Summary
Denne protokollen beskriver konstruksjonen av en billig, diskret, fiberkoblet og luftromt Fabry-Perot-etalon med forskjellige applikasjoner, for eksempel i sporgassspektroskopi. Fabrikasjonen er mulig i alle anlegg med standard optisk laboratorieutstyr tilgjengelig.
Abstract
Fabry-Pérot etalons (FPE) har funnet veien inn i mange applikasjoner. På områder som spektroskopi, telekommunikasjon og astronomi brukes FPE-er for deres høye følsomhet, så vel som deres eksepsjonelle filtreringsevne. Imidlertid er luftavstandsetaloner med høy finesse vanligvis bygget av spesialiserte fasiliteter. Produksjonen krever et rent rom, spesiell glasshåndtering og beleggmaskiner, noe som betyr at kommersielt tilgjengelige FPE-er selges til en høy pris. I denne artikkelen presenteres en ny og kostnadseffektiv metode for å fremstille fiberkoblede FPEer med standard fotonisk laboratorieutstyr. Protokollen skal fungere som en trinnvis veiledning for konstruksjon og karakterisering av disse FPE-ene. Vi håper dette vil gjøre det mulig for forskere å gjennomføre rask og kostnadseffektiv prototyping av FPEer for ulike bruksområder. FPE, som presentert her, brukes til spektroskopiske applikasjoner. Som vist i avsnittet om representative resultater via proof of principle-målinger av vanndamp i omgivelsesluft, har denne FPE en finesse på 15, som er tilstrekkelig for fototermisk deteksjon av sporkonsentrasjoner av gasser.
Introduction
I sin mest grunnleggende form består en FPE av to plan-parallelle delvis reflekterende speilflater1. I de følgende forklaringene, når det refereres til speil, er det optiske substratet og det reflekterende belegget adressert som en. I de fleste applikasjoner har speilene som brukes en kilt overflate2 for å forhindre uønskede etaloneffekter. Figur 1 illustrerer dannelsen av interferensmønsteret til et luftromsetal (figur 1A), samt refleksjonsfunksjonen for ulike speilreflektiviteter (figur 1B).
Lyset kommer inn i hulrommet gjennom ett speil, gjennomgår flere refleksjoner, og forlater hulrommet ved refleksjon samt overføring. Siden denne artikkelen fokuserer på fabrikasjon av en FPE operert i refleksjon, refererer de videre forklaringene spesifikt til refleksjon. Bølgene som forlater hulrommet forstyrrer, avhengig av faseforskjellen, q = 4πnd/λ. Her er n brytningsindeksen inne i hulrommet, d er speilavstanden, og λ er bølgelengden til interferometerets lyskilde, her kalt sondelaseren. En minimumsrefleksjon oppstår når den optiske baneforskjellen samsvarer med heltallsmultiplumet av bølgelengden, 
. Finessen til et ideelt plan-parallelt etalon bestemmes av speilreflektivitetene R1 og R2 bare3:
Imidlertid er en ekte etalon utsatt for mange tap, noe som forringer den teoretisk oppnåelige finesse 4,5,6. Avvik fra speilparallellitet7, ikke-normal forekomst av laserstrålen, stråleform8, speiloverflate urenheter og spredning, blant andre, fører til en reduksjon i finessen. Det karakteristiske interferensmønsteret kan beskrives med Airy-funksjonen1:
Full bredde ved halv maksimum (FWHM), samt det frie spektrale området (FSR) for refleksjonsfunksjonen, kan beregnes som følger:
Figur 1: Fabry-Pérot interferometerteori . (A) En skjematisk avbildning av flerstråleinterferensen for et etalon med luftavstand med kilete vinduer. En planbølge, E0, kommer inn i hulrommet under en viss vinkel, φ gjennom en antirefleksjon (AR) -belagt overflate og gjennomgår deretter flere refleksjoner mellom de høyt reflekterende (høy R) overflatene fordelt på avstand, d. Med hver refleksjon blir en del av lyset koblet ut av etalon enten i overføring eller refleksjon, hvor det forstyrrer de andre bølgene. (B) Refleksjonsfunksjonen til et ideelt Fabry-Pérot-etalon for forskjellige speilreflektiviteter (y-aksen). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
