Artigo de método

Fabricação de um Etalon Fabry-Pérot de baixo custo, acoplado à fibra e com espaço a ar

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DOI:

10.3791/65174

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3 de fevereiro de 2023

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

Neste artigo

Resumo

Este protocolo descreve a construção de um étalon de Fabry-Perot de baixo custo, discreto, acoplado a fibras e com espaço aéreo com várias aplicações, como em espectroscopia de gás traço. A fabricação é possível em qualquer instalação com equipamento de laboratório óptico padrão disponível.

Resumo

Os etalons Fabry-Pérot (FPE) encontraram seu caminho em muitas aplicações. Em campos como espectroscopia, telecomunicações e astronomia, os FPEs são usados por sua alta sensibilidade, bem como sua excepcional capacidade de filtragem. No entanto, etalons espaçados no ar com alta delicadeza são geralmente construídos por instalações especializadas. Sua produção requer uma sala limpa, manuseio especial de vidro e máquinas de revestimento, o que significa que os FPEs disponíveis comercialmente são vendidos por um preço alto. Neste artigo, um método novo e econômico para fabricar FPEs acoplados a fibras com equipamentos padrão de laboratório fotônico é apresentado. O protocolo deve servir como um guia passo a passo para a construção e caracterização desses FPEs. Esperamos que isso permita que os pesquisadores realizem prototipagem rápida e econômica de FPEs para vários campos de aplicação. O FPE, como apresentado aqui, é usado para aplicações espectroscópicas. Como mostrado na seção de resultados representativos através de medições de prova de princípio de vapor de água no ar ambiente, este FPE tem uma delicadeza de 15, o que é suficiente para a detecção fototérmica de concentrações traço de gases.

Introdução

Em sua forma mais básica, um FPE consiste em duas superfícies espelhadas parcialmente refletindo plano-paralelo1. Nas explicações a seguir, quando se refere aos espelhos, o substrato óptico e o revestimento reflexivo são abordados como um só. Na maioria das aplicações, os espelhos usados apresentam uma superfície encunhada2 para evitar efeitos indesejados de etalon. A Figura 1 ilustra a formação do padrão de interferência de um étalon espaçado no ar (Figura 1A), bem como a função de reflectância para diferentes refletividades do espelho (Figura 1B).

A luz entra na cavidade através de um espelho, sofre múltiplas reflexões e sai da cavidade por reflexão e transmissão. Como este artigo se concentra na fabricação de um FPE operado em reflectância, as explicações adicionais referem-se especificamente à reflexão. As ondas que saem da cavidade interferem, dependendo da diferença de fase, q = 4πnd/λ. Aqui, n é o índice de refração dentro da cavidade, d é o espaçamento entre espelhos e λ é o comprimento de onda da fonte de luz do interferômetro, aqui chamado de laser de sonda. Uma reflectância mínima ocorre quando a diferença de caminho óptico corresponde ao múltiplo inteiro do comprimento de onda, figure-introduction-1. A delicadeza de um etalon plano-paralelo ideal é determinada pelas refletividades do espelho R1 e R2 apenas3:

figure-introduction-2

No entanto, um etalon real está sujeito a muitas perdas, que degradam a finesse teoricamente alcançável 4,5,6. Desvio do paralelismo do espelho7, incidência não normal do feixe de laser, forma do feixe8, impurezas da superfície do espelho, espalhamento, entre outros, levam à redução da finesse. O padrão característico de interferência pode ser descrito pela função Airy1:

figure-introduction-3

A largura total na metade máxima (FWHM), bem como a faixa espectral livre (FSR) da função de reflectância, podem ser calculadas da seguinte forma:

figure-introduction-4

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Figura 1: Teoria do interferômetro de Fabry-Pérot . (A) Uma representação esquemática da interferência multifeixe para um étalon espaçado no ar com janelas encunhadas. Uma onda plana, E0, entra na cavidade sob um certo ângulo, φ, através de uma superfície revestida de anti-reflexão (AR) e, posteriormente, sofre múltiplas reflexões entre as superfícies altamente refletivas (alto R) espaçadas à distância, d. A cada reflexão, parte da luz é desacoplada do étalon em transmissão ou reflexão, onde interfere nas outras ondas. (B) A função de reflectância de um étalon de Fabry-Pérot ideal para diferentes refletividades do espelho (eixo y). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os FPEs podem ser encontrados em uma ampla gama de aplicações 9,10,11. No caso apresentado, o FPE é utilizado em uma configuração de interferometria fototérmica (PTI). No PTI, pequenas alterações de densidade e, consequentemente, do índice de refração, induzidas pela excitação periódica seguida da rápida termalização de um gás alvo via segundo laser, são medidas interferometricamente12. A quantidade de calor e, portanto, a magnitude da mudança do índice de refração são proporcionais à concentração do gás. Ao medir a intensidade da função de reflectância do FPE em seu ponto mais íngreme (ponto de operação), essas mudanças no índice de refração deslocam a função de reflectância, alterando assim a intensidade medida. Como a função de reflectância pode ser assumida como linear na região ao redor do ponto de operação, o sinal medido é então proporcional à concentração de gás. A sensibilidade do sensor é determinada pela inclinação da função de reflectância e é, portanto, proporcional à finesse. Os PTI, em combinação com FPEs, têm se mostrado um método sensível e seletivo para detectar traços de gases e aerossóis 13,14,15,16,17,18. No passado, muitos sensores para medições de pressão e acústicas dependiam do uso de partes móveis, como membranas, substituindo o segundo espelho do FPE19. As deflexões da membrana levam a uma mudança na distância do espelho e, portanto, no comprimento do caminho óptico. Esses instrumentos têm a desvantagem de serem propensos a vibrações mecânicas. Nos últimos anos, o desenvolvimento de microfones ópticos utilizando FPEs sólidos atingiu um nível comercial20. Ao abster-se do uso de partes móveis, a medição mudou da distância para o índice de refração dentro da cavidade de Fabry-Pérot, aumentando significativamente a robustez dos sensores.

