Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

कम लागत, फाइबर-युग्मित, और एयर-स्पेस्ड फैब्री-पेरोट एटालोन का निर्माण

Published: February 3, 2023 doi: 10.3791/65174
Automatic Translation
1, 1, 1
1Institute of Electrical Measurement and Sensor Systems, Technical University of Graz

Summary

यह प्रोटोकॉल विभिन्न अनुप्रयोगों के साथ कम लागत, असतत, फाइबर-युग्मित और एयर-स्पेस्ड फैब्री-पेरोट एटालोन के निर्माण का वर्णन करता है, जैसे कि ट्रेस-गैस स्पेक्ट्रोस्कोपी में। मानक ऑप्टिकल प्रयोगशाला उपकरण उपलब्ध होने के साथ किसी भी सुविधा में निर्माण संभव है।

Abstract

फैब्री-पेरोट एटालोन्स (एफपीई) ने कई अनुप्रयोगों में अपना रास्ता खोज लिया है। स्पेक्ट्रोस्कोपी, दूरसंचार और खगोल विज्ञान जैसे क्षेत्रों में, एफपीई का उपयोग उनकी उच्च संवेदनशीलता के साथ-साथ उनकी असाधारण फ़िल्टरिंग क्षमता के लिए किया जाता है। हालांकि, उच्च चालाकी वाले एयर-स्पेसेड एटालोन आमतौर पर विशेष सुविधाओं द्वारा बनाए जाते हैं। उनके उत्पादन के लिए एक साफ कमरे, विशेष ग्लास हैंडलिंग और कोटिंग मशीनरी की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एफपीई को उच्च कीमत पर बेचा जाता है। इस लेख में, मानक फोटोनिक प्रयोगशाला उपकरणों के साथ फाइबर-युग्मित एफपीई बनाने के लिए एक नई और लागत प्रभावी विधि प्रस्तुत की गई है। प्रोटोकॉल को इन एफपीई के निर्माण और लक्षण वर्णन के लिए चरण-दर-चरण मार्गदर्शिका के रूप में काम करना चाहिए। हमें उम्मीद है कि यह शोधकर्ताओं को आवेदन के विभिन्न क्षेत्रों के लिए एफपीई के तेज और लागत प्रभावी प्रोटोटाइप का संचालन करने में सक्षम करेगा। एफपीई, जैसा कि यहां प्रस्तुत किया गया है, स्पेक्ट्रोस्कोपिक अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है। जैसा कि परिवेशी हवा में जल वाष्प के सिद्धांत माप के प्रमाण के माध्यम से प्रतिनिधि परिणाम अनुभाग में दिखाया गया है, इस एफपीई में 15 की चालाकी है, जो गैसों की ट्रेस सांद्रता के फोटोथर्मल डिटेक्शन के लिए पर्याप्त है।

Introduction

अपने सबसे बुनियादी रूप में, एक एफपीई में दो विमान-समानांतर आंशिक रूप से प्रतिबिंबित दर्पणसतह होते हैं। निम्नलिखित स्पष्टीकरणों में, दर्पण का उल्लेख करते समय, ऑप्टिकल सब्सट्रेट और चिंतनशील कोटिंग को एक के रूप में संबोधित किया जाता है। अधिकांश अनुप्रयोगों में, उपयोग किए गए दर्पणों में अवांछित एटालोनप्रभावों को रोकने के लिए एक वेज्ड सतह 2 की सुविधा होती है। चित्रा 1 एक एयर-स्पेस्ड एटालोन (चित्रा 1 ए) के हस्तक्षेप पैटर्न के गठन को दर्शाता है, साथ ही साथ विभिन्न दर्पण परावर्तन (चित्रा 1 बी) के लिए परावर्तन फ़ंक्शन को दर्शाता है।

प्रकाश एक दर्पण के माध्यम से गुहा में प्रवेश करता है, कई प्रतिबिंबों से गुजरता है, और प्रतिबिंब के साथ-साथ संचरण द्वारा गुहा को छोड़ देता है। जैसा कि यह लेख प्रतिबिंब में संचालित एफपीई के निर्माण पर केंद्रित है, आगे के स्पष्टीकरण विशेष रूप से प्रतिबिंब को संदर्भित करते हैं। गुहा छोड़ने वाली तरंगें हस्तक्षेप करती हैं, चरण अंतर के आधार पर, q = 4nd/ यहां, एन गुहा के अंदर अपवर्तक सूचकांक है, डी दर्पण रिक्ति है, और ए इंटरफेरोमीटर के प्रकाश स्रोत की तरंग दैर्ध्य है, जिसे यहां प्रोब लेजर कहा जाता है। एक न्यूनतम परावर्तनीयता तब होती है जब ऑप्टिकल पथ अंतर तरंग दैर्ध्य Equation 2के पूर्णांक गुणक से मेल खाता है। एक आदर्श समतल-समानांतर एटालोन की चालाकी दर्पण प्रतिबिंब R1 और R2 केवल3 द्वारा निर्धारित की जाती है:

Equation 3

हालांकि, एक वास्तविक एटालोन कई नुकसानों के अधीन है, जो सैद्धांतिक रूप से प्राप्त करने योग्य चालाकी 4,5,6 को नीचा दिखाता है। दर्पण समांतरता7 का विचलन, लेजर बीम की गैर-सामान्य घटनाएं, बीम आकार8, दर्पण सतह अशुद्धियां, और प्रकीर्णन, दूसरों के बीच, चालाकी में कमी का कारण बनता है। विशिष्ट हस्तक्षेप पैटर्न को ऐरी फ़ंक्शन1 द्वारा वर्णित किया जा सकता है:

Equation 4

आधा अधिकतम (एफडब्ल्यूएचएम) पर पूर्ण चौड़ाई, साथ ही परावर्तनीयता फ़ंक्शन की मुक्त वर्णक्रमीय सीमा (एफएसआर) की गणना निम्नानुसार की जा सकती है:

Equation 5

Equation 6

Figure 1
चित्र 1: फैब्री-पेरोट इंटरफेरोमीटर सिद्धांत। (ए) वेज्ड खिड़कियों के साथ एक एयर-स्पेसेड एटालोन के लिए मल्टी-बीम हस्तक्षेप का एक योजनाबद्ध चित्रण। एक विमान तरंग, ई0, एक निश्चित कोण के तहत गुहा में प्रवेश करती है, φ, एक एंटी-रिफ्लेक्शन (एआर) -लेपित सतह के माध्यम से और बाद में एक दूरी पर स्थित अत्यधिक प्रतिबिंबित (उच्च आर) सतहों के बीच कई प्रतिबिंबों से गुजरती है। प्रत्येक प्रतिबिंब के साथ, प्रकाश का हिस्सा या तो संचरण या प्रतिबिंब में एटालोन से बाहर हो जाता है, जहां यह अन्य तरंगों के साथ हस्तक्षेप करता है। (बी) विभिन्न दर्पण परावर्तन (वाई-अक्ष) के लिए एक आदर्श फैब्री-पेरोट एटालोन का परावर्तन कार्य। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

