Summary
Denne protokol beskriver konstruktionen af en billig, diskret, fiberkoblet og luftfordelt Fabry-Perot etalon med forskellige anvendelser, såsom i sporgasspektroskopi. Fremstillingen er mulig i ethvert anlæg med standard optisk laboratorieudstyr til rådighed.
Abstract
Fabry-Pérot etalons (FPE) har fundet vej til mange applikationer. Inden for områder som spektroskopi, telekommunikation og astronomi anvendes FPE'er for deres høje følsomhed såvel som deres ekstraordinære filtreringsevne. Imidlertid er etaloner med luftafstand med høj finesse normalt bygget af specialiserede faciliteter. Deres produktion kræver et rent rum, speciel glashåndtering og belægningsmaskiner, hvilket betyder, at kommercielt tilgængelige FPE'er sælges til en høj pris. I denne artikel præsenteres en ny og omkostningseffektiv metode til fremstilling af fiberkoblede FPE'er med standard fotonisk laboratorieudstyr. Protokollen bør tjene som en trinvis vejledning til konstruktion og karakterisering af disse FPE'er. Vi håber, at dette vil gøre det muligt for forskere at udføre hurtig og omkostningseffektiv prototyping af FPE'er til forskellige anvendelsesområder. FPE, som præsenteret her, bruges til spektroskopiske applikationer. Som vist i afsnittet om repræsentative resultater via proof of principle-målinger af vanddamp i den omgivende luft har denne FPE en finesse på 15, hvilket er tilstrækkeligt til fototermisk detektion af sporkoncentrationer af gasser.
Introduction
I sin mest grundlæggende form består en FPE af to planparallelle delvist reflekterende spejlflader1. I de følgende forklaringer, når der henvises til spejle, behandles det optiske substrat og den reflekterende belægning som en. I de fleste applikationer har de anvendte spejle en kilet overflade2 for at forhindre uønskede etaloneffekter. Figur 1 illustrerer dannelsen af interferensmønsteret for en etalon med luftafstand (figur 1A) samt reflektionsfunktionen for forskellige spejlreflektioner (figur 1B).
Lyset kommer ind i hulrummet gennem et spejl, gennemgår flere refleksioner og forlader hulrummet ved refleksion såvel som transmission. Da denne artikel fokuserer på fremstillingen af en FPE, der drives i refleksion, henviser de yderligere forklaringer specifikt til refleksion. Bølgerne, der forlader hulrummet, interfererer, afhængigt af faseforskellen, q = 4πnd / λ. Her er n brydningsindekset inde i hulrummet, d er spejlafstanden, og λ er bølgelængden af interferometrets lyskilde, her kaldet sondelaseren. En minimal refleksion opstår, når den optiske stiforskel matcher heltalsmultiplum af bølgelængden, 
. Finessen af en ideel plan-parallel etalon bestemmes af spejlreflektionerne R1 og R2 kun3:
Imidlertid er en reel etalon underlagt mange tab, hvilket nedbryder den teoretisk opnåelige finesse 4,5,6. Afvigelse af spejlparallelismen7, ikke-normal forekomst af laserstrålen, stråleform8, urenheder i spejloverfladen og spredning fører blandt andet til en reduktion i finessen. Det karakteristiske interferensmønster kan beskrives ved Airy-funktionen1:
Den fulde bredde ved halv maksimum (FWHM) samt reflektansfunktionens frie spektralområde (FSR) kan beregnes som følger:
Figur 1: Fabry-Pérot interferometer teori . (A) En skematisk skildring af multistråleinterferensen for en etalon med luftafstand med kilede vinduer. En planbølge, E0, kommer ind i hulrummet under en bestemt vinkel, φ, gennem en antirefleksoverflade (AR) og gennemgår efterfølgende flere refleksioner mellem de stærkt reflekterende (høje R) overflader fordelt på afstand, d. Med hver refleksion er en del af lyset afkoblet af etalon enten i transmission eller refleksion, hvor det forstyrrer de andre bølger. (B) Reflektionsfunktionen af en ideel Fabry-Pérot etalon til forskellige spejlreflektioner (y-akse). Klik her for at se en større version af denne figur.
FPE'er findes i en lang række applikationer 9,10,11. I det tilfælde, der præsenteres her, anvendes FPE i en opsætning af fototermisk interferometri (PTI). I PTI måles små densitets- og dermed brydningsindeksændringer, induceret af den periodiske excitation efterfulgt af hurtig termalisering af en målgas via en anden laser, interferometrisk12. Mængden af varme og dermed størrelsen af brydningsindeksændringen er proportional med gaskoncentrationen. Ved måling af intensiteten af FPE'ens reflektionsfunktion på det stejleste punkt (driftspunkt) forskyder disse ændringer i brydningsindekset reflektionsfunktionen og ændrer derved den målte intensitet. Da reflektansfunktionen kan antages at være lineær i området omkring driftspunktet, er det målte signal proportionalt med gaskoncentrationen. Sensorens følsomhed bestemmes af refleksionsfunktionens hældning og er derfor proportional med finessen. PTI har i kombination med FPE vist sig at være en følsom og selektiv metode til påvisning af spormængder af gasser og aerosoler 13,14,15,16,17,18. Tidligere var mange sensorer til tryk- og akustiske målinger afhængige af brugen af bevægelige dele, som membraner, der erstattede FPE19's andet spejl. Afbøjninger af membranen fører til en ændring i spejlafstanden og dermed den optiske banelængde. Disse instrumenter har den ulempe, at de er tilbøjelige til mekaniske vibrationer. I de senere år har udviklingen af optiske mikrofoner ved hjælp af solide FPE'er nået et kommercielt niveau20. Ved at afholde sig fra brugen af bevægelige dele ændrede målestørrelsen sig fra afstand til brydningsindekset inde i Fabry-Pérot-hulrummet, hvilket øgede sensorernes robusthed betydeligt.