Os FPEs comercialmente disponíveis no espaço aéreo custam além do aceitável para prototipagem e teste, bem como a integração de instrumentos de produção de alto volume. A maioria das publicações científicas que constroem e utilizam tais FPEs discute o tema da fabricaçãoapenas minimamente 21,22. Na maioria dos casos, equipamentos e máquinas específicos (por exemplo, salas limpas, instalações de revestimento, etc.) são necessários; por exemplo, para FPEs totalmente integrados à fibra, são necessários equipamentos especiais de microusinagem. Para reduzir os custos de fabricação e permitir o teste de várias configurações diferentes de FPE para melhorar sua adequação às configurações de PTI, um novo método de fabricação foi desenvolvido, que é descrito em detalhes no protocolo a seguir. Ao utilizar apenas componentes de fibra óptica a granel e de telecomunicações disponíveis comercialmente, os custos de fabrico poderiam ser reduzidos para menos de 400 euros. Todas as instalações que trabalham com equipamentos fotônicos padrão devem ser capazes de reproduzir nosso esquema de fabricação e adaptá-lo às suas aplicações.

Protocolo

1. Impressão tridimensional da célula de medição

  1. Adapte a célula de medição, conforme indicado no Arquivo de Codificação Suplementar 1, ao seu aplicativo. Impressão tridimensional da célula, bem como das tampas, dadas em Arquivos de Codificação Suplementares 1-3, para a montagem dos materiais ópticos a granel.
    NOTA: Uma impressora 3D SLA foi usada para o presente estudo (ver Tabela de Materiais).
  2. Ao gerar o trabalho de impressão, certifique-se de minimizar o número de estruturas de suporte dentro das cavidades e aberturas. A resina residual pode reduzir o diâmetro, e a óptica a granel pode ficar presa.
  3. Após a impressão, limpe a célula com álcool isopropílico e remova todas as estruturas de suporte com um cortador de arame e lixa.
  4. Rosqueie os orifícios apropriados logo após a impressão e antes da cura.
    1. Rosqueie a entrada e saída de gás como M5 para montar o conector da mangueira.
    2. Rosqueie o orifício central na parte inferior como M4 para a pós-montagem da célula.
    3. Rosqueie os orifícios menores perpendicularmente na haste da gaiola através de orifícios como M3 para permitir a fixação da célula ao sistema da gaiola (Figura 2).
  5. Cura UV da célula (405 nm) e das tampas a 60 °C durante, pelo menos, 40 minutos utilizando um dispositivo de cura UV disponível comercialmente (ver Tabela de Materiais).

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Figura 2: Renderização do modelo CAD rotulado da célula de medição. Uma visão seccional é fornecida aqui para maior clareza. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Preparação dos espaçadores

  1. Corte dois espaçadores de uma janela de precisão de sílica UVFS (UVFS). Recorte duas peças de aproximadamente 3 mm de largura da janela de precisão, como mostra a Figura 3B.
    NOTA: Os espaçadores podem ser cortados usando um cortador de vidro convencional de baixo custo (consulte a Tabela de Materiais).
    CUIDADO: Use luvas e óculos de proteção ao cortar e manusear as óticas a granel.
  2. Escreva uma linha reta na janela de precisão com a ferramenta de corte e, em seguida, quebre o vidro usando um alicate. Use sempre um alicate com superfícies planas e coloque lenços de limpeza de lentes (ou similares) entre o metal e o vidro, a fim de evitar danos à superfície do vidro.
  3. Limpe os espaçadores com um pulverizador de espanador para remover resíduos de vidro.
    NOTA: Além disso, os espaçadores podem ser cuidadosamente limpos com fluido de limpeza da lente, bem como tecidos de limpeza da lente sem aplicar pressão.