FPE-er finnes i et bredt spekter av applikasjoner 9,10,11. I tilfellet som presenteres her, brukes FPE i et fototermisk interferometrioppsett (PTI). I PTI måles liten tetthet og dermed brytningsindeksendringer, indusert av periodisk eksitasjon etterfulgt av rask termisering av en målgass via en andre laser, interferometrisk12. Mengden varme og dermed størrelsen på brytningsindeksendringen er proporsjonal med gasskonsentrasjonen. Når du måler intensiteten til reflektansfunksjonen til FPE på det bratteste punktet (operasjonspunktet), forskyver disse brytningsindeksendringene refleksjonsfunksjonen, og endrer dermed den målte intensiteten. Siden refleksjonsfunksjonen kan antas å være lineær i området rundt operasjonspunktet, blir det målte signalet proporsjonalt med gasskonsentrasjonen. Sensorens følsomhet bestemmes av helningen til refleksjonsfunksjonen og er derfor proporsjonal med finessen. PTI, i kombinasjon med FPE, har vist seg å være en sensitiv og selektiv metode for å oppdage spormengder av gasser og aerosoler 13,14,15,16,17,18. Tidligere baserte mange sensorer for trykk- og akustiske målinger seg på bruk av bevegelige deler, som membraner, som erstattet det andre speilet på FPE19. Avbøyninger av membranen fører til en endring i speilavstanden og dermed den optiske banelengden. Disse instrumentene har den ulempen at de er utsatt for mekaniske vibrasjoner. De siste årene har utviklingen av optiske mikrofoner med solide FPE-er nådd et kommersielt nivå20. Ved å avstå fra bruk av bevegelige deler, endret målingen seg fra avstand til brytningsindeksen inne i Fabry-Pérot-hulrommet, og økte dermed robustheten til sensorene betydelig.
Kommersielt tilgjengelige FPE-er med luftrom koster utover det som er akseptabelt for prototyping og testing, samt integrering av produksjonsinstrumenter med høyt volum. De fleste vitenskapelige publikasjoner som konstruerer og bruker slike FPEer diskuterer temaet fabrikasjon bare minimalt21,22. I de fleste tilfeller er det nødvendig med spesifikt utstyr og maskiner (f.eks. renrom, beleggfasiliteter osv.). For eksempel, for fullt fiberintegrerte FPE-er, er spesielt mikromaskineringsutstyr nødvendig. For å redusere produksjonskostnadene og muliggjøre testing av flere forskjellige FPE-konfigurasjoner for å forbedre egnetheten for PTI-oppsett, ble det utviklet en ny fabrikasjonsmetode som er beskrevet i detalj i følgende protokoll. Ved å bruke bare kommersielt tilgjengelige, standard bulkoptiske og telekomfiberoptiske komponenter, kan produksjonskostnadene reduseres til mindre enn € 400 euro. Hvert anlegg som arbeider med standard fotonisk utstyr, skal kunne reprodusere vårt fabrikasjonsskjema og tilpasse det til deres applikasjoner.
Protocol
1. Tredimensjonal utskrift av målecellen
- Tilpass målecellen, som gitt i tilleggskodefil 1, til ditt bruksområde. Tredimensjonal utskrift av cellen samt kapitlene, gitt i tilleggskodingsfiler 1-3, for montering av bulkoptiske materialer.
MERK: En SLA 3D-skriver ble brukt til denne studien (se materialfortegnelse). - Mens du genererer utskriftsjobben, må du sørge for å minimere antall støttestrukturer inne i hulrommene og åpningene. Restharpiks kan redusere diameteren, og bulkoptikken kan sette seg fast.
- Etter utskrift, rengjør cellen med isopropylalkohol, og fjern alle støttestrukturene med en trådkutter og sandpapir.
- Tre de riktige hullene rett etter utskrift og før herding.
- Gjeng gassinntaket og utløpet som M5 for å montere slangekoblingen.
- Tre det sentrale hullet nederst som M4 for ettermontering av cellen.
- Tre de mindre gjennomgående hullene vinkelrett inn i burstangen gjennom hull som M3 for å tillate festing av cellen til merdsystemet (figur 2).
- UV-herding av cellen (405 nm) og lokkene ved 60 °C i minst 40 minutter ved hjelp av en kommersielt tilgjengelig UV-herdende enhet (se Materialfortegnelse).
Figur 2: Merket CAD-modellgjengivelse av målecellen. En seksjonsvisning er gitt her for mer klarhet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
2. Klargjøre avstandsstykkene
- Klipp to avstandsstykker ut av ett UV-smeltet silika (UVFS) presisjonsvindu. Klipp ut to stykker med omtrent 3 mm bredde fra presisjonsvinduet, som vist i figur 3B.
MERK: Avstandsstykkene kan kuttes med en konvensjonell billig glasskutter (se materialfortegnelse).