Kommercielt tilgængelige FPE'er med rumafstand koster ud over, hvad der er acceptabelt til prototyper og test, samt integration af produktionsinstrumenter i store mængder. De fleste videnskabelige publikationer, der konstruerer og bruger sådanne FPE'er, diskuterer kun emnet fabrikation minimalt21,22. I de fleste tilfælde er der behov for særligt udstyr og maskiner (f.eks. renrum, belægningsfaciliteter osv.). For eksempel er der behov for specielt mikrobearbejdningsudstyr til fuldt fiberintegrerede FPE'er. For at reducere produktionsomkostningerne og muliggøre test af flere forskellige FPE-konfigurationer for at forbedre deres egnethed til PTI-opsætninger blev der udviklet en ny fabrikationsmetode, som er beskrevet detaljeret i den følgende protokol. Ved kun at bruge kommercielt tilgængelige, standard bulkoptiske og telekommunikationsfiberoptiske komponenter kunne produktionsomkostningerne reduceres til mindre end 400 euro. Alle anlæg, der arbejder med standard fotonisk udstyr, skal være i stand til at reproducere vores fabrikationsskema og tilpasse det til deres applikationer.
Protocol
1. Tredimensionel udskrivning af målecellen
- Tilpas målecellen, som angivet i supplerende kodningsfil 1, til din applikation. Tredimensionel udskrivning af cellen såvel som hætterne, der er angivet i supplerende kodningsfiler 1-3, til montering af bulkoptiske materialer.
BEMÆRK: En SLA 3D-printer blev brugt til denne undersøgelse (se materialetabel). - Mens du genererer udskriftsjobbet, skal du sørge for at minimere antallet af understøtningsstrukturer inde i hulrum og åbninger. Restharpiks kan reducere diameteren, og bulkoptikken kan sidde fast.
- Efter udskrivning skal du rengøre cellen med isopropylalkohol og fjerne alle understøtningsstrukturer med en trådskærer og sandpapir.
- Træk de relevante huller lige efter udskrivning og før hærdning.
- Træk gasindtaget og -udløbet som M5 for at montere slangestikket.
- Træk det centrale hul i bunden som M4 til eftermontering af cellen.
- De mindre gennemgående huller trækkes vinkelret ind i burstangens gennemgående huller som M3, så cellen kan fastgøres til bursystemet (figur 2).
- UV-hærdning af cellen (405 nm) og hætterne ved 60 °C i mindst 40 minutter ved hjælp af en kommercielt tilgængelig UV-hærdningsanordning (se materialetabel).
Figur 2: Mærket CAD-modelgengivelse af målecellen. En sektionsvisning gives her for mere klarhed. Klik her for at se en større version af denne figur.
2. Klargøring af afstandsstykkerne
- Skær to afstandsstykker ud af et UV-smeltet silica (UVFS) præcisionsvindue. Skær to stykker med en bredde på ca. 3 mm ud af præcisionsvinduet som vist i figur 3B.
BEMÆRK: Afstandsstykkerne kan skæres ved hjælp af en konventionel billig glasskærer (se materialetabel).
FORSIGTIG: Brug handsker og beskyttelsesbriller, mens du skærer og håndterer bulkoptikken. - Skriv en lige linje på præcisionsvinduet med fræserværktøjet, og knæk derefter glasset ved hjælp af en tang. Brug altid tænger med flade overflader, og læg linserensende servietter (eller lignende) mellem metallet og glasset for at forhindre beskadigelse af glasoverfladen.
- Rengør afstandsstykkerne med en støvespray for at fjerne resterende glasrester.
BEMÆRK: Derudover kan afstandsstykkerne forsigtigt tørres af med linserensevæske samt linserensende væv uden at anvende tryk.
3. Samling af etalon
- Placer den 3D-printede celle (trin 1) på bordet med etalongraven opad.
- Indsæt en O-ring (10 mm x 1 mm, se materialetabel) i etalongraven, og tryk den let ind i den angivne rille.
- Placer strålesplitteren med den reflekterende overflade opad i etalongraven og på O-ringen.
- Placer forsigtigt de to afstandsstykker på strålesplitteren ved hjælp af en pincet. Placer dem på en måde, der genererer en klar blænde for gas- og excitationslaseren, som kommer ind i lufthulrummet via det gennemgående hul, der løber fra den ene side af cellen til den anden (figur 2, nummer 3).
BEMÆRK: Afstandsstykkerne skal placeres på hver side for at opnå et lufthulrum i midten, som vist i figur 3B. Tag kun fat i afstandsstykkerne på sidefladerne for at undgå at ridse de parallelle overflader. - Når afstandsstykkerne er på plads, skal du justere spejlet oven på dem med den reflekterende side nedad. Beamsplitteren, afstandsstykkerne og spejlet skal justeres koncentrisk nu.
- Tag den 3D-printede etalonhætte, og sæt begge O-ringe (10 mm x 1 mm og 14 mm x 2 mm) i de udpegede riller.
- Juster hætten til cellens rektangulære rille, og læg den oven på spejlet.
- Tryk på hætten for at fastgøre afstandsstykkerne på plads. Løft cellen, mens du altid trykker på hætten, og indsæt fire M4-skruer gennem de udpegede huller fra bagsiden.
- Monter dem med fire M4-møtrikker på forsiden, og stram dem, indtil trykket fra hætten er nok til at holde afstandsstykkerne på plads, og O-ringene er komprimeret nok.