3. Montagem do etalon

  1. Coloque a célula impressa em 3D (passo 1) sobre a mesa com o poço de etalon virado para cima.
  2. Insira um O-ring (10 mm x 1 mm, consulte Tabela de Materiais) no poço do etalon e pressione-o levemente no sulco designado.
  3. Coloque o divisor de feixe com a superfície refletiva voltada para cima no poço de etalon e sobre o O-ring.
  4. Coloque cuidadosamente os dois espaçadores no divisor de feixes usando um tweezer. Posicione-os de forma a gerar uma abertura clara para o gás e o laser de excitação, que entra na cavidade de ar através do orifício que vai de um lado ao outro da célula (Figura 2, número 3).
    OBS: Os espaçadores devem ser colocados de cada lado para obter uma cavidade de ar no meio, como mostra a Figura 3B. Pegue apenas os espaçadores nas superfícies laterais para evitar arranhar as superfícies paralelas.
  5. Quando os espaçadores estiverem no lugar, alinhe o espelho em cima deles, com o lado reflexivo voltado para baixo. O divisor de feixes, espaçadores e espelho precisam ser alinhados de forma concêntrica agora.
  6. Pegue a tampa de etalon impressa em 3D e coloque os dois anéis O (10 mm x 1 mm e 14 mm x 2 mm) nos sulcos designados.
  7. Alinhe a tampa ao sulco retangular da célula e coloque-a em cima do espelho.
    1. Aplique pressão sobre a tampa para fixar os espaçadores no lugar. Levante a célula enquanto sempre aplica pressão na tampa e insira quatro parafusos M4 através dos orifícios designados do lado de trás.
    2. Monte-os com quatro porcas M4 na parte frontal e aperte-os até que a pressão da tampa seja suficiente para manter os espaçadores no lugar e os anéis O sejam compactados o suficiente.
    3. Verifique se os espaçadores ainda estão no local; Se assim for, o Etalon está agora pronto para uso posterior.
  8. Use as duas tampas adicionais impressas em 3D para montar janelas a laser na lateral da célula de medição, a fim de tornar a célula estanque ao gás. Portanto, coloque um O-ring (10 mm x 1 mm) no sulco designado na célula e outro (10 mm x 1 mm) na tampa. Coloque a janela no sulco e fixe a tampa da janela com quatro parafusos e porcas M3, como mostra a Figura 2, número 2).

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Figura 3: Renderização da célula de medição e do FPE. (A) Renderização do processo de montagem da célula impressa em 3D, bem como do FPE com a tampa de montagem correspondente. (B) Renderização dos componentes ópticos a granel na ordem correta. Os espaçadores criam uma cavidade espaçada no ar entre as duas superfícies espelhadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Montagem da plataforma de alinhamento de fibras

  1. Monte os estágios e as placas adaptadoras conforme listado na Tabela de Materiais. Use a Figura 4 como orientação durante a construção.
  2. Monte o primeiro estágio goniométrico de eixo único em uma protoboard óptica na direção x.
    NOTA: A nomenclatura do eixo foi escolhida arbitrariamente. O plano da protoboard óptica é definido como um plano x-y, com a direção vertical voltada para fora da protoboard em uma direção z positiva.
  3. Dependendo dos estágios utilizados, monte uma placa adaptadora em cima do estágio goniométrico, se necessário.
    1. Monte um estágio de translação de micrômetro x-y de dois eixos central na parte superior da placa adaptadora.
    2. Monte um suporte em ângulo reto no palco de translação voltado para a direção y.
    3. Monte um estágio de translação de eixo único no suporte inclinado para a direita na direção z.
  4. Usando placas adaptadoras adicionais, monte o segundo estágio goniométrico na direção z no estágio de translação.
  5. Coloque uma braçadeira de ponteira de fibra em cima de um poste. Escolha o comprimento do poste para que a virola de fibra esteja exatamente no ponto de rotação do segundo estágio goniométrico vertical. A distância é dada no manual do estágio.
  6. O diâmetro externo da virola de fibra é de 2,8 mm. Se não houver braçadeira para esse diâmetro, use uma braçadeira de 2,5 mm e amplie-a com uma broca.
  7. Montar o poste com a pinça da virola no segundo estágio goniométrico vertical numa posição z correspondente ao ponto de rotação do primeiro estágio goniométrico horizontal a partir do passo 4.2.
    1. Certifique-se de que a manga da virola e a lente GRIN fiquem fora da braçadeira da virola por alguns milímetros na direção z negativa.
    2. Escolha a posição vertical do poste para que a ponta da lente GRIN esteja no ponto de rotação do estágio goniométrico.
  8. Para montar o etalon, pegue um poste, monte um suporte em ângulo reto nele e prenda uma placa de gaiola padrão SM1 rosqueada de 30 mm nele. Monte quatro hastes de gaiola (>40 mm) na placa voltada na direção z positiva.
  9. Pegue quatro molas de metal com um diâmetro interno ligeiramente maior do que o diâmetro da haste da gaiola e coloque uma em cada haste da gaiola. Deslize a célula de medição com FPE integrado sobre as hastes com o lado do divisor de feixes voltado para cima até que ele descanse sobre as molas.
    NOTA: Certifique-se de que a célula pode mover-se livremente na direção z. Se o atrito for muito alto, é necessário um alargamento adicional dos orifícios de passagem da célula para as hastes da gaiola. Isso é melhor feito com um arquivo redondo.
  10. Monte o poste, através de um suporte de poste, uma placa de base e um garfo de fixação, logo abaixo da plataforma de alinhamento de fibra. Certifique-se de que a abertura da célula, expondo o divisor de feixes, esteja centralizada aproximadamente 10 mm abaixo do suporte da virola (passo 4.5).