FORSIKTIG: Bruk hansker og vernebriller mens du kutter og håndterer bulkoptikken. - Scribe en rett linje på presisjonsvinduet med kutterverktøyet, og bryt deretter glasset med tang. Bruk alltid tang med flate overflater, og legg linserensende vev (eller lignende) mellom metallet og glasset for å unngå skade på glassoverflaten.
- Rengjør avstandsstykkene med en støvsprayspray for å fjerne gjenværende glassrester.
MERK: I tillegg kan avstandsstykkene tørkes forsiktig med linserengjøringsvæske samt linserensende vev uten å påføre trykk.
3. Montering av etalon
- Plasser den 3D-printede cellen (trinn 1) på bordet med etalongropen vendt oppover.
- Sett inn en O-ring (10 mm x 1 mm, se materialfortegnelse) i etalongropen, og trykk den litt inn i det angitte sporet.
- Plasser strålesplitteren med den reflekterende overflaten vendt oppover i etalongropen og på O-ringen.
- Plasser de to avstandsstykkene forsiktig på strålesplitteren ved hjelp av en pinsett. Plasser dem på en måte som genererer en klar åpning for gass- og eksitasjonslaseren, som kommer inn i lufthulen via gjennomgående hull som går fra den ene siden av cellen til den andre (figur 2, nummer 3).
MERK: Avstandsstykkene må plasseres på hver side for å få et lufthulrom i midten, som vist i figur 3B. Ta bare tak i avstandsstykkene på sideflatene for å unngå riper på de parallelle overflatene. - Når avstandsstykkene er på plass, juster speilet på toppen av dem, med den reflekterende siden vendt nedover. Strålesplitteren, avstandsstykkene og speilet må justeres konsentrert nå.
- Ta den 3D-printede etalonhetten, og sett begge O-ringene (10 mm x 1 mm og 14 mm x 2 mm) inn i de angitte sporene.
- Juster hetten til den rektangulære rillen i cellen, og plasser den på toppen av speilet.
- Påfør trykk på hetten for å feste avstandsstykkene på plass. Løft cellen mens du alltid legger press på hetten, og sett inn fire M4-skruer gjennom de angitte hullene fra baksiden.
- Monter dem med fire M4-muttere på forsiden, og stram dem til trykket fra hetten er nok til å holde avstandsstykkene på plass og O-ringene er komprimert nok.
- Sjekk om avstandsstykkene fortsatt er på plass; I så fall er Etalon nå klar for videre bruk.
- Bruk de to ekstra 3D-printede heksene til å montere laservinduer på siden av målecellen for å gjøre cellen gasstett. Plasser derfor en O-ring (10 mm x 1 mm) i det angitte sporet på cellen og en annen (10 mm x 1 mm) på hetten. Plasser vinduet i sporet, og fest vindushetten med fire M3 skruer og muttere, som vist i figur 2, nummer 2).
Figur 3: Gjengivelse av målecellen og FPE. (A) Gjengivelse av monteringsprosessen til den 3D-printede cellen samt FPE med tilhørende monteringshette. (B) Gjengivelse av bulkoptiske komponenter i riktig rekkefølge. Avstandsstykkene skaper et luftromshulrom mellom de to speilflatene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
4. Montering av fiberjusteringsplattformen
- Monter trinnene og adapterplatene som oppført i materialfortegnelsen. Bruk figur 4 som orientering under konstruksjonen.
- Monter det første enaksede goniometriske trinnet på en optisk brødplate i x-retningen.
MERK: Akse-nomenklaturen ble valgt vilkårlig. Det optiske breadboard-planet er definert som et x-y-plan, med den vertikale retningen vendt ut av brødbrettet i en positiv z-retning. - Avhengig av trinnene som brukes, monter om nødvendig en adapterplate på toppen av det goniometriske trinnet.
- Monter et toakset xy-mikrometer oversettelsestrinn sentralt på toppen av adapterplaten.
- Monter en rettvinklet brakett på oversettelsestrinnet som vender i y-retningen.
- Monter et enkeltakset oversettelsestrinn på den rettvinklede braketten i z-retningen.
- Bruk ekstra adapterplater til å montere det andre goniometriske trinnet i z-retningen på oversettelsestrinnet.
- Fest en fiberferregelklemme på toppen av et innlegg. Velg lengden på innlegget slik at fiberferregelen er nøyaktig på rotasjonspunktet for det andre vertikale goniometriske trinnet. Avstanden er oppgitt i etappens manual.