एफपीई 9,10,11 अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में पाया जा सकता है। यहां प्रस्तुत मामले में, एफपीई का उपयोग फोटोथर्मल इंटरफेरोमेट्री (पीटीआई) सेटअप में किया जाता है। पीटीआई में, छोटे घनत्व और इसलिए, अपवर्तक सूचकांक परिवर्तन, आवधिक उत्तेजना से प्रेरित होते हैं, जिसके बाद दूसरे लेजर के माध्यम से लक्ष्य गैस का तेजी से थर्मलाइजेशन होता है, को इंटरफेरोमेट्रिक रूप से12 मापा जाता है। गर्मी की मात्रा और, इस प्रकार, अपवर्तक सूचकांक परिवर्तन का परिमाण गैस एकाग्रता के आनुपातिक है। एफपीई के परावर्तनीयता समारोह की तीव्रता को उसके सबसे तेज बिंदु (ऑपरेशन बिंदु) पर मापते समय, ये अपवर्तक सूचकांक परिवर्तन परावर्तन फ़ंक्शन को बदलते हैं, जिससे मापा तीव्रता बदल जाती है। चूंकि परावर्तनीयता फ़ंक्शन को ऑपरेशन बिंदु के आसपास के क्षेत्र में रैखिक माना जा सकता है, मापा संकेत तब गैस एकाग्रता के आनुपातिक होता है। सेंसर की संवेदनशीलता परावर्तनीयता समारोह के ढलान से निर्धारित होती है और इसलिए, चालाकी के आनुपातिक होती है। पीटीआई, एफपीई के साथ मिलकर, गैसों और एरोसोल 13,14,15,16,17,18 की ट्रेस मात्रा का पता लगाने के लिए एक संवेदनशील और चयनात्मक तरीका साबित हुआ है। अतीत में, दबाव और ध्वनिक माप के लिए कई सेंसर एफपीई19 के दूसरे दर्पण को प्रतिस्थापित करते हुए, झिल्ली जैसे चलने योग्य भागों के उपयोग पर निर्भर थे। झिल्ली के विक्षेपण से दर्पण की दूरी में परिवर्तन होता है और इस प्रकार, ऑप्टिकल पथ की लंबाई होती है। इन उपकरणों में यांत्रिक कंपन से ग्रस्त होने का नुकसान होता है। हाल के वर्षों में, ठोस एफपीई का उपयोग करके ऑप्टिकल माइक्रोफोन का विकास वाणिज्यिक स्तर20 तक पहुंच गया है। चलने योग्य भागों के उपयोग से परहेज करके, मेसुरैंड फाब्री-पेरोट गुहा के अंदर दूरी से अपवर्तक सूचकांक में बदल गया, इस प्रकार सेंसर की कठोरता में काफी वृद्धि हुई।

व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एयर-स्पेस्ड एफपीई की लागत प्रोटोटाइप और परीक्षण के साथ-साथ उच्च मात्रा वाले उत्पादन उपकरण एकीकरण के लिए स्वीकार्य से परे है। ऐसे एफपीई का निर्माण और उपयोग करने वाले अधिकांश वैज्ञानिक प्रकाशन केवलन्यूनतम 21,22 के निर्माण के विषय पर चर्चा करते हैं। ज्यादातर मामलों में, विशिष्ट उपकरण और मशीनें (जैसे, साफ कमरे, कोटिंग सुविधाएं, आदि) आवश्यक हैं; उदाहरण के लिए, पूरी तरह से फाइबर-एकीकृत एफपीई के लिए, विशेष माइक्रोमशीनिंग उपकरण आवश्यक है। विनिर्माण लागत को कम करने और पीटीआई सेटअप के लिए उनकी उपयुक्तता बढ़ाने के लिए कई अलग-अलग एफपीई कॉन्फ़िगरेशन के परीक्षण को सक्षम करने के लिए, एक नई निर्माण विधि विकसित की गई थी, जिसे निम्नलिखित प्रोटोकॉल में विस्तार से वर्णित किया गया है। केवल व्यावसायिक रूप से उपलब्ध, मानक थोक ऑप्टिक और दूरसंचार फाइबर ऑप्टिक घटकों का उपयोग करके, विनिर्माण लागत € 400 यूरो से कम हो सकती है। मानक फोटोनिक उपकरण के साथ काम करने वाली प्रत्येक सुविधा को हमारी निर्माण योजना को पुन: पेश करने और इसे अपने अनुप्रयोगों के अनुकूल बनाने में सक्षम होना चाहिए।

Protocol

1. माप सेल का त्रि-आयामी मुद्रण

  1. पूरक कोडिंग फ़ाइल 1 में दिए गए माप कक्ष को अपने आवेदन के लिए अनुकूलित करें। थोक ऑप्टिक सामग्री को बढ़ाने के लिए पूरक कोडिंग फाइल 1-3 में दिए गए सेल के साथ-साथ कैप्स को त्रि-आयामी-प्रिंट करें।
    नोट: वर्तमान अध्ययन के लिए एक एसएलए 3 डी प्रिंटर का उपयोग किया गया था ( सामग्री की तालिका देखें)।
  2. प्रिंट जॉब जनरेट करते समय, गुहाओं और उद्घाटन के अंदर समर्थन संरचनाओं की संख्या को कम करना सुनिश्चित करें। अवशिष्ट राल व्यास को कम कर सकता है, और थोक प्रकाशिकी फंस सकती है।
  3. मुद्रण के बाद, आइसोप्रोपिल अल्कोहल के साथ सेल को साफ करें, और तार कटर और सैंडपेपर के साथ सभी समर्थन संरचनाओं को हटा दें।
  4. मुद्रण के ठीक बाद और इलाज से पहले उपयुक्त छेद ों को पिरोएं।
    1. नली कनेक्टर को माउंट करने के लिए गैस इनलेट और आउटलेट को एम 5 के रूप में पिरोएं।
    2. सेल के पोस्ट-माउंटिंग के लिए नीचे के केंद्रीय छेद को एम 4 के रूप में पिरोएं।
    3. पिंजरे की प्रणाली में सेल को ठीक करने की अनुमति देने के लिए छोटे थ्रू-होल को एम 3 के रूप में पिंजरे की रॉड में लंबवत रूप से पिरोएं (चित्रा 2)।
  5. व्यावसायिक रूप से उपलब्ध यूवी-इलाज उपकरण का उपयोग करके कम से कम 40 मिनट के लिए सेल (405 एनएम) और कैप्स को 60 डिग्री सेल्सियस पर ठीक करें ( सामग्री की तालिका देखें)।

Figure 2
चित्रा 2: माप सेल का लेबल सीएडी मॉडल रेंडरिंग। अधिक स्पष्टता के लिए यहां एक अनुभागीय दृश्य प्रदान किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

2. स्पेसर्स तैयार करना

  1. एक यूवी-फ्यूज्ड सिलिका (यूवीएफएस) सटीक खिड़की से दो स्पेसर काटें। सटीक खिड़की से लगभग 3 मिमी चौड़ाई के दो टुकड़े काट लें, जैसा कि चित्र 3 बी में दिखाया गया है।
    नोट: स्पेसर्स को पारंपरिक कम लागत वाले ग्लास कटर का उपयोग करके काटा जा सकता है ( सामग्री की तालिका देखें)।
    सावधानी: थोक प्रकाशिकी को काटते और संभालते समय दस्ताने और सुरक्षात्मक चश्मा पहनें।
  2. कटर टूल के साथ सटीक खिड़की पर एक सीधी रेखा लिखें, और फिर प्लियर्स का उपयोग करके ग्लास को तोड़ दें। हमेशा सपाट सतहों के साथ प्लियर्स का उपयोग करें, और कांच की सतह को नुकसान को रोकने के लिए धातु और कांच के बीच लेंस-सफाई ऊतकों (या समान) को रखें।
  3. अवशिष्ट ग्लास मलबे को हटाने के लिए डस्टर स्प्रे के साथ स्पेसर को साफ करें।
    नोट: इसके अतिरिक्त, स्पेसर्स को लेंस-सफाई तरल पदार्थ के साथ-साथ लेंस-सफाई ऊतकों के साथ दबाव लागू किए बिना सावधानीपूर्वक पोंछा जा सकता है।