- Kontroller, om afstandsstykkerne stadig er på plads; I så fald er Etalon nu klar til videre brug.
- Brug de to ekstra 3D-printede hætter til at montere laservinduer på siden af målecellen for at gøre cellen gastæt. Placer derfor en O-ring (10 mm x 1 mm) i den udpegede rille på cellen og en anden (10 mm x 1 mm) på hætten. Placer vinduet i rillen, og fastgør vindueshætten med fire M3 skruer og møtrikker, som vist i figur 2, nummer 2).
Figur 3: Gengivelse af målecellen og FPE'en . (A) Gengivelse af samleprocessen for den 3D-printede celle samt FPE med den tilsvarende monteringshætte. B) Gengivelse af bulkoptiske komponenter i korrekt rækkefølge. Afstandsstykkerne skaber et hulrum med luftafstand mellem de to spejlflader. Klik her for at se en større version af denne figur.
4. Montering af fiberjusteringsplatformen
- Saml trinene og adapterpladerne som angivet i materialetabellen. Brug figur 4 som retning under konstruktionen.
- Monter det første enaksede goniometriske trin på et optisk brødbræt i x-retningen.
BEMÆRK: Aksenomenklaturen blev valgt vilkårligt. Det optiske breadboardplan defineres som et x-y-plan, hvor den lodrette retning vender ud af brødbrættet i en positiv z-retning. - Afhængigt af de anvendte trin skal du montere en adapterplade oven på det goniometriske trin, hvis det er nødvendigt.
- Monter et to-akset x-y mikrometer oversættelsestrin centralt oven på adapterpladen.
- Monter en retvinklet parentes på oversættelsestrinnet, der vender i y-retningen.
- Monter et enkeltakset oversættelsestrin på den retvinklede parentes i z-retningen.
- Brug ekstra adapterplader til at montere det andet goniometriske trin i z-retningen på oversættelsestrinnet.
- Fastgør en fiberferruleklemme oven på et indlæg. Vælg længden af stolpen, så fiberferrule er nøjagtigt ved rotationspunktet for det andet lodrette goniometriske trin. Afstanden fremgår af etapens manual.
- Fiberferruleens ydre diameter er 2,8 mm. Hvis der ikke er nogen klemme til denne diameter, skal du bruge en 2,5 mm klemme og udvide den med en boremaskine.
- Stolpen monteres med ferruleklemmen på det andet lodrette goniometriske trin i en z-position svarende til rotationspunktet for det første vandrette goniometriske trin fra trin 4.2.
- Sørg for, at ferrule-hylsteret og GRIN-objektivet stikker nogle millimeter ud af ferrule-klemmen i negativ z-retning.
- Vælg stolpens lodrette position, så spidsen af GRIN-linsen er på det goniometriske trins rotationspunkt.
- For at montere etalonen skal du tage en stolpe, montere et retvinklet beslag på det og fastgøre en standard SM1 gevind 30 mm burplade på den. Monter fire burstænger (>40 mm) på pladen, der vender i den positive z-retning.
- Tag fire metalfjedre med en indre diameter, der er lidt større end burstangens diameter, og læg en på hver burstang. Skub målecellen med integreret FPE på stængerne med strålesplittersiden opad, indtil den hviler på fjedrene.
BEMÆRK: Sørg for, at cellen kan bevæge sig frit i z-retningen. Hvis friktionen er for høj, er det nødvendigt med yderligere udvidelse af cellens gennemgående huller til burstængerne. Dette gøres bedst med en rund fil. - Monter stolpen via en stolpeholder, en bundplade og en spændegaffel, lige under fiberjusteringsplatformen. Sørg for, at åbningen af cellen, der eksponerer strålesplitteren, er centreret ca. 10 mm under ferruleholderen (trin 4.5).
Figur 4: Billede af justeringsplatformen med GRIN linsekoblet FPE under UV-hærdningsprocessen. Komponenterne skrevet med gråt er til PTI-målinger og er ikke nødvendige for justeringsprocessen. Klik her for at se en større version af denne figur.
5. Opto-elektronisk opsætning
- Saml de optoelektroniske komponenter som angivet i materialetabellen, og arranger dem som vist skematisk i figur 5.
- Monter de fiberoptiske komponenter på et optisk brødbræt ved hjælp af de tilsvarende komponentbakker.
- Monter laseren på et laserdiodebeslag. Tilslut laserkilden til en laserdriver og TEC-controller (termoelektrisk køler) med en integreret modulationsfunktion (trekantet modulation); Ellers er en ekstra funktionsgenerator nødvendig.
- Indstil den trekantede strømmodulationsamplitude på en måde, så der dækkes et bølgelængdeområde, der ligger langt over etalonens forventede FWHM (beregninger kan findes i diskussionsafsnittet). Indstil modulationsfrekvensen til omkring 100 Hz.
- Tilslut laserens optiske udgang til isolatorindgangen ved hjælp af L-beslagets parringsmuffer.
- Monter en 15 dB fiberoptisk dæmper efter isolatoren, og tilslut den til indgangsporten på 1 x 2-koblingen.
- Tilslut koblingens udgangsport med 90% optisk strøm til port 1 på den optiske cirkulationspumpe.
- Tilslut koblingens udgangsport med 10% optisk effekt til referencefotodioden på den balancerede detektor.
- Tilslut cirkulationspumpens port 2 til pigtailed ferrule-GRIN-linsesystemet.
- Tilslut port 3 til detektorens signalfotodiode.
- Indstil den afbalancerede detektor i tilstanden "Autobalanceret". Tilslut detektorens elektriske "signal" -udgang til en kanal i oscilloskopet med et BNC-kabel.