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Figura 4: Imagem da plataforma de alinhamento com o FPE acoplado à lente GRIN durante o processo de cura UV. Os componentes escritos em cinza são para medições de PTI e não são necessários para o processo de alinhamento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

5. Configuração opto-eletrônica

  1. Monte os componentes optoeletrônicos conforme listados na Tabela de Materiais e organize-os conforme mostrado esquematicamente na Figura 5.
  2. Monte os componentes de fibra óptica em uma protoboard óptica usando as bandejas de componentes correspondentes.
  3. Monte o laser em um suporte de diodo laser. Conecte a fonte de laser a um driver de laser e controlador TEC (cooler termoelétrico) com função de modulação integrada (modulação triangular); caso contrário, um gerador de função adicional é necessário.
  4. Defina a amplitude de modulação de corrente triangular de forma que uma faixa de comprimento de onda seja coberta bem acima da FWHM esperada do etalon (cálculos podem ser encontrados na seção de discussão). Ajuste a frequência de modulação para cerca de 100 Hz.
  5. Conecte a saída óptica do laser à entrada do isolador usando luvas de acoplamento com suporte em L.
  6. Monte um atenuador de fibra óptica de 15 dB após o isolador e conecte-o à porta de entrada do acoplador 1 x 2.
  7. Conecte a porta de saída do acoplador com 90% de potência óptica à porta 1 do circulador óptico.
  8. Conecte a porta de saída do acoplador com 10% de potência óptica ao fotodiodo de referência do detector balanceado.
  9. Conecte a porta 2 do circulador ao sistema de lentes GRIN de cauda de porco.
  10. Conecte a porta 3 ao fotodiodo de sinal do detector.
  11. Ajuste o detector balanceado no modo "Auto-Balanceado". Conecte a saída elétrica "Signal" do detector a um canal do osciloscópio com um cabo BNC.

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Figura 5: Esquema do setup optoeletrônico para o procedimento de alinhamento. As linhas vermelhas representam fibras ópticas, as linhas pretas são cabos eletrônicos e o feixe azul é o laser de sonda. Um detector balanceado é usado aqui, mas este pode ser substituído por um fotodetector convencional. Portanto, o acoplador 1 x 2 pode ser omitido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

6. Alinhamento da lente Fiber-GRIN

  1. Monte a braçadeira de virola em um poste e fixe-a através de um suporte de poste em uma protoboard óptica.
  2. Fixe a manga de ponteira de fibra em uma braçadeira de virula. Conforme mencionado no passo 4.6, alargar a braçadeira da virola com uma broca, se necessário.
  3. Encha uma pipeta com adesivo de cura UV (consulte Tabela de Materiais).
    CUIDADO: Use luvas e óculos ao manusear a ótica a granel, bem como o adesivo de cura UV.
  4. Pegue a virola de fibra de rabo de porco e adicione uma gota de adesivo na superfície lateral da virola. Mantenha a superfície frontal da virola limpa.
  5. Insira a virola na manga da virola. Certifique-se de inserir a virola com profundidade suficiente para que a extremidade frontal da lente GRIN fique pelo menos 1-2 mm fora da manga da virola.
  6. Aplique uma pré-cura muito rápida com uma lâmpada UV (~10 s). Apenas ilumine a parte de trás (extremidade de fibra da virola) para fixar a virola na manga sem endurecer nenhum adesivo na extremidade frontal da virola.
  7. Pegue a lente GRIN e encontre o lado cunhado. Isso pode ser feito com um microscópio ou simplesmente girando-o. Com isso, o lado encunhado de 8° torna-se visível.
  8. Aplique um adesivo de gota na extremidade encunhada da lente GRIN e insira-o na manga da virola.
    NOTA: Ao aplicar uma leve pressão, o ar sai da cavidade entre a virola e a lente GRIN. Pode não haver bolhas de ar fechadas entre as duas superfícies. Se houver, um ligeiro giro pode ajudar; caso contrário, remova a lente GRIN e repita a etapa 6.8.
  9. Gire a lente GRIN cuidadosamente até que as duas superfícies angulares fiquem paralelas.
  10. Monte um analisador de feixe de aproximadamente 150 mm na frente da lente GRIN. Se nenhum analisador de feixe estiver disponível, um medidor de energia com um orifício na frente pode ser usado.
  11. Conecte a virola pigtailed a um laser com o comprimento de onda apropriado. Ligue o laser.
    CUIDADO: Precauções de segurança a laser devem ser tomadas.
  12. Usando uma pinça, mova levemente a lente GRIN para fora da manga da virola para alterar a distância entre a virola e a lente GRIN. Essa distância é crucial para definir a distância focal do sistema. Ao mover a lente GRIN, monitore constantemente a forma do feixe (ou potência óptica).
    NOTA: Uma pré-cura curta (~ 10 s) pode ajudar se o processo de alinhamento for muito instável.
  13. Quando o sistema estiver focado no ideal desejado, aplique a cura final expondo-a à luz UV por aproximadamente 10 min.
  14. Após a cura, retire a manga da virola da braçadeira; Neste ponto, ele está pronto para uso posterior.