3. एटालोन की सभा

  1. 3 डी-मुद्रित सेल (चरण 1) को टेबल पर रखें जिसमें एटालोन गड्ढा ऊपर की ओर है।
  2. एटालोन गड्ढे में एक ओ-रिंग (10 मिमी x 1 मिमी, सामग्री की तालिका देखें) डालें, और इसे निर्दिष्ट नाली में थोड़ा दबाएं।
  3. बीमप्लिटर को प्रतिबिंबित सतह के साथ एटालोन गड्ढे में और ओ-रिंग पर ऊपर की ओर रखें।
  4. सावधानी से दो स्पेसर को एक चिमटी का उपयोग करके बीमप्लिटर पर रखें। उन्हें इस तरह से रखें जो गैस और उत्तेजना लेजर के लिए एक स्पष्ट एपर्चर उत्पन्न करता है, जो सेल के एक तरफ से दूसरी तरफ चलने वाले थ्रू-होल के माध्यम से वायु गुहा में प्रवेश करता है (चित्रा 2, संख्या 3)।
    नोट: स्पेसर्स को बीच में एक एयर कैविटी प्राप्त करने के लिए प्रत्येक तरफ रखा जाना चाहिए, जैसा कि चित्रा 3 बी में दिखाया गया है। समानांतर सतहों को खरोंचने से बचने के लिए केवल साइड सतहों पर स्पेसर्स को पकड़ें।
  5. जब स्पेसर्स जगह में होते हैं, तो दर्पण को उनके ऊपर संरेखित करें, जिसमें प्रतिबिंबित पक्ष नीचे की ओर हो। बीमस्प्लिटर, स्पेसर और दर्पण को अब संकेंद्रित रूप से संरेखित किया जाना है।
  6. 3 डी-मुद्रित एटालोन टोपी लें, और दोनों ओ-रिंग्स (10 मिमी x 1 मिमी और 14 मिमी x 2 मिमी) को निर्दिष्ट खांचे में डालें।
  7. टोपी को सेल के आयताकार नाली में संरेखित करें, और इसे दर्पण के शीर्ष पर रखें।
    1. जगह में स्पेसर्स को ठीक करने के लिए कैप पर दबाव लागू करें। हमेशा टोपी पर दबाव डालते हुए सेल को उठाएं, और पीछे की तरफ से निर्दिष्ट छेद के माध्यम से चार एम 4 स्क्रू डालें।
    2. उन्हें सामने की तरफ चार एम 4 नट्स के साथ माउंट करें, और उन्हें तब तक कसें जब तक कि टोपी से दबाव स्पेसर्स को पकड़ने के लिए पर्याप्त न हो और ओ-रिंग्स पर्याप्त संपीड़ित हों।
    3. जांचें कि क्या स्पेसर्स अभी भी जगह पर हैं; यदि हां, तो एटालोन अब आगे के उपयोग के लिए तैयार है।
  8. सेल को गैसटाइट बनाने के लिए माप सेल के किनारे लेजर खिड़कियों को माउंट करने के लिए दो अतिरिक्त 3 डी-मुद्रित कैप्स का उपयोग करें। इसलिए, सेल पर नामित नाली में एक ओ-रिंग (10 मिमी x 1 मिमी) और टोपी पर एक और (10 मिमी x 1 मिमी) रखें। खिड़की को नाली में रखें, और चार एम 3 स्क्रू और नट्स के साथ खिड़की की टोपी को ठीक करें, जैसा कि चित्र 2, संख्या 2 में दिखाया गया है)।

Figure 3
चित्र 3: माप सेल और एफपीई का प्रतिपादन। (ए) 3 डी-मुद्रित सेल की असेंबली प्रक्रिया के साथ-साथ संबंधित माउंटिंग कैप के साथ एफपीई का प्रतिपादन। (बी) बल्क ऑप्टिक घटकों को सही क्रम में प्रस्तुत करना। स्पेसर्स दो दर्पण सतहों के बीच एक एयर-स्पेसेड कैविटी बनाते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

4. फाइबर-संरेखण मंच की असेंबली

  1. सामग्री तालिका में सूचीबद्ध चरणों और एडाप्टर प्लेटों को इकट्ठा करें। निर्माण के दौरान अभिविन्यास के रूप में चित्रा 4 का उपयोग करें।
  2. एक्स-दिशा में ऑप्टिकल ब्रेडबोर्ड पर पहला एकल-अक्ष गोनियोमेट्रिक चरण माउंट करें।
    नोट: एक्सिस नामकरण मनमाने ढंग से चुना गया था। ऑप्टिकल ब्रेडबोर्ड विमान को एक्स-वाई विमान के रूप में परिभाषित किया गया है, जिसमें ऊर्ध्वाधर दिशा एक सकारात्मक जेड-दिशा में ब्रेडबोर्ड से बाहर है।
  3. उपयोग किए गए चरणों के आधार पर, यदि आवश्यक हो, तो गोनियोमेट्रिक चरण के शीर्ष पर एक एडाप्टर प्लेट माउंट करें।
    1. एडाप्टर प्लेट के शीर्ष पर केंद्रीय दो-अक्ष एक्स-वाई माइक्रोमीटर अनुवाद चरण माउंट करें।
    2. वाई-दिशा में मुख करके अनुवाद चरण पर एक समकोण ब्रैकेट माउंट करें।
    3. z-दिशा में दाएं कोण वाले ब्रैकेट पर एक एकल-अक्ष अनुवाद चरण माउंट करें।
  4. अतिरिक्त एडाप्टर प्लेटों का उपयोग करके, अनुवाद चरण पर जेड-दिशा में दूसरे गोनियोमेट्रिक चरण को माउंट करें।
  5. एक पोस्ट के शीर्ष पर एक फाइबर फेरूल क्लैंप संलग्न करें। पोस्ट की लंबाई चुनें ताकि फाइबर फेरूल दूसरे ऊर्ध्वाधर गोनियोमेट्रिक चरण के रोटेशन के बिंदु पर हो। मंच के मैनुअल में दूरी दी गई है।
  6. फाइबर फेरूल का बाहरी व्यास 2.8 मिमी है। यदि इस व्यास के लिए कोई क्लैंप उपलब्ध नहीं है, तो 2.5 मिमी क्लैंप का उपयोग करें, और इसे ड्रिल के साथ चौड़ा करें।
  7. चरण 4.2 से पहले क्षैतिज गोनियोमेट्रिक चरण के घूर्णन बिंदु के अनुरूप जेड-स्थिति में दूसरे ऊर्ध्वाधर गोनियोमेट्रिक चरण पर फेरूल क्लैंप के साथ पोस्ट को माउंट करें।
    1. सुनिश्चित करें कि फेरूल आस्तीन और ग्रिन लेंस नकारात्मक जेड-दिशा में कुछ मिलीमीटर तक फेरूल क्लैंप से बाहर चिपके रहें।
    2. पोस्ट की ऊर्ध्वाधर स्थिति चुनें ताकि ग्रिन लेंस की नोक गोनियोमेट्रिक चरण के घूर्णन बिंदु पर हो।
  8. एटालोन को माउंट करने के लिए, एक पोस्ट लें, उस पर एक दाएं कोण वाले ब्रैकेट को माउंट करें, और उस पर एक मानक एसएम 1 थ्रेडेडेड 30 मिमी पिंजरे प्लेट संलग्न करें। सकारात्मक जेड-दिशा में मुख वाली प्लेट पर चार पिंजरे की छड़ें (>40 मिमी) माउंट करें।
  9. पिंजरे की छड़ के व्यास से थोड़ा बड़ा आंतरिक व्यास के साथ चार धातु स्प्रिंग्स लें, और प्रत्येक पिंजरे की छड़ पर एक रखें। बीमस्प्लिटर साइड के साथ रॉड पर एकीकृत एफपीई के साथ माप सेल को स्लाइड करें जब तक कि यह स्प्रिंग्स पर टिका न हो।
    नोट: सुनिश्चित करें कि सेल जेड-दिशा में स्वतंत्र रूप से आगे बढ़ सकता है। यदि घर्षण बहुत अधिक है, तो पिंजरे की छड़ के लिए सेल के माध्यम से छेद का अतिरिक्त चौड़ाकरण आवश्यक है। यह एक गोल फ़ाइल के साथ सबसे अच्छा किया जाता है।
  10. फाइबर संरेखण मंच के ठीक नीचे, एक पोस्ट धारक, एक बेस प्लेट और एक क्लैंपिंग फोर्क के माध्यम से पोस्ट को माउंट करें। सुनिश्चित करें कि सेल का उद्घाटन, बीमस्प्लिटर को उजागर करना, फेरूल धारक (चरण 4.5) के नीचे लगभग 10 मिमी केंद्रित है।