Figur 5: Skematisk oversigt over den optoelektroniske opsætning af justeringsproceduren. De røde linjer repræsenterer optiske fibre, de sorte linjer er elektroniske kabler, og den blå stråle er sondelaseren. En afbalanceret detektor bruges her, men denne kan erstattes af en konventionel fotodetektor. Derfor kan 1 x 2-koblingen udelades. Klik her for at se en større version af denne figur.
6. Fiber-GRIN linse justering
- Monter ferruleklemmen på en stolpe, og fastgør den via en stolpeholder på et optisk brødbræt.
- Fastgør fiberferrule-muffen i en ferrule-klemme. Som nævnt i trin 4.6 skal du om nødvendigt udvide ferruleklemmen med en boremaskine.
- Fyld en pipette med UV-hærdende klæbemiddel (se materialetabel).
FORSIGTIG: Brug handsker og briller, mens du håndterer bulkoptikken samt UV-hærdende klæbemiddel. - Tag pigtailed fiber ferrule, og tilsæt en dråbe klæbemiddel på ferruleens sideflade. Hold ferruleens forside ren.
- Indsæt ferrule i ferrule-muffen. Sørg for at sætte ferrule dybt nok ind, så forenden af GRIN-linsen er mindst 1-2 mm uden for ferrule-ærmet.
- Påfør en meget hurtig forhærdning med en UV-lampe (~10 s). Lys kun lyset fra bagsiden (fiberenden af ferrule) for at fastgøre ferrule til ærmet uden at hærde noget klæbemiddel på ferruleens forende.
- Tag GRIN-linsen, og find den kilede side. Dette kan gøres med et mikroskop eller ved blot at dreje det. Derved bliver den 8° kilede side synlig.
- Påfør en dråbelim på den kilede ende af GRIN-linsen, og sæt den ind i ferrule-ærmet.
BEMÆRK: Ved at anvende let tryk forlader luften hulrummet mellem ferrule og GRIN-linsen. Der må ikke være luftbobler indesluttet mellem de to overflader. Hvis der er, kan let drejning hjælpe; Ellers skal du fjerne GRIN-objektivet og gentage trin 6.8. - Drej GRIN objektivet forsigtigt, indtil de to vinklede overflader er parallelle.
- Monter en stråleanalysator ca. 150 mm foran GRIN-objektivet. Hvis der ikke er nogen stråleanalysator tilgængelig, kan en effektmåler med et pinhole foran bruges.
- Tilslut pigtailed ferrule til en laser med den passende bølgelængde. Tænd laseren.
FORSIGTIG: Laser sikkerhedsforanstaltninger skal tages. - Brug en pincet til at flytte GRIN-linsen let ud af ferrule-ærmet for at ændre afstanden mellem ferrule- og GRIN-linsen. Denne afstand er afgørende for at indstille systemets brændvidde. Mens du bevæger GRIN-linsen, skal du konstant overvåge stråleformen (eller optisk effekt).
BEMÆRK: En kort forhærdning (~ 10 s) kan hjælpe, hvis justeringsprocessen er for ustabil. - Når systemet er fokuseret på det ønskede optimale, påføres den endelige hærdning ved at udsætte den for UV-lys i ca. 10 min.
- Efter hærdning skal du fjerne ferrule-muffen fra klemmen; På dette tidspunkt er den klar til videre brug.
7. Fiber-etalon justering
- Tag pigtailed ferrule og GRIN linsesystemet fra trin 5, og monter det med ferrule-klemmen fra trin 4.5.
- Sørg for, at oversættelsestrinnet i z-retningen flyttes til dets maksimale højde, og at alle de andre trin er i neutrale (centrerede) positioner.
- Juster cellen under den. Sørg for, at GRIN-objektivet peger direkte mod midten af åbningen. Fastgør cellens position i en højde lidt under GRIN-linsen (ca. 5 mm).
- Påfør en eller to dråber klæbemiddel på forenden af GRIN-linsen med pipetten.
- Sænk oversættelsestrinnet i z-retningen, indtil der sikres kontakt med strålesplitterens antirefleksbelagte overflade. Fortsæt med at sænke GRIN-objektivet, indtil der er tilført tilstrækkeligt tryk, og fjedrene er under tilstrækkelig spænding.
BEMÆRK: Dette sikrer, at kontakten mellem GRIN-linsen og strålesplitteren opretholdes under justeringens vippeproces. Den nødvendige trykmængde afhænger af opsætningen og kan justeres under justering, hvis der ikke kan observeres nogen rimelig reflektionsfunktion. Erfaringen har vist, at mere pres normalt hjælper justeringsprocessen. - Tænd for den modulerede laser såvel som oscilloskopet. Sørg for, at oscilloskopet har den højest mulige opløsning
, når justeringsprocessen startes. Indstil tidsopløsningen, så to til tre perioder af modulationen er synlige. - Start justeringsprocessen ved at sikre, at GRIN-objektivet peger normalt på strålesplitterens overflade. Dette kan gøres ved visuel inspektion og dreje de goniometriske stadier i overensstemmelse hermed. Dette er nu nulpositionen.
- Trin for trin skal du afbøje det ene goniometriske trin lidt og derefter flytte det andet goniometriske trin rundt om nulpositionen.
- Hvis der ikke kan observeres nogen ændring på oscilloskopet, afbøjes det første goniometriske trin lidt mere, og denne iterative proces gentages, indtil den trekantede modulation bliver synlig på oscilloskopet.
- Hvis du observerer en hysterese af signalet efter bevægelser af stadierne, skal du kontrollere, om alle komponenter er fastgjort korrekt.