7. Alinhamento fibra-etalon

  1. Pegue a virola de rabo-de-porco e o sistema de lentes GRIN do passo 5 e monte-o com a braçadeira de virola do passo 4.5.
  2. Certifique-se de que o estágio de translação na direção z seja movido para sua altura máxima e que todos os outros estágios estejam em posições neutras (centralizadas).
  3. Alinhe a célula abaixo dela. Certifique-se de que a lente GRIN aponte diretamente para o centro da abertura. Fixe a posição da célula a uma altura ligeiramente abaixo da lente GRIN (aproximadamente 5 mm).
  4. Aplique uma ou duas gotas de adesivo na extremidade frontal da lente GRIN com a pipeta.
  5. Abaixe o estágio de translação na direção z até que o contato com a superfície revestida com antirreflexo do divisor de feixe seja garantido. Continue a baixar a lente GRIN até que seja aplicada pressão suficiente e as molas estejam sob tensão suficiente.
    NOTA: Isso garante que o contato entre a lente GRIN e o divisor de feixe seja mantido durante o processo de inclinação do alinhamento. A quantidade de pressão necessária depende do setup e pode ser ajustada durante o alinhamento se nenhuma função de reflectância razoável puder ser observada. A experiência tem mostrado que mais pressão geralmente ajuda o processo de alinhamento.
  6. Ligue o laser modulado, bem como o osciloscópio. Certifique-se de que o osciloscópio tenha a maior resolução figure-protocol-5possível, ao iniciar o processo de alinhamento. Defina a resolução de tempo para que dois a três períodos da modulação sejam visíveis.
  7. Inicie o processo de alinhamento garantindo que a lente GRIN aponte normalmente na superfície do divisor de feixes. Isso pode ser feito por inspeção visual e girando os estágios goniométricos de acordo. Esta é agora a posição zero.
  8. Passo a passo, desvie um estágio goniométrico ligeiramente e, em seguida, mova o outro estágio goniométrico em torno da posição zero.
    1. Se nenhuma alteração puder ser observada no osciloscópio, desvie um pouco mais o primeiro estágio goniométrico e repita esse processo iterativo até que a modulação triangular se torne visível no osciloscópio.
    2. Se você observar uma histerese do sinal após os movimentos dos estágios, verifique se todos os componentes estão fixados corretamente.
      NOTA: Um aumento na pressão causado pela movimentação do estágio z para baixo também pode ajudar. Se o sinal observado não for tão forte quanto o esperado, a retroreflexão pode vir de uma das superfícies do etalon ou de um dos picos periféricos da função de reflectância. Como regra geral, com um divisor de feixe de 70% e um espelho totalmente refletivo, os picos de reflexão observados são da ordem de 25% da potência óptica introduzida no etalon.
  9. Uma vez observada uma forte reflexão posterior, ajuste a resolução do osciloscópio e assegure-se de que o pico da função de reflectância do etalon fique central nas inclinações da modulação triangular (Figura 6). Sintonize o pico do etalon alterando a temperatura do laser até que o pico esteja centrado na inclinação.
  10. Tente maximizar a força de pico (tensão mínima) e, simultaneamente, maximizar a relação pico-pico da modulação triangular por movimentos leves dos estágios goniométricos.
  11. Quando o processo de alinhamento estiver concluído, monte a lâmpada UV perto da lente GRIN. Use uma montagem de lente autocentrada em um ângulo de 45°.
  12. Realize a cura passo a passo. Primeiro, cure o adesivo que já foi aplicado na etapa 7.4. Continue monitorando a função de refletância no osciloscópio. Se a cura levar a uma degradação do alinhamento devido ao encolhimento do adesivo, ajuste ligeiramente os estágios goniométricos.
  13. Após 5-10 min, desligue a lâmpada UV e aplique mais adesivo ao redor da lente GRIN sem tocá-la. Exponha o adesivo à luz UV por mais 5-10 min. Repita este passo até que a abertura da célula seja completamente preenchida com uma camada homogênea de adesivo. Realizar a cura final por mais de 1 h.
  14. Para garantir uma conexão adequada dos componentes colados, deixe toda a configuração descansar por 1 semana ou tempere a junta adesiva a 60 °C por 1 h, se possível.
  15. Agora, a manga da virola pode ser removida da braçadeira. Portanto, mova o estágio de translação em uma direção z positiva até que as molas estejam totalmente relaxadas. Evite qualquer estresse no sistema de lentes ferrule-GRIN; Abra a braçadeira e remova-a. Agora, o etalon está acabado e pronto para uso posterior.