Figure 4
चित्रा 4: यूवी-इलाज प्रक्रिया के दौरान ग्रिन लेंस-युग्मित एफपीई के साथ संरेखण मंच की तस्वीर। ग्रे में लिखे गए घटक पीटीआई माप के लिए हैं और संरेखण प्रक्रिया के लिए आवश्यक नहीं हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

5. ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक सेटअप

  1. सामग्री की तालिका में सूचीबद्ध ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक घटकों को इकट्ठा करें, और उन्हें चित्र 5 में योजनाबद्ध रूप से व्यवस्थित करें।
  2. संबंधित घटक ट्रे का उपयोग करके ऑप्टिकल ब्रेडबोर्ड पर फाइबर ऑप्टिकल घटकों को माउंट करें।
  3. लेजर डायोड माउंट पर लेजर माउंट करें। एक एकीकृत मॉड्यूलेशन फ़ंक्शन (त्रिकोणीय मॉड्यूलेशन) के साथ लेजर स्रोत को लेजर ड्राइवर और टीईसी (थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर) नियंत्रक से कनेक्ट करें; अन्यथा, एक अतिरिक्त फ़ंक्शन जनरेटर आवश्यक है।
  4. त्रिकोणीय वर्तमान मॉड्यूलेशन आयाम को इस तरह से सेट करें कि एक तरंग दैर्ध्य सीमा को कवर किया जाता है जो एटालोन के अपेक्षित एफडब्ल्यूएचएम से ऊपर है (गणना चर्चा अनुभाग में पाई जा सकती है)। मॉड्यूलेशन आवृत्ति को लगभग 100 हर्ट्ज पर सेट करें।
  5. एल-ब्रैकेट संभोग आस्तीन का उपयोग करके लेजर के ऑप्टिकल आउटपुट को आइसोलेटर इनपुट से कनेक्ट करें।
  6. आइसोलेटर के बाद 15 डीबी फाइबर-ऑप्टिक एटेन्यूएटर माउंट करें, और इसे 1 x 2 कपलर के इनपुट पोर्ट से कनेक्ट करें।
  7. ऑप्टिकल सर्कुलेटर के पोर्ट 1 के लिए 90% ऑप्टिकल पावर के साथ कपलर के आउटपुट पोर्ट को कनेक्ट करें।
  8. संतुलित डिटेक्टर के संदर्भ फोटोडायोड के लिए 10% ऑप्टिकल शक्ति के साथ कपलर के आउटपुट पोर्ट को कनेक्ट करें।
  9. परिसंचरण के पोर्ट 2 को पिगटेल्ड फेरूल-ग्रिन लेंस सिस्टम से कनेक्ट करें।
  10. पोर्ट 3 को डिटेक्टर के सिग्नल फोटोडायोड से कनेक्ट करें।
  11. संतुलित डिटेक्टर को "ऑटो-बैलेंस्ड" मोड में सेट करें। डिटेक्टर के विद्युत "सिग्नल" आउटपुट को बीएनसी केबल के साथ ऑसिलोस्कोप के एक चैनल से कनेक्ट करें।

Figure 5
चित्रा 5: संरेखण प्रक्रिया के लिए ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सेटअप का योजनाबद्ध। लाल रेखाएं ऑप्टिकल फाइबर का प्रतिनिधित्व करती हैं, काली रेखाएं इलेक्ट्रॉनिक केबल हैं, और नीली बीम जांच लेजर है। यहां एक संतुलित डिटेक्टर का उपयोग किया जाता है, लेकिन इसे पारंपरिक फोटोडिटेक्टर द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है। इसलिए, 1 x 2 युग्मक को छोड़ा जा सकता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

6. फाइबर-ग्रिन लेंस संरेखण

  1. एक पोस्ट पर फेरूल क्लैंप को माउंट करें, और इसे एक ऑप्टिकल ब्रेडबोर्ड पर पोस्ट होल्डर के माध्यम से ठीक करें।
  2. फाइबर फेरूल आस्तीन को एक फेरूल क्लैंप में ठीक करें। जैसा कि चरण 4.6 में उल्लेख किया गया है, यदि आवश्यक हो तो ड्रिल के साथ फेरूल क्लैंप को चौड़ा करें।
  3. यूवी-इलाज चिपकने वाला के साथ एक पिपेट भरें ( सामग्री की तालिका देखें)।
    सावधानी: थोक प्रकाशिकी के साथ-साथ यूवी-इलाज चिपकने वाला को संभालते समय दस्ताने और चश्मा पहनें।
  4. पिगटेल्ड फाइबर फेरूल लें, और फेरूल की साइड सतह पर चिपकने वाले की एक बूंद जोड़ें। फेरूल की सामने की सतह को साफ रखें।
  5. फेरूल आस्तीन में फेरूल डालें। फर्रूल को पर्याप्त गहराई में डालना सुनिश्चित करें ताकि ग्रिन लेंस का सामने का सिरा फेरूल आस्तीन के बाहर कम से कम 1-2 मिमी हो।
  6. यूवी लैंप (~ 10 एस) के साथ एक बहुत ही त्वरित पूर्व-इलाज लागू करें। फेरूल के सामने के छोर पर किसी भी चिपकने वाले को सख्त किए बिना फेरूल को आस्तीन तक ठीक करने के लिए केवल पीछे की तरफ (फेरूल के फाइबर छोर) से प्रकाश को चमकाएं।
  7. ग्रिन लेंस लें, और वेज्ड साइड ढूंढें। यह माइक्रोस्कोप के साथ या बस इसे घुमाकर किया जा सकता है। इस प्रकार, 8 ° वेज्ड साइड दिखाई देता है।
  8. ग्रिन लेंस के वेज्ड छोर पर एक ड्रॉप चिपकने वाला लागू करें, और इसे फेरूल आस्तीन में डालें।
    नोट: मामूली दबाव लागू करके, हवा फेरूल और ग्रिन लेंस के बीच गुहा छोड़ देती है। दो सतहों के बीच कोई हवा के बुलबुले संलग्न नहीं हो सकते हैं। यदि हैं, तो मामूली मोड़ मदद कर सकता है; अन्यथा, GRIN लेंस को हटा दें, और चरण 6.8 दोहराएं।
  9. ग्रिन लेंस को सावधानी से घुमाएं जब तक कि दो कोण वाली सतह समानांतर न हो जाएं।
  10. ग्रिन लेंस के सामने लगभग 150 मिमी बीम विश्लेषक माउंट करें। यदि कोई बीम विश्लेषक उपलब्ध नहीं है, तो सामने पिनहोल के साथ एक पावर मीटर का उपयोग किया जा सकता है।
  11. पिगटेल्ड फेरूल को उचित तरंग दैर्ध्य के साथ लेजर से कनेक्ट करें। लेजर चालू करें।
    सावधानी: लेजर सुरक्षा सावधानियां बरतनी होंगी।
  12. चिमटी का उपयोग करके, फेरूल और ग्रिन लेंस के बीच की दूरी को बदलने के लिए ग्रिन लेंस को फेरूल आस्तीन से थोड़ा बाहर ले जाएं। यह दूरी सिस्टम की फोकल लंबाई निर्धारित करने के लिए महत्वपूर्ण है। GRIN लेंस को स्थानांतरित करते समय, बीम आकार (या ऑप्टिकल पावर) की लगातार निगरानी करें।
    नोट: एक छोटा पूर्व-इलाज (~ 10 एस) मदद कर सकता है यदि संरेखण प्रक्रिया बहुत अस्थिर है।
  13. जब सिस्टम वांछित इष्टतम पर केंद्रित होता है, तो इसे लगभग 10 मिनट के लिए यूवी प्रकाश में उजागर करके अंतिम इलाज लागू करें।
  14. ठीक होने के बाद, क्लैंप से फेरुल आस्तीन को हटा दें; इस बिंदु पर, यह आगे के उपयोग के लिए तैयार है।