BEMÆRK: En stigning i trykket forårsaget af at flytte z-trinnet nedad kan også hjælpe. Hvis det observerede signal ikke er så stærkt som forventet, kan rygrefleksionen komme fra en af etalonens overflader eller en af de perifere toppe af reflektionsfunktionen. Som tommelfingerregel, med en 70% strålesplitter og et fuldt reflekterende spejl, er de observerede toprefleksioner i størrelsesordenen 25% af den optiske effekt, der indføres i etalonen.
- Når en stærk rygrefleksion er observeret, justeres oscilloskopets opløsning, og det sikres, at toppen af etalonens reflektionsfunktion sidder centralt på de trekantede modulationshældninger (figur 6). Indstil etalonens top ved at ændre laserens temperatur, indtil toppen er centreret på skråningen.
- Prøv at maksimere spidsstyrken (minimumsspænding), samtidig med at du maksimerer peak-to-peak-forholdet mellem den trekantede modulation ved små bevægelser af de goniometriske trin.
- Når justeringsprocessen er færdig, skal du montere UV-lampen tæt på GRIN-linsen. Brug et selvcentrerende objektivbeslag i en vinkel på 45°.
- Udfør hærdningen trinvist. Hærd først klæbemidlet, der allerede er påført i trin 7.4. Bliv ved med at overvåge reflektionsfunktionen på oscilloskopet. Hvis hærdningen fører til en nedbrydning af justeringen på grund af krympning af klæbemidlet, skal du justere de goniometriske trin lidt.
- Efter 5-10 minutter skal du slukke for UV-lampen og påføre mere klæbemiddel omkring GRIN-linsen uden at røre ved den. Udsæt klæbemidlet for UV-lys i yderligere 5-10 min. Gentag dette trin, indtil åbningen af cellen er fuldstændigt fyldt med et homogent lag klæbemiddel. Udfør den endelige kur i mere end 1 time.
- For at sikre en korrekt tilslutning af de limede komponenter skal du enten lade hele opsætningen hvile i 1 uge eller temperere klæbeforbindelsen ved 60 °C i 1 time, hvis det er muligt.
- Nu kan ferrule-muffen fjernes fra klemmen. Flyt derfor oversættelsestrinnet i en positiv z-retning, indtil fjedrene er helt afslappede. Undgå belastning af ferrule-GRIN-linsesystemet; Åbn klemmen, og fjern den. Nu er etalonen færdig og klar til videre brug.
, når justeringsprocessen startes. Indstil tidsopløsningen, så to til tre perioder af modulationen er synlige.
Figur 6: Eksemplarisk, generisk oscilloskopsignal. I grønt er en god justering afbildet, og i gul vises en værre. Jo bedre justeringen er, desto højere er peak-to-peak-forholdet mellem den trekantede modulation, og jo mere går reflektanstoppen (dalen) mod nul. Klik her for at se en større version af denne figur.
8. Etalon karakterisering
- Til evaluering af den producerede etalon skal du bruge den samme fiberoptiske opsætning som beskrevet i trin 5. Brug et målesystem, der er i stand til at temperaturindstille laseren trinvist og med en tilstrækkelig datalogningshastighed.
BEMÆRK: Et FPGA-baseret system bruges her (se materialetabel). - Beregn den teoretiske FSR. Afhængigt af den anvendte laser (se temperaturindstillingskoefficient) skal du udføre en temperaturfejning svarende til mindst to FSR'er. Forøg temperaturen trinvist (trin på ~ 0,005 ° C), og lad TEC bundfælde sig i 2-3 s, før du måler i yderligere 2-3 s hver gang.
- Behandl dataene med ethvert numerisk beregningsprogram. Brug ethvert signalbehandlingsbibliotek med en integreret peak finder. Afstanden mellem to efterfølgende toppe repræsenterer FSR. Beregn FWHM ved at evaluere bredden af toppen i dens halve højde.
BEMÆRK: Da beregningen af FSR og FWHM er stærkt afhængig af dataformatet, er der ikke angivet nogen kode her, men den kan stilles til rådighed af forfatteren efter anmodning. - Konverter temperaturen til bølgelængde ved hjælp af laserens temperaturindstillingskoefficient.
- Både FSR og FWHM beregnes ud fra målingerne (figur 7).
- Beregn finesse af den fremstillede FPE med følgende formel:
.
.Representative Results
Som det kan ses i figur 7, kan en FPE med en veldefineret reflektionsfunktion fremstilles.
Figur 7: Målt reflektansfunktion af den færdige FPE. En temperaturfejning, svarende til en bølgelængdefejning af laseren, blev udført for at måle FPE'ens reflektionsfunktion. Dette bruges til at evaluere målinger som fuld bredde ved halv maksimum (FWHM) og det frie spektralområde (FSR) for den fremstillede enhed. Relativ refleksion refererer til den relative andel af lys, der reflekteres tilbage i fiberen efter at have passeret FPE. Klik her for at se en større version af denne figur.
De målte målinger af FPE er angivet i tabel 1 og sammenlignet med de beregnede værdier for en ideel etalon med de samme specifikationer. Formlerne for en ideel FPE findes i introduktionsafsnittet.
| Målt | Ideel FPE | |
| Finesse | 12.8 | 17.1 |
| FWHM | 0,0268 nm | 0,0234 nm |
| FSR | 0,3441 nm | 0,4004 nm |
| Følsomhed | 14 1/nm | 21 1/nm |
Tabel 1: Sammenligning af de målte og beregnede målinger af det fremstillede FPE-etalon.