- Fiberferrulens ytre diameter er 2,8 mm. Hvis ingen klemme for denne diameteren er tilgjengelig, bruk en 2,5 mm klemme og utvid den med en boring.
- Monter stolpen med ferregelklemmen på det andre vertikale goniometriske trinnet i en z-posisjon som tilsvarer rotasjonspunktet for det første horisontale goniometriske trinnet fra trinn 4.2.
- Sørg for at ferrule-hylsen og GRIN linsen stikker ut av ferrule-klemmen med noen millimeter i negativ z-retning.
- Velg den vertikale posisjonen til stolpen slik at spissen av GRIN-linsen er ved det goniometriske trinnets rotasjonspunkt.
- For å montere etalonen, ta et innlegg, monter en rettvinklet brakett på den og fest en standard SM1 gjenget 30 mm burplate på den. Monter fire burstenger (>40 mm) på platen som vender i positiv z-retning.
- Ta fire metallfjærer med en indre diameter litt større enn burstangens diameter, og plasser en på hver burstang. Skyv målecellen med integrert FPE på stavene med strålesplittersiden vendt oppover til den hviler på fjærene.
MERK: Forsikre deg om at cellen kan bevege seg fritt i z-retningen. Hvis friksjonen er for høy, er det nødvendig med ytterligere utvidelse av cellens gjennomgående hull for burstengene. Dette gjøres best med en rund fil. - Monter stolpen, via en stolpeholder, en bunnplate og en klemgaffel, like under fiberjusteringsplattformen. Forsikre deg om at åpningen av cellen, som eksponerer strålesplitteren, er sentrert ca. 10 mm under ferruleholderen (trinn 4.5).
Figur 4: Bilde av justeringsplattformen med GRIN-linsekoblet FPE under UV-herdingsprosessen. Komponentene skrevet i grått er for PTI-målinger og er ikke nødvendige for justeringsprosessen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
5. Opto-elektronisk oppsett
- Sett sammen de optoelektroniske komponentene som oppført i materialfortegnelsen, og ordne dem som vist skjematisk i figur 5.
- Monter de fiberoptiske komponentene på et optisk brødbord ved hjelp av de tilsvarende komponentbrettene.
- Monter laseren på et laserdiodefeste. Koble laserkilden til en laserdriver og TEC (termoelektrisk kjøler) kontroller med en integrert modulasjonsfunksjon (trekantet modulasjon); Ellers er det nødvendig med en ekstra funksjonsgenerator.
- Sett den trekantede strømmodulasjonsamplituden på en måte som dekker et bølgelengdeområde som ligger godt over den forventede FWHM til etalon (beregninger finner du i diskusjonsdelen). Sett modulasjonsfrekvensen til rundt 100 Hz.
- Koble laserens optiske utgang til isolatorinngangen ved hjelp av L-brakettparingshylser.
- Monter en 15 dB fiberoptisk demper etter isolatoren, og koble den til inngangsporten på 1 x 2-koblingen.
- Koble koblerens utgangsport med 90 % optisk effekt til port 1 på den optiske sirkulasjonspumpen.
- Koble koblerens utgangsport med 10% optisk effekt til referansefotodioden til den balanserte detektoren.
- Koble port 2 på sirkulasjonspumpen til pigtailed ferrule-GRIN-linsesystemet.
- Koble port 3 til signalfotodioden til detektoren.
- Sett den balanserte detektoren i "Auto-Balanced" -modus. Koble den elektriske "Signal" -utgangen til detektoren til en kanal i oscilloskopet med en BNC-kabel.
Figur 5: Skjematisk fremstilling av det optoelektroniske oppsettet for justeringsprosedyren. De røde linjene representerer optiske fibre, de svarte linjene er elektroniske kabler, og den blå strålen er sondelaseren. Her brukes en balansert detektor, men denne kan erstattes av en konvensjonell fotodetektor. Derfor kan 1 x 2-koblingen utelates. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
6. Justering av fiber-GRIN linser
- Monter ferruleklemmen på en stolpe, og fest den via en stolpeholder på et optisk brødbrett.
- Fest fiberferrulehylsen i en ferrule-klemme. Som nevnt i trinn 4.6, utvider du ferruleklemmen med en drill om nødvendig.
- Fyll en pipette med UV-herdende lim (se materialfortegnelse).
FORSIKTIG: Bruk hansker og briller mens du håndterer bulkoptikken samt det UV-herdende limet. - Ta pigtailed fiber ferrule, og legg til en dråpe lim på ferrulens sideflate. Hold forsiden av ferrule ren.