7. फाइबर-एटालोन संरेखण

  1. चरण 5 से पिगटेल्ड फेरूल और ग्रिन लेंस सिस्टम लें, और इसे चरण 4.5 से फेरूल क्लैंप के साथ माउंट करें।
  2. सुनिश्चित करें कि जेड-दिशा में अनुवाद चरण को इसकी अधिकतम ऊंचाई पर ले जाया जाता है और अन्य सभी चरण तटस्थ (केंद्रित) स्थितियों में हैं।
  3. इसके नीचे सेल को संरेखित करें। सुनिश्चित करें कि GRIN लेंस सीधे उद्घाटन के केंद्र में इंगित करता है। ग्रिन लेंस (लगभग 5 मिमी) से थोड़ा नीचे ऊंचाई पर सेल की स्थिति को ठीक करें।
  4. पिपेट के साथ ग्रिन लेंस के सामने के छोर पर चिपकने वाले की एक या दो बूंदें लागू करें।
  5. जब तक बीमस्प्लिटर की एंटी-रिफ्लेक्शन-लेपित सतह के साथ संपर्क सुनिश्चित नहीं हो जाता है, तब तक जेड-दिशा में अनुवाद चरण को नीचे रखें। GRIN लेंस को तब तक कम करना जारी रखें जब तक कि पर्याप्त दबाव लागू न हो और स्प्रिंग्स पर्याप्त तनाव में न हों।
    नोट: यह सुनिश्चित करता है कि संरेखण की झुकाव प्रक्रिया के दौरान ग्रिन लेंस और बीमप्लिटर के बीच संपर्क बनाए रखा जाता है। आवश्यक दबाव की मात्रा सेटअप पर निर्भर करती है और संरेखण के दौरान समायोजित की जा सकती है यदि कोई उचित परावर्तनीयता फ़ंक्शन नहीं देखा जा सकता है। अनुभव से पता चला है कि अधिक दबाव आमतौर पर संरेखण प्रक्रिया में मदद करता है।
  6. मॉड्यूलेटेड लेजर के साथ-साथ ऑसिलोस्कोप को चालू करें। संरेखण प्रक्रिया शुरू करते समय सुनिश्चित करें कि ऑसिलोस्कोप का उच्चतम संभव रिज़ॉल्यूशन Equation 7है। समय रिज़ॉल्यूशन सेट करें ताकि मॉड्यूलेशन की दो से तीन अवधियां दिखाई दें।
  7. बीमस्प्लिटर सतह पर सामान्य रूप से जीआरआईएन लेंस बिंदुओं को सुनिश्चित करके संरेखण प्रक्रिया शुरू करें। यह दृश्य निरीक्षण और तदनुसार गोनियोमेट्रिक चरणों को मोड़कर किया जा सकता है। यह अब शून्य स्थिति है।
  8. चरण दर चरण, एक गोनियोमेट्रिक चरण को थोड़ा विक्षेपित करें, और फिर शून्य स्थिति के चारों ओर दूसरे गोनियोमेट्रिक चरण को स्थानांतरित करें।
    1. यदि ऑसिलोस्कोप पर कोई परिवर्तन नहीं देखा जा सकता है, तो पहले गोनियोमेट्रिक चरण को थोड़ा और विक्षेपित करें, और इस पुनरावृत्ति प्रक्रिया को तब तक दोहराएं जब तक कि त्रिकोणीय मॉड्यूलेशन ऑसिलोस्कोप पर दिखाई न दे।
    2. यदि आप चरणों के आंदोलनों के बाद संकेत के हिस्टैरिसीस का निरीक्षण करते हैं, तो जांचें कि क्या सभी घटक ठीक से तय किए गए हैं।
      नोट: जेड-स्टेज को नीचे की ओर ले जाने के कारण दबाव में वृद्धि भी मदद कर सकती है। यदि देखा गया संकेत अपेक्षा के अनुसार मजबूत नहीं है, तो पीछे का प्रतिबिंब एटालोन की सतहों में से एक या परावर्तन समारोह के परिधीय चोटियों में से एक से आ सकता है। अंगूठे के एक नियम के रूप में, 70% बीमप्लिटर और पूरी तरह से प्रतिबिंबित दर्पण के साथ, देखे गए चरम प्रतिबिंब एटालोन में पेश की गई ऑप्टिकल शक्ति के 25% के क्रम में हैं।
  9. एक बार एक मजबूत पीठ प्रतिबिंब देखे जाने के बाद, ऑसिलोस्कोप के संकल्प को समायोजित करें, और सुनिश्चित करें कि एटालोन के परावर्तन फ़ंक्शन का शिखर त्रिकोणीय मॉड्यूलेशन ढलानों पर केंद्रीय बैठता है (चित्रा 6)। लेजर के तापमान को बदलकर एटालोन के शिखर को ट्यून करें जब तक कि शिखर ढलान पर केंद्रित न हो।
  10. गोनियोमेट्रिक चरणों के मामूली आंदोलनों द्वारा त्रिकोणीय मॉड्यूलेशन के पीक-टू-पीक अनुपात को अधिकतम करते हुए पीक ताकत (न्यूनतम वोल्टेज) को अधिकतम करने का प्रयास करें।
  11. जब संरेखण प्रक्रिया समाप्त हो जाती है, तो यूवी लैंप को ग्रिन लेंस के करीब माउंट करें। 45 ° के कोण पर एक स्व-केंद्र लेंस माउंट का उपयोग करें।
  12. उपचार चरणबद्ध तरीके से करें। सबसे पहले, चिपकने वाले को ठीक करें जो पहले से ही चरण 7.4 में लागू किया गया है। ऑसिलोस्कोप पर परावर्तनीयता समारोह की निगरानी करते रहें। यदि चिपकने वाले के संकोचन के कारण इलाज संरेखण के क्षरण की ओर जाता है, तो गोनियोमेट्रिक चरणों को थोड़ा समायोजित करें।
  13. 5-10 मिनट के बाद, यूवी लैंप को बंद करें, और इसे छूने के बिना ग्रिन लेंस के चारों ओर अधिक चिपकने वाला लागू करें। चिपकने वाले को यूवी प्रकाश में 5-10 मिनट के लिए उजागर करें। इस चरण को तब तक दोहराएं जब तक कि सेल का उद्घाटन पूरी तरह से चिपकने वाली एक समरूप परत से भर न जाए। 1 घंटे से अधिक समय तक अंतिम इलाज करें।
  14. चिपके हुए घटकों का उचित कनेक्शन सुनिश्चित करने के लिए, या तो पूरे सेटअप को 1 सप्ताह के लिए आराम करने दें या यदि संभव हो तो चिपकने वाले जोड़ को 1 घंटे के लिए 60 डिग्री सेल्सियस पर टेम्पर करें।
  15. अब, फेरूल आस्तीन को क्लैंप से हटाया जा सकता है। इसलिए, अनुवाद चरण को सकारात्मक जेड-दिशा में ले जाएं जब तक कि स्प्रिंग्स पूरी तरह से आराम न हो जाएं। फेरूल-ग्रिन लेंस सिस्टम पर किसी भी तनाव से बचें; क्लैंप खोलें, और इसे हटा दें। अब, एटालोन समाप्त हो गया है और आगे के उपयोग के लिए तैयार है।