For at validere egnetheden til en udpeget applikation bruges FPE til PTI-målinger af vanddamp i den omgivende luft. Derfor ledes en excitationslaser med en bølgelængde på 1,364 nm ind i cellen vinkelret på sondelaseren. Begge lasere skærer hinanden inde i FPE. Excitationslaseren moduleres sinusformet med en frekvens på 125 Hz. Ved at stabilisere sondelaseren på FPE'ens stejleste hældning via konstant strøm opnås sensorens højeste følsomhed. Til vanddampmålinger betjenes cellen med åbne vinduer og udsættes for omgivende luft med en koncentration på 13.762 ppmV målt af en referenceenhed (temperatur = 21,4 °C, tryk = 979,9 hPa, relativ luftfugtighed = 52,2%). Signalet ekstraheres ved hjælp af en hurtig Fouriertransformation (FFT) og sammenlignes med baggrundssignalet med excitationslaseren slukket, som vist i figur 8. Der kan opnås et signal-støj-forhold på mere end 7.000, svarende til en detektionsgrænse på ca. 5 ppmV (3σ).
Figur 8: PTI-målinger af vanddamp i den omgivende luft. I sort vises FFT-signalet for en måling med 125 Hz laserexcitation. I blåt er baggrundssignalet uden excitation afbildet. Indsatsen viser den målte top ved 125 Hz mere detaljeret. Klik her for at se en større version af denne figur.
Supplerende kodningsfil 1: Measurement_cell. SLDPRT. CAD-fil til målecellen. Cellen kan tilpasses kravene til den specifikke applikation og efterfølgende 3D-printes. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 2: cap_etalon. SLDPRT. CAD-fil til fastgørelse af etalon inde i målecellen. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 3: cap_window. SLDPRT. CAD-fil til fastgørelse af laservinduerne på målecellen. Klik her for at downloade denne fil.
Discussion
Da FPE, der er fremstillet efter den her givne protokol, er optimeret til en bestemt applikation, forklares mulige tilpasninger og kritiske trin i dette kapitel. Først og fremmest er FPE og målecellen designet til PTI-målinger. Derfor tilsættes et gasindløb og udløb samt en kanal til excitationslaseren, som er vinkelret på sondelaseren, til cellen. Alle åbninger i cellen er enten gjort lufttætte via O-ringe og / eller dækket via UVFS-vinduer for at muliggøre laserudbredelse. Hvis cellen bruges anderledes, kan cellen, som angivet i supplerende kodningsfil 1, redesignes og tilpasses den specifikke applikation. Gevindskæringen i trin 1.4 udføres efter udskrivning. Trådene kunne også 3D-printes, men da disse har tendens til at slides hurtigt, udskrives kun huller med den passende kernehuldiameter, og disse gevind bagefter.
Materialevalget til afstandsstykkerne i trin 2.1 er afgørende. Afstandsstykkernes parallelitet bestemmer etalonspejlenes parallelitet og påvirker dermed finesse7. Et 1/2 tommer UVFS-præcisionsvindue, som angivet i materialetabellen, med en parallelitet på ≤5 buesekunder og en overfladefladhed på λ/10 over den klare blænde blev anvendt i denne undersøgelse. UVFS-koefficienten for termisk ekspansion er 0,55 x 10-6 / ° C. Temperaturstabiliteten kan øges yderligere ved at bruge for eksempel Zerodur 5-afstandsstykker med en termisk ekspansionskoefficient lavere end 0,1 x 10-6 / ° C; Dette har dog ulempen ved højere omkostninger.
FPE er dannet af et fuldt reflekterende spejl samt en beamsplitter. Strålesplitteren har en 70% reflekterende overflade samt en antireflekterende belagt bagside. Dette muliggør kobling af lyset ind og ud af etalonen. Derudover har beamsplitterens substrat en kilet side for at forhindre uønskede etaloneffekter. Bagsiden af spejlet er ru af samme grunde.
I trin 5.1 beskrives den optoelektroniske opsætning til sporing af justeringsprocessen. Alle de anvendte fibre er standard SMF-28-fibre med FC / APC-stik. På grund af den udpegede anvendelse af PTI var en afbalanceret fotodetektor let tilgængelig i denne undersøgelse, men dette er generelt ikke nødvendigt. En konventionel fotodetektor kan bruges i stedet; I dette tilfælde er brug af en 1 x 2 kobler forældet. Disse ændringer påvirker ikke de øvrige komponenter i opsætningen, som vist i figur 5. Sondelaserens trekantede strømmodulation som beskrevet i trin 5.4 svarer til en bølgelængdefejning. Der skal vælges et strømområde, der er tilstrækkeligt til at feje over mindst én reflektionstop af FPE. Derfor kan én FSR fungere som tommelfingerregel. Beregninger for FSR for en ideel FPE findes i introduktionsafsnittet. Sammen med laserens aktuelle indstillingskoefficient (nm/mA), der er angivet i den respektive manual, kan det aktuelle område, der dækker en FSR, beregnes. Som et eksempel havde laseren, der blev brugt i dette arbejde, en strømindstillingskoefficient på 0,003 nm / mA og udsendt ved en bølgelængde på 1.550 nm. Den forventede FSR for en ideel FPE med 3 mm spejlafstand, d, er ca. 0,4 nm. Dette giver et aktuelt indstillingsområde på 133 mA.
I dette arbejde blev modulationsfrekvensen indstillet til 100 Hz for bekvem visning ved oscilloskopet. Da det ønskede strømindstillingsområde er ret stort, kan en fastfiberdæmper bruges til at forblive inden for effektgrænserne for den anvendte detektor. Dæmperen kan monteres direkte efter isolatoren.