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Figura 6: Sinal de osciloscópio genérico exemplar. Em verde, um bom alinhamento é representado, e em amarelo, um pior é mostrado. Quanto melhor o alinhamento, maior a relação pico-pico da modulação triangular, e mais o pico de reflectância (vale) vai em direção a zero. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

8. Caracterização de Etalon

  1. Para a avaliação do etalon produzido, utilizar o mesmo arranjo de fibra óptica descrito na etapa 5. Use um sistema de medição capaz de ajustar a temperatura do laser passo a passo e com uma taxa de registro de dados suficiente.
    NOTA: Um sistema baseado em FPGA é usado aqui (consulte a Tabela de Materiais).
  2. Calcule o FSR teórico. Dependendo do laser usado (veja coeficiente de ajuste de temperatura), execute uma varredura de temperatura correspondente a pelo menos dois FSRs. Aumente a temperatura passo a passo (incrementos de ~0,005 °C), e deixe o TEC se acomodar por 2-3 s antes de medir por mais 2-3 s cada vez.
  3. Processe os dados com qualquer programa de cálculo numérico. Use qualquer biblioteca de processamento de sinal com um localizador de pico integrado. A distância entre dois picos subsequentes representa o FSR. Calcule a FWHM avaliando a largura do pico em sua meia altura.
    NOTA: Como o cálculo de FSR e FWHM é fortemente dependente do formato de dados, nenhum código é fornecido aqui, mas pode ser disponibilizado pelo autor mediante solicitação.
  4. Converta a temperatura em comprimento de onda usando o coeficiente de ajuste de temperatura do laser.
  5. Calcular o FSR e a FWHM a partir das medidas (Figura 7).
  6. Calcule a delicadeza do FPE fabricado com a seguinte fórmula:
    figure-protocol-7.

Resultados

Como pode ser visto na Figura 7, um FPE com uma função de reflectância bem definida poderia ser fabricado.

figure-results-1
Figura 7: Função de reflectância medida do FPE acabado. Uma varredura de temperatura, correspondente a uma varredura de comprimento de onda do laser, foi realizada para medir a função de reflectância da FPE. Isso é usado para avaliar métricas como a largura total na metade máxima (FWHM) e a faixa espectral livre (FSR) do dispositivo fabricado. A reflectância relativa refere-se à proporção relativa de luz sendo retro-refletida na fibra após passar pelo FPE. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

As métricas medidas da FPE estão listadas na Tabela 1 e comparadas com os valores calculados de um étalon ideal com as mesmas especificações. As fórmulas para um FPE ideal podem ser encontradas na seção de introdução.

MedidoIdeal FPE
Fineza12.817.1
FWHM0,0268 NM0,0234 NM
FSR0,3441 NM0,4004 NM
Sensibilidade14 1/nm21 1/nm

Tabela 1: Comparação das métricas medidas e calculadas do etalon FPE fabricado.

Para validar a aptidão para uma aplicação designada, o FPE é usado para medições PTI de vapor de água no ar ambiente. Portanto, um laser de excitação com comprimento de onda de 1.364 nm é guiado para dentro da célula perpendicularmente ao laser de sonda. Ambos os lasers se cruzam dentro do FPE. O laser de excitação é modulado sinusoidalmente com uma frequência de 125 Hz. Ao estabilizar o laser da sonda na inclinação mais íngreme do FPE, via corrente constante, a maior sensibilidade do sensor é alcançada. Para as medidas de vapor d'água, a célula é operada com janelas abertas e exposta ao ar ambiente com concentração de 13.762 ppmV, medida por um dispositivo de referência (temperatura = 21,4 °C, pressão = 979,9 hPa, umidade relativa = 52,2%). O sinal é extraído por meio de uma transformada rápida de Fourier (FFT) e comparado ao sinal de fundo com o laser de excitação desligado, como mostra a Figura 8. Uma relação sinal-ruído superior a 7.000 pode ser obtida, correspondendo a um limite de detecção de aproximadamente 5 ppmV (3σ).

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Figura 8: Medidas PTI do vapor d'água no ar ambiente. Em preto, o sinal FFT de uma medição com excitação a laser de 125 Hz é mostrado. Em azul, o sinal de fundo sem excitação é representado. O inset mostra o pico medido em 125 Hz com mais detalhes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Arquivo de codificação suplementar 1: Measurement_cell. SLDPRT. Arquivo CAD para a célula de medição. A célula pode ser adaptada aos requisitos da aplicação específica e, posteriormente, impressa em 3D. Clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo de codificação suplementar 2: cap_etalon. SLDPRT. Arquivo CAD para fixação do etalon dentro da célula de medição. Clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo de codificação suplementar 3: cap_window. SLDPRT. Arquivo CAD para fixação das janelas a laser na célula de medição. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussão

Como o FPE fabricado seguindo o protocolo dado aqui é otimizado para uma aplicação específica, possíveis adaptações e etapas críticas são explicadas neste capítulo. Em primeiro lugar, o FPE e a célula de medição são projetados para medições de PTI. Portanto, uma entrada e saída de gás, bem como um canal para o laser de excitação, que é perpendicular ao laser de sonda, são adicionados à célula. Todas as aberturas da célula são tornadas herméticas através de O-rings e/ou cobertas através de janelas UVFS para permitir a propagação do laser. Se usada de forma diferente, a célula, conforme indicado no Arquivo de Codificação Suplementar 1, pode ser reprojetada e adaptada ao aplicativo específico. O encadeamento na etapa 1.4 é feito após a impressão. Os fios também podem ser impressos em 3D, mas como eles tendem a se desgastar rapidamente, apenas furos com o diâmetro apropriado do orifício do núcleo são impressos, e estes são rosqueados depois.