Figure 6
चित्रा 6: अनुकरणीय, जेनेरिक ऑसिलोस्कोप सिग्नल। हरे रंग में, एक अच्छा संरेखण दर्शाया गया है, और पीले रंग में, एक बदतर दिखाया गया है। संरेखण जितना बेहतर होगा, त्रिकोणीय मॉड्यूलेशन का पीक-टू-पीक अनुपात उतना ही अधिक होगा, और अधिक प्रतिबिंब शिखर (घाटी) शून्य की ओर जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

8. एटालोन लक्षण वर्णन

  1. उत्पादित एटालोन के मूल्यांकन के लिए, चरण 5 में वर्णित उसी फाइबर-ऑप्टिक सेटअप का उपयोग करें। लेजर को चरणबद्ध रूप से और पर्याप्त डेटा लॉगिंग दर के साथ तापमान ट्यून करने में सक्षम माप प्रणाली का उपयोग करें।
    नोट: एक एफपीजीए-आधारित प्रणाली का उपयोग यहां किया जाता है ( सामग्री की तालिका देखें)।
  2. सैद्धांतिक एफएसआर की गणना करें। उपयोग किए गए लेजर के आधार पर (तापमान ट्यूनिंग गुणांक देखें), कम से कम दो एफएसआर के अनुरूप तापमान स्वीप करें। तापमान को चरणबद्ध रूप से बढ़ाएं (~ 0.005 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि), और हर बार 2-3 सेकंड के लिए मापने से पहले टीईसी को 2-3 सेकंड के लिए व्यवस्थित होने दें।
  3. किसी भी संख्यात्मक गणना कार्यक्रम के साथ डेटा को संसाधित करें। एकीकृत पीक फाइंडर के साथ किसी भी सिग्नल प्रोसेसिंग लाइब्रेरी का उपयोग करें। दो बाद की चोटियों के बीच की दूरी एफएसआर का प्रतिनिधित्व करती है। अपनी आधी ऊंचाई पर चोटी की चौड़ाई का मूल्यांकन करके एफडब्ल्यूएचएम की गणना करें।
    नोट: चूंकि एफएसआर और एफडब्ल्यूएचएम की गणना डेटा प्रारूप पर दृढ़ता से निर्भर है, इसलिए यहां कोई कोड नहीं दिया गया है, लेकिन इसे अनुरोध पर लेखक द्वारा उपलब्ध कराया जा सकता है।
  4. लेजर के तापमान ट्यूनिंग गुणांक का उपयोग करके तापमान को तरंग दैर्ध्य में परिवर्तित करें।
  5. माप से एफएसआर के साथ-साथ एफडब्ल्यूएचएम की गणना करें (चित्रा 7)।
  6. निम्नलिखित सूत्र के साथ निर्मित FPE की चालाकी की गणना करें:
    Equation 8.

Representative Results

जैसा कि चित्रा 7 में देखा जा सकता है, एक अच्छी तरह से परिभाषित परावर्तनीयता फ़ंक्शन के साथ एक एफपीई गढ़ा जा सकता है।

Figure 7
चित्रा 7: तैयार एफपीई का मापा प्रतिबिंब समारोह। लेजर के तरंगदैर्ध्य स्वीप के अनुरूप एक तापमान स्वीप, एफपीई के परावर्तन समारोह को मापने के लिए किया गया था। इसका उपयोग आधे अधिकतम (एफडब्ल्यूएचएम) पर पूर्ण चौड़ाई और गढ़े गए डिवाइस की मुक्त वर्णक्रमीय सीमा (एफएसआर) जैसे मैट्रिक्स का मूल्यांकन करने के लिए किया जाता है। सापेक्ष परावर्तनीयता एफपीई को पारित करने के बाद फाइबर में वापस प्रतिबिंबित होने वाले प्रकाश के सापेक्ष अनुपात को संदर्भित करती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

एफपीई के मापा मैट्रिक्स तालिका 1 में सूचीबद्ध हैं और समान विनिर्देशों के साथ एक आदर्श एटालोन के गणना किए गए मूल्यों की तुलना में हैं। एक आदर्श FPE के सूत्र परिचय अनुभाग में पाए जा सकते हैं।

नपा-तुला आदर्श FPE
कुशलतापूर्वक करना 12.8 17.1
FWHM 0.0268 एनएम 0.0234 एनएम
FSR 0.3441 एनएम 0.4004 एनएम
संवेदनशीलता 14 1/nm 21 1/nm

तालिका 1: गढ़े गए एफपीई एटालोन के मापा और गणना किए गए मैट्रिक्स की तुलना।

एक निर्दिष्ट अनुप्रयोग के लिए योग्यता को मान्य करने के लिए, एफपीई का उपयोग परिवेशी हवा में जल वाष्प के पीटीआई माप के लिए किया जाता है। इसलिए, 1,364 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ एक उत्तेजना लेजर को जांच लेजर के लंबवत सेल में निर्देशित किया जाता है। दोनों लेजर एफपीई के अंदर प्रतिच्छेद करते हैं। उत्तेजना लेजर को 125 हर्ट्ज की आवृत्ति के साथ साइनसॉइडल रूप से संशोधित किया जाता है। निरंतर प्रवाह के माध्यम से , एफपीई के सबसे तेज ढलान पर प्रोब लेजर को स्थिर करके, सेंसर की उच्चतम संवेदनशीलता प्राप्त की जाती है। जल वाष्प माप के लिए, सेल को खुली खिड़कियों के साथ संचालित किया जाता है और 13,762 पीपीएमवी की एकाग्रता के साथ परिवेशी हवा के संपर्क में लाया जाता है, जैसा कि एक संदर्भ उपकरण (तापमान = 21.4 डिग्री सेल्सियस, दबाव = 979.9 एचपीए, सापेक्ष आर्द्रता = 52.2%) द्वारा मापा जाता है। सिग्नल को एक फास्ट फूरियर ट्रांसफॉर्म (एफएफटी) के माध्यम से निकाला जाता है और उत्तेजना लेजर बंद होने के साथ पृष्ठभूमि संकेत की तुलना में, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है। 7,000 से अधिक का सिग्नल-टू-शोर अनुपात प्राप्त किया जा सकता है, जो लगभग 5 पीपीएमवी (3) की पहचान सीमा के अनुरूप है।