UV-hærdende klæbemiddel, der anvendes i trin 6 og trin 7, er gennemsigtigt for laserlys og har et brydningsindeks på 1,56. Justeringsprocessen, som beskrevet i trin 7.1, afhænger af den tilgængelige fotodetektor. Den balancerede detektor, der bruges i denne opsætning, genererer en negativ spænding "Signal" -udgang. Af generelle grunde antages en positiv spændingsudgang for beskrivelsen af trin 7.10 og i figur 6. For en veljusteret etalon vil reflektanstoppelsen gå mod nul, mens den trekantede funktion vil øge dens peak-to-peak-forhold.
Til etalonkarakteriseringen i trin 8.1 anvendes numerisk beregningssoftware (se materialetabel). Den målte spænding for hvert temperaturtrin beregnes og plottes som vist i figur 7. For at konvertere temperaturtrinnene til bølgelængdetrin anvendes sondelaserens temperaturindstillingskoefficient. Signalanalysebiblioteker har integrerede peak-finding algoritmer, som kan bruges til dette formål. Da dataanalysen stærkt afhænger af dataformatet, gives der ingen kode her, men den kan stilles til rådighed af den tilsvarende forfatter efter anmodning.
En mulig begrænsning af fremstillingsteknikken, der præsenteres her, er den termiske og mekaniske stabilitet i skiftende miljøer. Da omfanget af dette instruktionspapir er den billige prototypefremstilling af FPE'er til laboratorieapplikationer, gives der ingen test vedrørende mekanisk og temperaturstabilitet her. Hvis FPE bruges til mobile applikationer eller i skiftende miljøer, skal der træffes yderligere foranstaltninger for mekanisk at stabilisere fiber-GRIN-linsesystemet i forhold til etalonen.
En ny metode til fremstilling og karakterisering af en FPE demonstreres her med standard optiske komponenter, der er tilgængelige i hvert fotonisk laboratorium. Den præsenterede FPE har en finesse på ca. 15 og en følsomhed, der er tilstrækkelig til at detektere ca. 5 ppmV vanddamp. Udover den præsenterede applikation til PTI kunne denne FPE bruges i applikationer såsom bygning af optiske mikrofoner 20, som almindeligvis anvendes inden for ikke-destruktiv prøvning 23, brydningsindeksmålinger 24,25 eller hygrometre 26, for blot at nævne nogle få.
Disclosures
Der er ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Det arbejde, der præsenteres her, blev udført inden for rammerne af det FFG-finansierede projekt "Green Sensing" og NATO's SPS-program "Photonic Nano Particle Sensors for Detection CBRN events". Arbejdet blev også støttet af TU Graz Open Access Publishing Fund.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Auto-Balanced Photoreceiver Nirvana | New Focus, Inc. | 2017 | Balanced Photodetector |
| Benchtop laser diode/TEC controller, 1A/96 W | Thorlabs | ITC4001 | |
| Butterfly laser diode mount | Thorlabs | LM14S2 | |
| Clamping fork | Thorlabs | CF175 | |
| compactRIO | National Instruments | For data aquisition | |
| Dust remover | RS Components | 168-1644 | |
| FC/APC to FC/APC Single L-Bracket Mating Sleeve | Thorlabs | ADAFCB3 | Multiple needed |
| Fiber cleaning fluid | Thorlabs | RCS3 | |
| Fiber optic SM circulator | AFW technologies | CIR-3-15-L-1-2 | |
| Fiber optic SM coupler 1 x 2, 90/10 | AFW technologies | FOBC-1-15-10-L-1-S-2 | Only if balanced photodetector is used |
| Fiber optic SM isolator | AFW technologies | ISOD-15-L-1-2 | |
| Fiber optic storage reels | Thorlabs | FSR1 | Multiple needed |
| Fixed fiber optic attenuator | Thorlabs | FA15T-APC | Different attenuation levels used |
| GRIN/Ferrule Sleeve, 1.818 mm Internal Diameter, 10 mm Length, Borosilicate Glass | Thorlabs | 51-2800-1800 | Fiber-GRIN-lens system |
| GRIN Lens, Ø1.8 mm, 0.23 Pitch, 8°, 1560 nm Design Wavelength, AR Coated: 1250 - 1650 nm | Thorlabs | GRIN2315A | Fiber-GRIN-lens system |
| Handheld UV-LED lamp | RS Components | 220-6819 | Lamp for curing the adhesive |
| High precision stage and base | Newport | 9062-X-M | Three nedded |
| Hose conector | RS Components | M5 threaded | |
| Large Goniometer, 44.5 mm Distance to Point of Rotation, ±5°, Metric | Thorlabs | GNL18/M | Two needed |
| L-Bracket Mating Sleeve | Thorlabs | ADAFCB3 | |
| Magnetic button clamps | Thorlabs | BM075 | Multiple needed |
| Micrometer screw | Newport | 9355 | Three nedded |
| MIL-A-3920 Optical Adhesive with Resiliency, 1 oz. | Thorlabs | NOA61 | UV-curing adhesive |
| Mounting Base, 50 mm x 75 mm x 10 mm | Thorlabs | BA2/M | |
| O-Rings | Haberkorn | Sizes given in text | |
| Passive component fiber tray | Thorlabs | BFCT | Multiple needed |
| Pedestal base adapter | Thorlabs | BE1 | |
| Pigtailed Ferrule, Ø1.8 mm, 8°, FC/APC, AR Coated: 1310/1550 nm | Thorlabs | SMPF0115-APC | Fiber-GRIN-lens system |
| Post holder | Thorlabs | PH30/M | |
| Post-Mountable Ø2.5 mm Ferrule Clamp, M4 Tap | Thorlabs | FCM/M | |
| Python | Python | 3.9 | Numerical data analysis software |
| Right-angled-bracket | Newport | 9062-A-M | |
| Self-centering lens mount | Thorlabs | SCL03 | |
| Silberschnitt 3001 | Bohle | 3001 | Glas cutter set |
| SM1-threaded standard cage plate | Thorlabs | CP33/M | |
| UV-curing device | Formlabs | Form Cure | |
| 1550 nm 20 mW butterfly DFB laser diode | AeroDiode | 1550LD-5-0-0-2 | |
| 3D-printer | Formlabs | 3+ | |
| Ø1/2" UVFS Broadband Precision Window, Uncoated, t = 3 mm | Thorlabs | WG40530 | Spacers |
| Ø1/2" Broadband Dielectric Mirror, 1280 - 1600 nm | Thorlabs | BB05-E04 | Mirror |
| Ø1/2" 70:30 (R:T) UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 1.2 - 1.6 µm, t = 3 mm | Thorlabs | BST06 | Beamsplitter |
References
- Vaughan, M. The Fary-Pérot Interferometer. History, Theory, Practice, and Applications. , CRC Press. Boca. Raton, FL. (1989).