- Sett ferrule inn i ferrulehylsen. Sørg for å sette inn ferrule dypt nok slik at fronten av GRIN-linsen er minst 1-2 mm utenfor ferrule-hylsen.
- Påfør en veldig rask forherding med en UV-lampe (~ 10 s). Skinn bare lyset fra baksiden (fiberenden av ferrulen) for å feste ferrulen til hylsen uten å herde noe lim på forsiden av ferrulen.
- Ta GRIN linsen, og finn den kilte siden. Dette kan gjøres med et mikroskop eller ved å vri på det. Dermed blir den 8° kilte siden synlig.
- Påfør et dråpelim på den kileformede enden av GRIN-linsen, og sett det inn i ferrulehylsen.
MERK: Ved å påføre et lite trykk forlater luften hulrommet mellom ferrule og GRIN linsen. Det kan ikke være noen luftbobler innelukket mellom de to overflatene. Hvis det er, kan liten sving hjelpe; Hvis ikke, fjerner du GRIN-objektivet og gjentar trinn 6.8. - Roter GRIN linsen forsiktig til de to vinklede flatene er parallelle.
- Monter en stråleanalysator ca. 150 mm foran GRIN-objektivet. Hvis ingen stråleanalysator er tilgjengelig, kan en strømmåler med et knappenålshull foran brukes.
- Koble pigtailed ferrule til en laser med riktig bølgelengde. Slå på laseren.
FORSIKTIG: Laser sikkerhetsforanstaltninger må tas. - Bruk pinsett, flytt GRIN linsen litt ut av ferrule-hylsen for å endre avstanden mellom ferrule og GRIN linsen. Denne avstanden er avgjørende for å stille inn brennvidden til systemet. Mens du beveger GRIN-linsen, må du konstant overvåke stråleformen (eller optisk effekt).
MERK: En kort pre-kur (~ 10 s) kan hjelpe hvis justeringsprosessen er for ustabil. - Når systemet er fokusert til ønsket optimalt, påfør den endelige herdingen ved å utsette den for UV-lys i ca. 10 minutter.
- Etter herding, fjern ferrulehylsen fra klemmen; På dette tidspunktet er den klar til videre bruk.
7. Fiber-etalon justering
- Ta pigtailed ferrule og GRIN linsesystemet fra trinn 5, og monter den med ferrule clamp fra trinn 4.5.
- Kontroller at oversettelsestrinnet i z-retningen flyttes til maksimal høyde, og at alle de andre trinnene er i nøytrale (sentrerte) posisjoner.
- Juster cellen under den. Forsikre deg om at GRIN linsen peker direkte mot midten av åpningen. Fest posisjonen til cellen i en høyde litt under GRIN-linsen (ca. 5 mm).
- Påfør en eller to dråper lim på forsiden av GRIN-linsen med pipetten.
- Senk ned translasjonstrinnet i z-retningen til kontakt med strålesplitterens antirefleksbelagte overflate er sikret. Fortsett å senke GRIN linsen til tilstrekkelig trykk er påført og fjærene er under nok spenning.
MERK: Dette sikrer at kontakten mellom GRIN-linsen og strålesplitteren opprettholdes under vippeprosessen av justeringen. Mengden trykk som er nødvendig, avhenger av oppsettet og kan justeres under justering hvis ingen rimelig refleksjonsfunksjon kan observeres. Erfaring har vist at mer press vanligvis hjelper justeringsprosessen. - Slå på den modulerte laseren så vel som oscilloskopet. Forsikre deg om at oscilloskopet har høyest mulig oppløsning
, når du starter justeringsprosessen. Still inn tidsoppløsningen slik at to til tre perioder av modulasjonen er synlige. - Start justeringsprosessen ved å sørge for at GRIN linsen peker normalt på strålesplitterens overflate. Dette kan gjøres ved visuell inspeksjon og vri de goniometriske stadiene tilsvarende. Dette er nå nullposisjonen.
- Trinn for trinn, avbøy ett goniometrisk stadium litt, og flytt deretter det andre goniometriske trinnet rundt nullposisjonen.
- Hvis ingen endring kan observeres på oscilloskopet, avbøyer du det første goniometriske trinnet litt mer, og gjentar denne iterative prosessen til den trekantede modulasjonen blir synlig på oscilloskopet.
- Hvis du observerer en hysterese av signalet etter bevegelser av trinnene, må du kontrollere om alle komponentene er riktig festet.