Figure 8
चित्र 8: परिवेशी हवा में जल वाष्प का पीटीआई माप। काले रंग में, 125 हर्ट्ज लेजर उत्तेजना के साथ माप का एफएफटी संकेत दिखाया गया है। नीले रंग में, उत्तेजना के बिना पृष्ठभूमि संकेत को चित्रित किया गया है। इनसेट 125 हर्ट्ज पर मापा शिखर को अधिक विस्तार से दिखाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

पूरक कोडिंग फ़ाइल 1: Measurement_cell. SLDPRT. माप कक्ष के लिए CAD फ़ाइल. सेल को विशिष्ट अनुप्रयोग की आवश्यकताओं के लिए अनुकूलित किया जा सकता है और बाद में 3 डी-मुद्रित किया जा सकता है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक कोडिंग फ़ाइल 2: cap_etalon. SLDPRT. माप सेल के अंदर एटालोन को ठीक करने के लिए सीएडी फ़ाइल। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक कोडिंग फ़ाइल 3: cap_window. SLDPRT. माप कक्ष पर लेजर विंडो को ठीक करने के लिए सीएडी फ़ाइल। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Discussion

जैसा कि यहां दिए गए प्रोटोकॉल का पालन करते हुए निर्मित एफपीई को एक विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए अनुकूलित किया गया है, इस अध्याय में संभावित अनुकूलन और महत्वपूर्ण चरणों को समझाया गया है। सबसे पहले, एफपीई और माप सेल पीटीआई माप के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। इसलिए, एक गैस इनलेट और आउटलेट, साथ ही उत्तेजना लेजर के लिए एक चैनल, जो जांच लेजर के लंबवत है, सेल में जोड़ा जाता है। सेल के सभी उद्घाटन या तो ओ-रिंग्स के माध्यम से एयर-टाइट बनाए जाते हैं और / या लेजर प्रसार की अनुमति देने के लिए यूवीएफएस खिड़कियों के माध्यम से कवर किए जाते हैं। यदि अलग तरीके से उपयोग किया जाता है, तो सेल, जैसा कि पूरक कोडिंग फ़ाइल 1 में दिया गया है, को फिर से डिज़ाइन किया जा सकता है और विशिष्ट एप्लिकेशन के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। चरण 1.4 में थ्रेडिंग मुद्रण के बाद किया जाता है। धागे 3 डी-मुद्रित भी हो सकते हैं, लेकिन चूंकि ये तेजी से खराब हो जाते हैं, केवल उपयुक्त कोर छेद व्यास वाले छेद मुद्रित होते हैं, और इन्हें बाद में पिरोया जाता है।

चरण 2.1 में स्पेसर्स के लिए सामग्री का चयन महत्वपूर्ण है। स्पेसर्स की समांतरता एटालोन दर्पण की समांतरता को निर्धारित करती है और इसलिए, चालाकी 7 को प्रभावित करतीहै। सामग्री तालिका में प्रदान की गई 1/2 इंच यूवीएफएस परिशुद्धता विंडो, जिसमें ≤5 आर्कसेक की समानता और स्पष्ट एपर्चर पर λ/10 की सतह सपाटता है, का उपयोग इस अध्ययन में किया गया था। यूवीएफएस के थर्मल विस्तार का गुणांक 0.55 x 10−6 / ° C है। तापमान स्थिरता को आगे बढ़ाया जा सकता है, उदाहरण के लिए, ज़ीरोडर5 स्पेसर्स का उपयोग करके, 0.1 x 10−6 / ° C से कम थर्मल विस्तार के गुणांक के साथ; हालांकि, इसमें उच्च लागत का नुकसान है।

एफपीई एक पूरी तरह से प्रतिबिंबित दर्पण, साथ ही एक बीमप्लिटर द्वारा बनाया जाता है। बीमप्लिटर में एक 70% प्रतिबिंबित सतह है, साथ ही एक एंटी-रिफ्लेक्टिव-लेपित बैक साइड भी है। यह एटालोन के अंदर और बाहर प्रकाश के युग्मन को सक्षम बनाता है। इसके अतिरिक्त, बीमप्लिटर के सब्सट्रेट में अवांछित एटालोन प्रभावों को रोकने के लिए एक वेज्ड साइड है। दर्पण का पिछला हिस्सा समान कारणों से खुरदरा होता है।

चरण 5.1 में, संरेखण प्रक्रिया को ट्रैक करने के लिए ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सेटअप का वर्णन किया गया है। उपयोग किए जाने वाले सभी फाइबर एफसी / एपीसी कनेक्टर के साथ मानक एसएमएफ -28 फाइबर हैं। पीटीआई के लिए नामित आवेदन के कारण, इस अध्ययन में एक संतुलित फोटोडिटेक्टर आसानी से उपलब्ध था, लेकिन यह सामान्य रूप से आवश्यक नहीं है। इसके बजाय एक पारंपरिक फोटोडिटेक्टर का उपयोग किया जा सकता है; इस मामले में, 1 x 2 युग्मक का उपयोग करना अप्रचलित है। ये परिवर्तन सेटअप के अन्य घटकों को प्रभावित नहीं करते हैं, जैसा कि चित्र 5 में प्रस्तुत किया गया है। प्रोब लेजर का त्रिकोणीय वर्तमान मॉड्यूलेशन, जैसा कि चरण 5.4 में वर्णित है, एक तरंग दैर्ध्य स्वीप से मेल खाता है। एफपीई के कम से कम एक परावर्तनीयता शिखर पर स्वीप करने के लिए पर्याप्त वर्तमान सीमा का चयन किया जाना चाहिए। इसलिए, एक एफएसआर अंगूठे के नियम के रूप में काम कर सकता है। एक आदर्श एफपीई के एफएसआर के लिए गणना परिचय अनुभाग में पाई जा सकती है। संबंधित मैनुअल में दिए गए लेजर के वर्तमान ट्यूनिंग गुणांक (एनएम / एमए) के साथ, एक एफएसआर को कवर करने वाली वर्तमान सीमा की गणना की जा सकती है। एक उदाहरण के रूप में, इस काम में उपयोग किए जाने वाले लेजर में 0.003 एनएम / एमए का वर्तमान ट्यूनिंग गुणांक था और 1,550 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर उत्सर्जित होता था। 3 मिमी दर्पण रिक्ति, डी के साथ एक आदर्श एफपीई का अपेक्षित एफएसआर लगभग 0.4 एनएम है। यह 133 mA की वर्तमान ट्यूनिंग रेंज देता है।

इस काम में, ऑसिलोस्कोप में सुविधाजनक प्रदर्शन के लिए मॉड्यूलेशन आवृत्ति को 100 हर्ट्ज पर सेट किया गया था। चूंकि वांछित वर्तमान ट्यूनिंग रेंज बड़ी है, इसलिए उपयोग किए गए डिटेक्टर की शक्ति सीमा के भीतर रहने के लिए एक निश्चित फाइबर एटेन्यूएटर का उपयोग किया जा सकता है। एटेन्यूएटर को आइसोलेटर के बाद सीधे लगाया जा सकता है।