- Liu, M., Chao, X., Ye, Z. Transmitting intensity distribution after a Gaussian beam incidenting nonnormally on a wedged Fabry-Pérot cavity. Optik. 119 (14), 661-665 (2008).
- Ismail, N., Kores, C. C., Geskus, D., Pollnau, M. Fabry-Pérot resonator: Spectral line shapes, generic and related Airy distributions, linewidths, finesses, and performance at low or frequency-dependent reflectivity. Optics Express. 24 (15), 16366-16389 (2016).
- Eklund, E. J., Shkel, A. M. J. Factors affecting the performance of micromachined sensors based on Fabry-Perot interferometry. Journal of Micromechanics and Microengineering. 15 (9), 1770-1776 (2005).
- Rees, D., Fuller-Rowell, T. J., Lyons, A., Killeen, T. L., Hays, P. B. Stable and rugged etalon for the Dynamics Explorer Fabry-Pérot interferometer. 1: Design and construction. Applied Optics. 21 (21), 3896-3902 (1982).
- Killeen, T. L., Hays, P. B., Kennedy, B. C., Rees, D. Stable and rugged etalon for the Dynamics Explorer Fabry-Pérot interferometer. 2: Performance. Applied Optics. 21 (21), 3903-3912 (1982).
- Marques, D. M., Guggenheim, J. A., Munro, P. R. T. Analysing the impact of non-parallelism in Fabry-Pérot etalons through optical modelling. Optics Express. 29 (14), 21603-21614 (2021).
- Marques, D. M., et al. Modelling Fabry-Pérot etalons illuminated by focussed beams. Optics Express. 28 (5), 7691-7706 (2020).
- Islam, M. R., Ali, M. M., Lai, M. -H., Lim, K. -S., Ahmad, H. Chronology of Fabry-Perot interferometer fiber-optic sensors and their applications: A review. MDPI Sensors. 14 (4), 7451-7488 (2014).
- Preisser, S., et al. All-optical highly sensitive akinetic sensor for ultrasound detection and photoacoustic imaging. Biomedical Optics Express. 7 (10), 4171-4186 (2016).
- Chen, J., et al. Micro-fiber-optic acoustic sensor based on high-Q resonance effect using Fabry-Pérot etalon. Optics Express. 29 (11), 16447-16454 (2021).
- Bialkowski, S. E., Astrath, N. G. C., Proskurnin, M. A. Photothermal Spectroscopy Methods. , Wiley. Hoboken, NJ. (2019).
- Campillo, A. J., Petuchowski, S. J., Davis, C. C., Lin, H. -B.
- Breitegger, P., Lang, B., Bergmann, A. Intensity modulated photothermal measurements of NO2 with a compact fiber-coupled Fabry-Pérot interferometer. MDPI.Sensors. 19 (15), 1424 (2019).
- Waclawek, J. P., Kristament, C., Moser, H., Lendl, B. Balanced-detection interferometric cavity-assisted photothermal spectroscopy. Optics Express. 27 (9), 12183-12195 (2019).
- Pevec, S., Donlagic, D. Miniature all-fiber Fabry-Pérot sensor for simultaneous measurement of pressure and temperature. Applied Optics. 51 (19), 4536-4541 (2012).
- Dudzik, G., Krzempek, K., Abramski, K., Wysocki, G. Solid-state laser intra-cavity photothermal gas sensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 328, 129072 (2021).
- Chen, J., et al. Micro-fiber-optic acoustic sensor based on high-Q resonance effect using Fabry-Pérot etalon. Optics Express. 29 (11), 16447-16454 (2021).
- Hälg, B. A silicon pressure sensor with a low-cost contactless interferometric optical readout. Sensors and Actuators A: Physical. 30 (3), 225-230 (1992).
- Fischer, B.
- Waclawek, J. P., Bauer, V. C., Moser, H., Lendl, B. 2f-wavelength modulation Fabry-Pérot photothermal interferometry. Optics Express. 24 (25), 28958-28967 (2016).
- Chen, J., et al. Acoustic performance study of fiber-optic acoustic sensors based on Fabry-Pérot etalons with different Q factors. MDPI Micromachines. 13 (1), 118 (2022).
- Meyendorf, N., Ida, N., Singh, R., Vran, J. Handbook of Nondestructive Evaluation 4.0. , Springer. Cham, Switzerland. (2022).
- Kim, Y. J., Celliers, P. M., Eggert, J. H., Lazicki, A., Millot, M. Interferometric measurements of refractive index and dispersion at high pressure. Scientific Reports. 11, 5610 (2021).
- Stollberger, W. F. Single particle photothermal interferometry. Technical University Graz. , Master's thesis (2022).
- Radeschnig, U., Bergmann, A., Lang, B.