A escolha do material para os espaçadores da etapa 2.1 é crucial. O paralelismo dos espaçadores determina o paralelismo dos espelhos de etalon e, portanto, influencia a finesse7. Uma janela de precisão UVFS de 1/2 polegada, conforme fornecido na Tabela de Materiais, com um paralelismo de ≤5 segundos de arco e uma planicidade superficial de λ/10 sobre a abertura clara foi usada neste estudo. O coeficiente de expansão térmica do UVFS é de 0,55 x 10−6/°C. A estabilidade da temperatura pode ser aumentada usando, por exemplo, espaçadores Zerodur5 , com um coeficiente de expansão térmica inferior a 0,1 x 10−6/°C; no entanto, isso tem a desvantagem de custos mais altos.

O FPE é formado por um espelho totalmente refletivo, bem como um divisor de feixes. O divisor de feixe tem uma superfície refletora, bem como uma parte traseira revestida com antirreflexo. Isso permite o acoplamento da luz para dentro e para fora do etalon. Além disso, o substrato do divisor de feixe apresenta um lado encunhado para evitar efeitos indesejados de etalon. A parte de trás do espelho é rugosa pelos mesmos motivos.

Na etapa 5.1, a configuração optoeletrônica para rastrear o processo de alinhamento é descrita. Todas as fibras utilizadas são fibras SMF-28 padrão com conectores FC/APC. Devido à aplicação designada para PTI, um fotodetector balanceado estava prontamente disponível neste estudo, mas isso não é necessário em geral. Um fotodetector convencional pode ser usado em seu lugar; Nesse caso, o uso de um acoplador 1 x 2 é obsoleto. Essas alterações não afetam os outros componentes da instalação, conforme apresentado na Figura 5. A modulação da corrente triangular do laser de sonda, descrita no passo 5.4, corresponde a uma varredura de comprimento de onda. Deve ser escolhida uma faixa de corrente suficiente para varrer pelo menos um pico de refletância do FPE. Portanto, um FSR pode servir como regra geral. Os cálculos para o FSR de um FPE ideal podem ser encontrados na seção de introdução. Juntamente com o coeficiente de sintonia de corrente (nm/mA) do laser, dado no respectivo manual, a faixa de corrente cobrindo um FSR pode ser calculada. Como exemplo, o laser utilizado neste trabalho apresentou coeficiente de sintonia de corrente de 0,003 nm/mA e emitido no comprimento de onda de 1.550 nm. O FSR esperado de um FPE ideal com espaçamento de espelho de 3 mm, d, é de aproximadamente 0,4 nm. Isso dá uma faixa de ajuste atual de 133 mA.

Neste trabalho, a frequência de modulação foi ajustada para 100 Hz para visualização conveniente no osciloscópio. Como a faixa de ajuste de corrente desejada é bastante grande, um atenuador de fibra fixa pode ser usado para permanecer dentro dos limites de potência do detector usado. O atenuador pode ser montado logo após o isolador.

O adesivo de cura UV usado nas etapas 6 e 7 é transparente à luz laser e tem um índice de refração de 1,56. O processo de alinhamento, conforme descrito na etapa 7.1, depende do fotodetector disponível. O detector balanceado utilizado nesta configuração gera uma saída de "Sinal" de tensão negativa. Por razões de generalidade, assume-se uma saída de tensão positiva para a descrição do passo 7.10 e na Figura 6. Para um etalon bem alinhado, o pico de reflectância irá em direção a zero, enquanto a função triangular aumentará sua relação pico-pico.

Para a caracterização do etalon na etapa 8.1, é utilizado um software de cálculo numérico (ver Tabela de Materiais). A tensão medida para cada passo de temperatura é calculada em média e plotada, como mostra a Figura 7. Para converter os passos de temperatura em passos de comprimento de onda, o coeficiente de ajuste de temperatura do laser de sonda é usado. As bibliotecas de análise de sinais integraram algoritmos de busca de picos, que podem ser usados para esse fim. Como a análise dos dados depende fortemente do formato dos dados, nenhum código é fornecido aqui, mas ele pode ser disponibilizado pelo autor correspondente mediante solicitação.

Uma possível limitação da técnica de fabricação aqui apresentada é a estabilidade térmica e mecânica em ambientes dinâmicos. Como o escopo deste artigo instrucional é a prototipagem de baixo custo de FPEs para aplicações laboratoriais, nenhum teste relativo à estabilidade mecânica e de temperatura é fornecido aqui. Se o FPE for usado para aplicações móveis ou em ambientes de mudança, medidas adicionais devem ser tomadas para estabilizar mecanicamente o sistema de lentes de fibra GRIN em relação ao etalon.