MERK: En økning i trykk forårsaket av å flytte z-trinnet nedover kan også hjelpe. Hvis det observerte signalet ikke er så sterkt som forventet, kan tilbakerefleksjonen komme fra en av etalons overflater eller en av de perifere toppene til refleksjonsfunksjonen. Som en tommelfingerregel, med en 70% strålesplitter og et fullt reflekterende speil, er topprefleksjonene observert i størrelsesorden 25% av den optiske effekten som introduseres i etalon.
- Når en sterk tilbakerefleksjon er observert, juster oscilloskopets oppløsning, og sørg for at toppen av etalons refleksjonsfunksjon sitter sentralt på de trekantede modulasjonsskråningene (figur 6). Juster etalons topp ved å endre temperaturen på laseren til toppen er sentrert på skråningen.
- Prøv å maksimere toppstyrken (minimumsspenningen) samtidig som du maksimerer topp-til-toppforholdet til den trekantede modulasjonen ved små bevegelser av de goniometriske trinnene.
- Når justeringsprosessen er ferdig, monterer du UV-lampen nær GRIN-linsen. Bruk en selvsentrerende objektivfatning i en vinkel på 45°.
- Utfør herdingen trinnvis. Først må du herde limet som allerede er påført i trinn 7.4. Fortsett å overvåke refleksjonsfunksjonen på oscilloskopet. Hvis herdingen fører til en nedbrytning av justeringen på grunn av krymping av limet, juster de goniometriske trinnene litt.
- Etter 5-10 min, slå av UV-lampen, og påfør mer lim rundt GRIN-linsen uten å berøre den. Utsett limet for UV-lys i ytterligere 5-10 minutter. Gjenta dette trinnet til åpningen av cellen er fullstendig fylt med et homogent lag av lim. Utfør den endelige kur i mer enn 1 time.
- For å sikre riktig tilkobling av de limte komponentene, må du enten la hele oppsettet hvile i 1 uke eller temperere limfugen ved 60 °C i 1 time, hvis mulig.
- Nå kan ferrulehylsen fjernes fra klemmen. Flytt derfor oversettelsestrinnet i en positiv z-retning til fjærene er helt avslappet. Unngå stress på ferrule-GRIN linsesystemet; Åpne klemmen, og fjern den. Nå er etalon ferdig og klar til videre bruk.
, når du starter justeringsprosessen. Still inn tidsoppløsningen slik at to til tre perioder av modulasjonen er synlige.
Figur 6: Eksemplarisk, generisk oscilloskopsignal. I grønt er en god justering avbildet, og i gult vises en verre. Jo bedre justering, jo høyere topp-til-topp-forhold for den trekantede modulasjonen, og jo mer går refleksjonstoppen (dalen) mot null. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
8. Etalon karakterisering
- For evaluering av det produserte etalonet, bruk samme fiberoptiske oppsett som beskrevet i trinn 5. Bruk et målesystem som er i stand til temperaturjustering av laseren trinnvis og med tilstrekkelig dataloggingshastighet.
MERK: Et FPGA-basert system brukes her (se Materialfortegnelse). - Beregn den teoretiske FSR. Avhengig av laseren som brukes (se temperaturinnstillingskoeffisienten), utfør et temperatursveip som tilsvarer minst to FSR. Øk temperaturen trinnvis (trinn på ~ 0,005 ° C), og la TEC slå seg ned i 2-3 s før du måler for ytterligere 2-3 s hver gang.
- Behandle dataene med et hvilket som helst numerisk beregningsprogram. Bruk et hvilket som helst signalbehandlingsbibliotek med en integrert toppsøker. Avstanden mellom to påfølgende topper representerer FSR. Beregn FWHM ved å evaluere bredden på toppen i halv høyde.
MERK: Siden beregningen av FSR og FWHM er sterkt avhengig av dataformatet, er ingen kode gitt her, men den kan gjøres tilgjengelig av forfatteren på forespørsel. - Konverter temperaturen til bølgelengde ved å bruke temperaturinnstillingskoeffisienten til laseren.
- Beregn FSR så vel som FWHM fra målingene (figur 7).
- Beregn finessen til den fabrikkerte FPE med følgende formel:
.
.Representative Results
Som det fremgår av figur 7, kan en FPE med en veldefinert refleksjonsfunksjon fremstilles.
