerokości przy połowie maksimum była porównywalna z obliczonymi wartościami idealnych etagonów Fabry'ego-Perota. Przedstawiono tutaj pomiary interferometrii fototermicznej pary wodnej i otaczającego powietrza. Sygnał został wyekstrahowany za pomocą szybkiej transformaty Fouriera i porównany z sygnałem tła przy wyłączonym laserze wzbudzającym.