Um novo método para fabricar e caracterizar um FPE é demonstrado aqui com componentes ópticos padrão disponíveis em todos os laboratórios fotônicos. O FPE apresentado tem uma finesse de aproximadamente 15 e uma sensibilidade suficiente para detectar aproximadamente 5 ppmV de vapor de água. Além da aplicação apresentada para o PTI, esse FPE poderia ser utilizado em aplicações como a construção de microfones ópticos 20, que são comumente aplicados na área de ensaios não destrutivos23, medidas de índice de refração24,25 ou higrômetros 26, apenas para citar alguns.

Divulgações

Não há conflitos de interesse.

Agradecimentos

O trabalho aqui apresentado foi realizado no âmbito do projeto financiado pela FFG "Green Sensing" e do programa SPS da OTAN "Photonic Nano Particle Sensors for Detecting QBRN events". O trabalho também foi apoiado pelo TU Graz Open Access Publishing Fund.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Fotorreceptor Auto-Balanceado NirvanaNew Focus, Inc.2017Fotodetector balanceado
Controlador de diodo laser de bancada/TEC, 1A/96 WThorlabsITC4001
Montagem de diodo laser borboletaThorlabsLM14S2
Garfo de fixaçãoThorlabsCF175
compactRIONational InstrumentsPara aquisição de dados
Removedor de poeiraRS Componentes168-1644
FC/APC para FC/APC Manga de acoplamento de suporte em L únicoThorlabsADAFCB3
Fluido de limpeza de fibraThorlabsRCS3
Circulador de fibra óptica SMTecnologias AFWCIR-3-15-L-1-2
Acoplador SM de fibra óptica 1 x 2, tecnologias 90/10AFWFOBC-1-15-10-L-1-S-2Somente se for usado fotodetector balanceado
TecnologiasAFWISOD-15-L-1-2
Bobinas de armazenamento de fibra ópticaThorlabsFSR1Atenuador
de fibra óptica fixoThorlabsFA15T-APCDiferentes níveis de atenuação usados
GRIN/Ferrule Sleeve, 1,818 mm de diâmetro interno, 10 mm de comprimento, vidro borosilicatoThorlabs51-2800-1800Sistema de lentes de fibra óptica
Lente GRIN, Ø 1,8 mm, 0,23 Pitch, 8°, 1560 nm Design Comprimento de onda, revestido AR: 1250 - 1650 nmThorlabsGRIN2315AFiber-GRIN
Lâmpada UV-LED portátilRS Components220-6819Lâmpada para curar o adesivo 
Estágio e base de alta precisãoNewport9062-X-MTrês nedded
Conector de mangueiraRS ComponentsM5 rosqueado
Grande Goniômetro, 44,5 mm Distância até o ponto de rotação, ± 5°, MetricThorlabsGNL18/MDois necessários
L-Bracket Mating SleeveThorlabsADAFCB3
Grampos de botão magnéticoThorlabsBM075
Parafuso de micrômetroNewport9355Três nedded
MIL-A-3920 Adesivo Óptico com Resiliência, 1 oz.Adesivo de cura UVThorlabsNOA61
Base de montagem, 50 mm x 75 mm x 10 mmThorlabsBA2/M
O-RingsHaberkornTamanhos indicados no texto
Bandeja de fibra de componente passivoThorlabsBFCTAdaptador
de base de pedestalThorlabsBE1
Virola de Rabo de Cavalo, Ø 1,8 mm, 8°, FC/APC, AR Revestido: 1310/1550 nmlente de fibraThorlabsSMPF0115-APC
de posteThorlabsPH30/M
Pós-montável Ø Grampo de Virola de 2,5 mm, Torneira M4ThorlabsFCM/M
PythonPython3.9Software de análise de dados numéricos
Suporte em ângulo retoNewport9062-A-M
Montagem de lente autocentranteThorlabsSCL03
Silberschnitt 3001Bohle cortadores de vidro3001
Placa de gaiola padrão com rosca SM1ThorlabsCP33 / M
FormlabsForm Cure
1550 nm 20 mW borboleta DFB diodo laserAeroDiode1550LD-5-0-0-2
Impressora 3DFormlabs3+
Ø Janela de Precisão UVFS de 1/2", Não Revestida, t = 3 mmThorlabsWG40530Espaçadores
Ø Espelho Dielétrico de Banda Larga 1/2", 1280 - 1600 nmThorlabsBB05-E04Mirror
Ø 1/2" 70:30 (R:T) UVFS Plate Beamsplitter, Revestimento: 1.2 - 1.6 µ m, t = 3 mmThorlabsBST06Divisor de feixe
múltipla necessário de isolador SM de fibra óptica Sistema de lente múltiplo necessário múltiplo necessário Sistema de Suporte Conjunto de Dispositivo de cura UV

Referências

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  26. Radeschnig, U., Bergmann, A., Lang, B. Flow-enhanced photothermal spectroscopy. MDPI Sensors. 22 (19), 7148(2022).

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