Figur 7: Målt reflektansfunksjon av ferdig FPE. Et temperatursveip, tilsvarende et bølgelengdesveip av laseren, ble utført for å måle refleksjonsfunksjonen til FPE. Dette brukes til å evaluere beregninger som full bredde ved halv maksimum (FWHM) og fritt spektralområde (FSR) for den fabrikkerte enheten. Relativ refleksjon refererer til den relative andelen lys som reflekteres tilbake i fiberen etter å ha passert FPE. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
De målte beregningene til FPE er oppført i tabell 1 og sammenlignet med de beregnede verdiene til en ideell etalon med de samme spesifikasjonene. Formlene for en ideell FPE finner du i introduksjonsdelen.
| Målt | Ideell FPE | |
| Finesse | 12.8 | 17.1 |
| FWHM | 0,0268 nm | 0,0234 nm |
| FSR | 0,3441 nm | 0,4004 nm |
| Følsomhet | 14 1/nm | 21 1/nm |
Tabell 1: Sammenligning av de målte og beregnede beregningene for den fabrikkerte FPE-etalonen.
For å validere egnetheten for en utpekt applikasjon, brukes FPE til PTI-målinger av vanndamp i omgivelsesluft. Derfor ledes en eksitasjonslaser med en bølgelengde på 1,364 nm inn i cellen vinkelrett på sondelaseren. Begge laserne krysser inne i FPE. Excitasjonslaseren moduleres sinusformet med en frekvens på 125 Hz. Ved å stabilisere sondelaseren i den bratteste skråningen på FPE, via konstant strøm, oppnås sensorens høyeste følsomhet. For vanndampmålinger drives cellen med åpne vinduer og utsettes for omgivelsesluft med en konsentrasjon på 13 762 ppmV, målt av en referanseenhet (temperatur = 21,4 °C, trykk = 979,9 hPa, relativ fuktighet = 52,2%). Signalet trekkes ut ved hjelp av en rask Fourier-transformasjon (FFT) og sammenlignes med bakgrunnssignalet med eksitasjonslaseren slått av, som vist i figur 8. Et signal-støy-forhold på mer enn 7000 kan oppnås, tilsvarende en deteksjonsgrense på ca. 5 ppmV (3σ).
Figur 8: PTI-målinger av vanndamp i omgivelsesluft. I svart vises FFT-signalet for en måling med 125 Hz lasereksitasjon. I blått er bakgrunnssignalet uten eksitasjon avbildet. Innfellingen viser den målte toppen ved 125 Hz mer detaljert. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Supplerende kodefil 1: Measurement_cell. SLDPRT. CAD-fil for målecellen. Cellen kan tilpasses kravene til den spesifikke applikasjonen og deretter 3D-printes. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 2: cap_etalon. SLDPRT. CAD-fil for å feste etalon inne i målecellen. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 3: cap_window. SLDPRT. CAD-fil for å feste laservinduene på målecellen. Klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
Siden FPE som er produsert etter protokollen gitt her er optimalisert for en bestemt applikasjon, forklares mulige tilpasninger og kritiske trinn i dette kapittelet. Først av alt er FPE og målecellen designet for PTI-målinger. Derfor tilsettes et gassinntak og utløp, samt en kanal for eksitasjonslaseren, som er vinkelrett på sondelaseren, til cellen. Alle åpningene i cellen er enten gjort lufttette via O-ringer og / eller dekket via UVFS-vinduer for å tillate laserutbredelse. Hvis den brukes annerledes, kan cellen, som gitt i tilleggskodingsfil 1, redesignes og tilpasses den spesifikke applikasjonen. Trådene i trinn 1.4 er gjort etter utskrift. Gjengene kan også 3D-printes, men siden disse har en tendens til å slites ut raskt, skrives det bare ut hull med riktig kjernehulldiameter, og disse gjenges etterpå.
Valg av materiale til avstandsstykkene i trinn 2.1 er avgjørende. Parallelliteten til avstandsstykkene bestemmer parallelliteten til etalonspeilene og påvirker dermed finesse7. Et 1/2 tommers UVFS-presisjonsvindu, som angitt i materialfortegnelsen, med en parallellitet på ≤5 buesek og en overflateflathet på λ/10 over den klare blenderåpningen ble brukt i denne studien. Koeffisienten for termisk ekspansjon av UVFS er 0,55 x 10-6 / ° C. Temperaturstabiliteten kan økes ytterligere ved å bruke for eksempel Zerodur5 avstandsstykker, med en termisk ekspansjonskoeffisient lavere enn 0,1 x 10−6/°C; Dette har imidlertid ulempen med høyere kostnader.
FPE er dannet av ett fullt reflekterende speil, samt en strålesplitter. Beamsplitteren har en 70% reflekterende overflate, samt en antirefleksbelagt bakside. Dette muliggjør kobling av lyset inn og ut av etalonen. I tillegg har strålesplitterens substrat en kilt side for å forhindre uønskede etaloneffekter. Baksiden av speilet er grovt av samme grunner.
I trinn 5.1 beskrives det optoelektroniske oppsettet for sporing av justeringsprosessen. Alle fibrene som brukes er standard SMF-28-fibre med FC / APC-kontakter. På grunn av den utpekte applikasjonen for PTI var en balansert fotodetektor lett tilgjengelig i denne studien, men dette er ikke nødvendig generelt. En konvensjonell fotodetektor kan brukes i stedet; I dette tilfellet er det foreldet å bruke en 1 x 2 kobler. Disse endringene påvirker ikke de andre komponentene i oppsettet, som vist i figur 5. Den trekantede strømmodulasjonen til sondelaseren, som beskrevet i trinn 5.4, tilsvarer et bølgelengdesveip. Et strømområde som er tilstrekkelig til å feie over minst en refleksjonstopp på FPE må velges. Derfor kan en FSR tjene som en tommelfingerregel. Beregninger for FSR av en ideell FPE finner du i introduksjonsdelen. Sammen med laserens nåværende innstillingskoeffisient (nm / mA), gitt i den respektive håndboken, kan det nåværende området som dekker en FSR beregnes. Som et eksempel hadde laseren som ble brukt i dette arbeidet en nåværende innstillingskoeffisient på 0,003 nm / mA og sendt ut ved en bølgelengde på 1,550 nm. Den forventede FSR for en ideell FPE med 3 mm speilavstand, d, er omtrent 0,4 nm. Dette gir et nåværende innstillingsområde på 133 mA.
I dette arbeidet ble modulasjonsfrekvensen satt til 100 Hz for praktisk visning på oscilloskopet. Siden det ønskede strøminnstillingsområdet er ganske stort, kan en fastfiberdemper brukes til å holde seg innenfor effektgrensene til den brukte detektoren. Demperen kan monteres rett etter isolatoren.
Det UV-herdende limet som brukes i trinn 6 og trinn 7 er gjennomsiktig for laserlys og har en brytningsindeks på 1,56. Justeringsprosessen, som beskrevet i trinn 7.1, er avhengig av den tilgjengelige fotodetektoren. Den balanserte detektoren som brukes i dette oppsettet genererer en negativ spennings "Signal" -utgang. Av generelle grunner antas en positiv spenningsutgang for beskrivelsen av trinn 7.10 og i figur 6. For et godt justert etalon vil refleksjonstoppen gå mot null, mens den trekantede funksjonen vil øke topp-til-topp-forholdet.
For etalonkarakteriseringen i trinn 8.1 brukes numerisk beregningsprogramvare (se Materialfortegnelse). Den målte spenningen for hvert temperaturtrinn er gjennomsnittet og plottet, som vist i figur 7. For å konvertere temperaturtrinnene til bølgelengdetrinn, brukes temperaturinnstillingskoeffisienten til sondelaseren. Signalanalysebiblioteker har integrerte toppsøkingsalgoritmer, som kan brukes til dette formålet. Siden dataanalysen sterkt avhenger av dataformatet, er det ikke gitt noen kode her, men den kan gjøres tilgjengelig av den tilsvarende forfatteren på forespørsel.
En mulig begrensning av fabrikasjonsteknikken som presenteres her er termisk og mekanisk stabilitet i skiftende miljøer. Siden omfanget av dette instruksjonsdokumentet er den rimelige prototypingen av FPE-er for laboratorieapplikasjoner, er det ikke gitt noen tester angående mekanisk og temperaturstabilitet her. Hvis FPE brukes til mobile applikasjoner eller i skiftende miljøer, må det tas ytterligere tiltak for å mekanisk stabilisere fiber-GRIN-linsesystemet i forhold til etalon.
En ny metode for å fremstille og karakterisere en FPE er demonstrert her med standard optiske komponenter tilgjengelig i alle fotoniske laboratorier. Den presenterte FPE har en finesse på ca. 15 og en følsomhet som er tilstrekkelig til å oppdage ca. 5 ppmV vanndamp. I tillegg til den presenterte applikasjonen for PTI, kan denne FPE brukes i applikasjoner som å bygge optiske mikrofoner 20, som ofte brukes innen ikke-destruktiv testing 23, brytningsindeksmålinger 24,25 eller hygrometre 26, for bare å nevne noen.
Disclosures
Det er ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Arbeidet som presenteres her ble utført innenfor rammen av det FFG-finansierte prosjektet "Green Sensing" og NATO SPS-programmet "Photonic Nano Particle Sensors for Detecting CBRN events". Arbeidet ble også støttet av 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.