चरण 6 और चरण 7 में उपयोग किया जाने वाला यूवी-इलाज चिपकने वाला लेजर प्रकाश के लिए पारदर्शी है और इसमें 1.56 का अपवर्तक सूचकांक है। संरेखण प्रक्रिया, जैसा कि चरण 7.1 में वर्णित है, उपलब्ध फोटोडिटेक्टर पर निर्भर है। इस सेटअप में उपयोग किया जाने वाला संतुलित डिटेक्टर एक नकारात्मक वोल्टेज "सिग्नल" आउटपुट उत्पन्न करता है। व्यापकता के कारणों के लिए, चरण 7.10 के विवरण के लिए और चित्रा 6 में एक सकारात्मक वोल्टेज आउटपुट माना जाता है। एक अच्छी तरह से संरेखित एटालोन के लिए, प्रतिबिंब शिखर शून्य की ओर जाएगा, जबकि त्रिकोणीय फ़ंक्शन इसके पीक-टू-पीक अनुपात को बढ़ाएगा।

चरण 8.1 में एटालोन लक्षण वर्णन के लिए, संख्यात्मक गणना सॉफ्टवेयर का उपयोग किया जाता है ( सामग्री की तालिका देखें)। प्रत्येक तापमान चरण के लिए मापा वोल्टेज औसत और प्लॉट किया जाता है, जैसा कि चित्र 7 में दिखाया गया है। तापमान चरणों को तरंग दैर्ध्य चरणों में परिवर्तित करने के लिए, जांच लेजर के तापमान ट्यूनिंग गुणांक का उपयोग किया जाता है। सिग्नल विश्लेषण पुस्तकालयों में एकीकृत पीक-फाइंडिंग एल्गोरिदम हैं, जिनका उपयोग उस उद्देश्य के लिए किया जा सकता है। चूंकि डेटा विश्लेषण दृढ़ता से डेटा प्रारूप पर निर्भर करता है, इसलिए यहां कोई कोड प्रदान नहीं किया जाता है, लेकिन इसे अनुरोध पर संबंधित लेखक द्वारा उपलब्ध कराया जा सकता है।

यहां प्रस्तुत निर्माण तकनीक की एक संभावित सीमा बदलते वातावरण में थर्मल और यांत्रिक स्थिरता है। चूंकि इस अनुदेशात्मक पेपर का दायरा प्रयोगशाला अनुप्रयोगों के लिए एफपीई की कम लागत वाली प्रोटोटाइपिंग है, यांत्रिक और तापमान स्थिरता से संबंधित कोई परीक्षण यहां नहीं दिया गया है। यदि एफपीई का उपयोग मोबाइल अनुप्रयोगों के लिए या बदलते वातावरण में किया जाता है, तो एटालोन के सापेक्ष फाइबर-ग्रिन लेंस प्रणाली को यांत्रिक रूप से स्थिर करने के लिए अतिरिक्त उपाय किए जाने चाहिए।

एफपीई को बनाने और चिह्नित करने के लिए एक नई विधि यहां प्रत्येक फोटोनिक प्रयोगशाला में उपलब्ध मानक ऑप्टिकल घटकों के साथ प्रदर्शित की गई है। प्रस्तुत एफपीई में लगभग 15 की चालाकी है और लगभग 5 पीपीएमवी जल वाष्प का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशीलता है। पीटीआई के लिए प्रस्तुत आवेदन के अलावा, इस एफपीई का उपयोग ऑप्टिकल माइक्रोफोन20 के निर्माण जैसे अनुप्रयोगों में किया जा सकता है, जो आमतौर पर गैर-विनाशकारी परीक्षण23, अपवर्तक सूचकांक माप24,25, या हाइग्रोमीटर26 के क्षेत्र में लागू होते हैं।

Disclosures

हितों का कोई टकराव नहीं है।

Acknowledgments

यहां प्रस्तुत कार्य एफएफजी वित्त पोषित परियोजना "ग्रीन सेंसिंग" और नाटो एसपीएस कार्यक्रम "सीबीआरएन घटनाओं का पता लगाने के लिए फोटोनिक नैनो पार्टिकल सेंसर" के ढांचे में आयोजित किया गया था। इस काम को टीयू ग्राज़ ओपन एक्सेस पब्लिशिंग फंड द्वारा भी समर्थित किया गया था।

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Vaughan, M. The Fary-Pérot Interferometer. History, Theory, Practice, and Applications. , CRC Press. Boca. Raton, FL. (1989).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Marques, D. M., et al. Modelling Fabry-Pérot etalons illuminated by focussed beams. Optics Express. 28 (5), 7691-7706 (2020).
  9. 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).
  10. Preisser, S., et al. All-optical highly sensitive akinetic sensor for ultrasound detection and photoacoustic imaging. Biomedical Optics Express. 7 (10), 4171-4186 (2016).
  11. 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).
  12. Bialkowski, S. E., Astrath, N. G. C., Proskurnin, M. A. Photothermal Spectroscopy Methods. , Wiley. Hoboken, NJ. (2019).
  13. Campillo, A. J., Petuchowski, S. J., Davis, C. C., Lin, H. -B. Fabry-Pérot photothermal trace detection. Applied Physics Letters. 41 (4), 327-329 (1982).
  14. 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).
  15. Waclawek, J. P., Kristament, C., Moser, H., Lendl, B. Balanced-detection interferometric cavity-assisted photothermal spectroscopy. Optics Express. 27 (9), 12183-12195 (2019).
  16. Pevec, S., Donlagic, D. Miniature all-fiber Fabry-Pérot sensor for simultaneous measurement of pressure and temperature. Applied Optics. 51 (19), 4536-4541 (2012).
  17. Dudzik, G., Krzempek, K., Abramski, K., Wysocki, G. Solid-state laser intra-cavity photothermal gas sensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 328, 129072 (2021).
  18. 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).
  19. Hälg, B. A silicon pressure sensor with a low-cost contactless interferometric optical readout. Sensors and Actuators A: Physical. 30 (3), 225-230 (1992).
  20. Fischer, B. Optical microphone hears ultrasound. Nature Photonics. 10 (6), 356-358 (2016).
  21. Waclawek, J. P., Bauer, V. C., Moser, H., Lendl, B. 2f-wavelength modulation Fabry-Pérot photothermal interferometry. Optics Express. 24 (25), 28958-28967 (2016).
  22. 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).
  23. Meyendorf, N., Ida, N., Singh, R., Vran, J. Handbook of Nondestructive Evaluation 4.0. , Springer. Cham, Switzerland. (2022).
  24. 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).
  25. Stollberger, W. F. Single particle photothermal interferometry. Technical University Graz. , Master's thesis (2022).
  26. Radeschnig, U., Bergmann, A., Lang, B. Flow-enhanced photothermal spectroscopy. MDPI Sensors. 22 (19), 7148 (2022).

Tags

इंजीनियरिंग अंक 192
कम लागत, फाइबर-युग्मित, और एयर-स्पेस्ड फैब्री-पेरोट एटालोन का निर्माण
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Tanzer, M., Lang, B., Bergmann, A.… More

Tanzer, M., Lang, B., Bergmann, A. Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-Pérot Etalon. J. Vis. Exp. (192), e65174, doi:10.3791/65174 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter