Summary
Detta protokoll beskriver konstruktionen av en billig, diskret, fiberkopplad och luftfördelad Fabry-Perot-etalon med olika tillämpningar, såsom i spårgasspektroskopi. Tillverkningen är möjlig i alla anläggningar med standard optisk laboratorieutrustning tillgänglig.
Abstract
Fabry-Pérot etalons (FPE) har hittat sin väg in i många applikationer. Inom områden som spektroskopi, telekommunikation och astronomi används FPE för deras höga känslighet såväl som deras exceptionella filtreringsförmåga. Luftfördelade etaloner med hög finess byggs emellertid vanligtvis av specialiserade anläggningar. Deras produktion kräver ett renrum, speciell glashantering och beläggningsmaskiner, vilket innebär att kommersiellt tillgängliga FPE säljs till ett högt pris. I denna artikel presenteras en ny och kostnadseffektiv metod för att tillverka fiberkopplade FPE:er med standardfotonisk laboratorieutrustning. Protokollet bör fungera som en steg-för-steg-guide för konstruktion och karakterisering av dessa FPE. Vi hoppas att detta kommer att göra det möjligt för forskare att genomföra snabb och kostnadseffektiv prototypning av FPE för olika användningsområden. FPE, som presenteras här, används för spektroskopiska applikationer. Som visas i det representativa resultatavsnittet via principbevismätningar av vattenånga i omgivande luft, har denna FPE en finess på 15, vilket är tillräckligt för fototermisk detektering av spårkoncentrationer av gaser.
Introduction
I sin mest grundläggande form består en FPE av två planparallella delvis reflekterande spegelytor1. I följande förklaringar, när man hänvisar till speglar, behandlas det optiska substratet och den reflekterande beläggningen som en. I de flesta applikationer har speglarna som används en kilad yta2 för att förhindra oönskade etaloneffekter. Figur 1 illustrerar bildandet av interferensmönstret för en luftfördelad etalon (figur 1A), liksom reflektansfunktionen för olika spegelreflektiviteter (figur 1B).
Ljuset kommer in i hålrummet genom en spegel, genomgår flera reflektioner och lämnar kaviteten genom reflektion såväl som överföring. Eftersom denna artikel fokuserar på tillverkningen av en FPE som drivs i reflektans, hänvisar de ytterligare förklaringarna specifikt till reflektion. Vågorna som lämnar kaviteten stör, beroende på fasskillnaden, q = 4πnd/λ. Här är n brytningsindex inuti kaviteten, d är spegelavståndet och λ är våglängden för interferometerns ljuskälla, här kallad sondlasern. En minsta reflektans inträffar när den optiska vägskillnaden matchar heltalsmultipeln av våglängden, 
. Finessen hos en idealisk planparallell etalon bestäms av spegelreflektiviteterna R1 och R2 endast3:
En verklig etalon är emellertid föremål för många förluster, vilket försämrar den teoretiskt uppnåbara finessen 4,5,6. Avvikelse från spegelparallelliteten7, icke-normal förekomst av laserstrålen, strålform8, föroreningar i spegelytan och spridning, bland andra, leder till en minskning av finessen. Det karakteristiska interferensmönstret kan beskrivas med Airy-funktionen1:
Hela bredden vid halv maximum (FWHM), liksom det fria spektralområdet (FSR) för reflektansfunktionen, kan beräknas enligt följande:
Figur 1: Fabry-Pérot-interferometerteori . (A) En schematisk avbildning av flerstråleinterferensen för en luftfördelad etalon med kilade fönster. En plan våg, E0, kommer in i kaviteten under en viss vinkel, φ, genom en antireflexbelagd yta (AR) och genomgår därefter flera reflektioner mellan de högreflekterande (höga R) ytorna åtskilda på ett avstånd, d. Med varje reflektion är en del av ljuset frikopplat från etalonen antingen i överföring eller reflektion, där det stör de andra vågorna. (B) Reflektansfunktionen hos en ideal Fabry-Pérot-etalon för olika spegelreflektiviteter (y-axeln). Klicka här för att se en större version av denna figur.
FPE finns i ett brett spektrum av applikationer 9,10,11. I det fall som presenteras här används FPE i en fototermisk interferometri (PTI) -inställning. I PTI mäts små densitets- och därmed brytningsindexförändringar, inducerade av den periodiska excitationen följt av snabb termalisering av en målgas via en andra laser, interferometriskt12. Mängden värme och därmed storleken på brytningsindexförändringen är proportionell mot gaskoncentrationen. Vid mätning av intensiteten hos FPE:s reflektansfunktion vid dess brantaste punkt (driftpunkt) förskjuter dessa brytningsindexförändringar reflektansfunktionen och ändrar därmed den uppmätta intensiteten. Eftersom reflektansfunktionen kan antas vara linjär i området runt driftpunkten är den uppmätta signalen då proportionell mot gaskoncentrationen. Sensorns känslighet bestäms av reflektansfunktionens lutning och är därför proportionell mot finessen. PTI, i kombination med FPE, har visat sig vara en känslig och selektiv metod för att detektera spårmängder av gaser och aerosoler 13,14,15,16,17,18. Tidigare förlitade sig många sensorer för tryck och akustiska mätningar på användningen av rörliga delar, som membran, som ersatte den andra spegeln i FPE19. Avböjningar av membranet leder till en förändring i spegelavståndet och därmed den optiska väglängden. Dessa instrument har nackdelen att de är utsatta för mekaniska vibrationer. Under de senaste åren har utvecklingen av optiska mikrofoner med fasta FPE nått en kommersiell nivå20. Genom att avstå från användning av rörliga delar förändrades mätstorheten från avstånd till brytningsindex inuti Fabry-Pérot-kaviteten, vilket ökade sensorernas robusthet avsevärt.
Kommersiellt tillgängliga FPE:er med luftavstånd kostar utöver vad som är acceptabelt för prototyper och testning, samt integrering av produktionsinstrument med hög volym. De flesta vetenskapliga publikationer som konstruerar och använder sådana FPE diskuterar ämnet tillverkning endast minimalt21,22. I de flesta fall krävs särskild utrustning och maskiner (t.ex. renrum, beläggningsanläggningar osv.). till exempel, för helt fiberintegrerade FPE: er är speciell mikrobearbetningsutrustning nödvändig. För att minska tillverkningskostnaderna och möjliggöra testning av flera olika FPE-konfigurationer för att förbättra deras lämplighet för PTI-inställningar utvecklades en ny tillverkningsmetod som beskrivs i detalj i följande protokoll. Genom att endast använda kommersiellt tillgängliga, standardfiberoptiska och fiberoptiska telekomkomponenter kan tillverkningskostnaderna minskas till mindre än 400 euro. Varje anläggning som arbetar med standardfotonisk utrustning ska kunna reproducera vårt tillverkningsschema och anpassa det till deras tillämpningar.
Protocol
1. Tredimensionell utskrift av mätcellen
- Anpassa mätcellen, som anges i kompletterande kodningsfil 1, till din applikation. Tredimensionellt tryck cellen samt locken, som anges i kompletterande kodningsfiler 1-3, för montering av bulkoptiska material.
OBS: En SLA 3D-skrivare användes för den aktuella studien (se materialförteckning). - När du genererar utskriftsjobbet, se till att minimera antalet stödstrukturer inuti hålrummen och öppningarna. Restharts kan minska diametern och bulkoptiken kan fastna.
- Efter utskrift, rengör cellen med isopropylalkohol och ta bort alla stödstrukturer med en trådskärare och sandpapper.
- Trä lämpliga hål direkt efter utskrift och före härdning.
- Trä gasinloppet och utloppet som M5 för att montera slanganslutningen.
- Trä det centrala hålet längst ner som M4 för eftermontering av cellen.
- Trä de mindre genomgående hålen vinkelrätt i burstångens genomgående hål som M3 för att möjliggöra fixering av cellen till bursystemet (figur 2).
- UV-härda cellen (405 nm) och kapsylerna vid 60 °C i minst 40 minuter med hjälp av en kommersiellt tillgänglig UV-härdningsanordning (se materialförteckning).
Figur 2: Märkt CAD-modellåtergivning av mätcellen. En sektionsvy finns här för mer tydlighet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
2. Förbereda distanserna
- Skär ut två distanser ur ett UV-smält kiseldioxidfönster (UVFS). Klipp ut två stycken med ca 3 mm bredd från precisionsfönstret, såsom visas i figur 3B.
OBS: Distanserna kan skäras med en konventionell billig glasskärare (se materialförteckning).
VARNING: Använd handskar och skyddsglasögon när du skär och hanterar bulkoptiken. - Skriv en rak linje på precisionsfönstret med skärverktyget och bryt sedan glaset med en tång. Använd alltid en tång med plana ytor och placera linsrengörande näsdukar (eller liknande) mellan metallen och glaset för att förhindra skador på glasytan.
- Rengör distanserna med en dammspray för att ta bort kvarvarande glasskräp.
OBS: Dessutom kan distanserna torkas försiktigt med linsrengöringsvätska samt linsrengörande vävnader utan att applicera tryck.
3. Montering av etalon
- Placera den 3D-utskrivna cellen (steg 1) på bordet med etalongropen uppåt.
- Sätt in en O-ring (10 mm x 1 mm, se Materialförteckning) i etalongropen och tryck den något i det avsedda spåret.
- Placera stråldelaren med den reflekterande ytan uppåt i etalongropen och på O-ringen.
- Placera försiktigt de två distanserna på balkdelaren med en pincett. Placera dem på ett sätt som genererar en tydlig öppning för gas- och excitationslasern, som kommer in i luftkaviteten via det genomgående hålet som löper från ena sidan av cellen till den andra (figur 2, nummer 3).
Anmärkning: Distanserna måste placeras på varje sida för att erhålla en lufthålighet i mitten, såsom visas i figur 3B. Ta bara tag i distanserna på sidoytorna för att undvika repor på de parallella ytorna. - När distanserna är på plats, rikta in spegeln ovanpå dem, med den reflekterande sidan nedåt. Beamsplitter, distanser och spegel måste justeras koncentriskt nu.
- Ta det 3D-printade etalonlocket och sätt båda O-ringarna (10 mm x 1 mm och 14 mm x 2 mm) i de avsedda spåren.
- Rikta in locket mot cellens rektangulära spår och placera det ovanpå spegeln.
- Tryck på locket för att fixera distanserna på plats. Lyft cellen medan du alltid trycker på locket och sätt in fyra M4-skruvar genom de avsedda hålen från baksidan.
- Montera dem med fyra M4-muttrar på framsidan och dra åt dem tills trycket från locket är tillräckligt för att hålla distanserna på plats och O-ringarna är tillräckligt komprimerade.
- Kontrollera om distanserna fortfarande är på plats; Om så är fallet är Etalon nu redo för vidare användning.
- Använd de två extra 3D-utskrivna locken för att montera laserfönster på sidan av mätcellen för att göra cellen gastät. Placera därför en O-ring (10 mm x 1 mm) i det avsedda spåret på cellen och en annan (10 mm x 1 mm) på locket. Placera fönstret i spåret och fixera fönsterlocket med fyra M3-skruvar och muttrar, som visas i figur 2, nummer 2).
Figur 3: Återgivning av mätcellen och FPE. (A) Återgivning av monteringsprocessen för den 3D-utskrivna cellen samt FPE med motsvarande monteringslock. (B) Återgivning av de bulkoptiska komponenterna i rätt ordning. Distanserna skapar ett luftförspänt hålrum mellan de två spegelytorna. Klicka här för att se en större version av denna figur.
4. Montering av fiberinriktningsplattformen
- Montera stegen och adapterplattorna enligt listan i materialtabellen. Använd figur 4 som orientering under konstruktionen.
- Montera det första enaxliga goniometriska steget på en optisk breadboard i x-riktningen.
OBS: Axelnomenklaturen valdes godtyckligt. Det optiska breadboardplanet definieras som ett xy-plan, med den vertikala riktningen vänd ut ur brödbrädan i en positiv z-riktning. - Beroende på vilka steg som används, montera en adapterplatta ovanpå det goniometriska steget, om det behövs.
- Montera ett tvåaxligt xy-mikrometeröversättningssteg centralt ovanpå adapterplattan.
- Montera ett rätvinkligt fäste på översättningssteget vänt i y-riktningen.
- Montera ett enaxligt översättningssteg på det rätvinkliga fästet i z-riktningen.
- Använd ytterligare adapterplattor och montera det andra goniometriska steget i z-riktningen på översättningssteget.
- Fäst en fiberhylsklämma ovanpå en stolpe. Välj längden på stolpen så att fiberhylsan är exakt vid rotationspunkten för det andra vertikala goniometriska steget. Avståndet anges i scenens manual.
- Fiberhylsans ytterdiameter är 2,8 mm. Om ingen klämma för denna diameter är tillgänglig, använd en 2,5 mm klämma och bredda den med en borr.
- Montera stolpen med hylsklämman på det andra vertikala goniometriska steget i ett z-läge som motsvarar rotationspunkten för det första horisontella goniometriska steget från steg 4.2.
- Se till att hylshylsan och GRIN-linsen sticker ut ur hylsklämman med några millimeter i negativ z-riktning.
- Välj stolpens vertikala position så att GRIN-linsens spets är vid det goniometriska stegets rotationspunkt.
- För att montera etalonen, ta en stolpe, montera en rätvinklig konsol på den och fäst en standard SM1-gängad 30 mm burplatta på den. Montera fyra burstänger (>40 mm) på plattan vänd i positiv z-riktning.
- Ta fyra metallfjädrar med en innerdiameter som är något större än burstångens diameter och placera en på varje burstång. Skjut mätcellen med integrerad FPE på stavarna med balkdelarsidan uppåt tills den vilar på fjädrarna.
OBS: Se till att cellen kan röra sig fritt i z-riktningen. Om friktionen är för hög är ytterligare breddning av cellens genomgående hål för burstängerna nödvändig. Detta görs bäst med en rund fil. - Montera stolpen, via en stolphållare, en basplatta och en klämgaffel, precis under fiberjusteringsplattformen. Se till att cellens öppning, som exponerar balkdelaren, är centrerad cirka 10 mm under hylshållaren (steg 4.5).
Figur 4: Bild av uppriktningsplattformen med GRIN-linskopplad FPE under UV-härdningsprocessen. Komponenterna skrivna i grått är för PTI-mätningar och är inte nödvändiga för uppriktningsprocessen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
5. Opto-elektronisk installation
- Montera de optoelektroniska komponenterna enligt materialförteckningen och ordna dem enligt schematisk bild i figur 5.
- Montera de fiberoptiska komponenterna på en optisk kopplingsplatta med motsvarande komponentbrickor.
- Montera lasern på ett laserdiodfäste. Anslut laserkällan till en laserdrivrutin och TEC (termoelektrisk kylare) styrenhet med en integrerad moduleringsfunktion (triangulär modulering); Annars är en extra funktionsgenerator nödvändig.
- Ställ in den triangulära strömmodulationsamplituden på ett sätt så att ett våglängdsområde täcks som ligger långt över etalonens förväntade FWHM (beräkningar finns i diskussionsavsnittet). Ställ in moduleringsfrekvensen på cirka 100 Hz.
- Anslut laserns optiska utgång till isolatorns ingång med hjälp av kopplingshylsor med L-fäste.
- Montera en 15 dB fiberoptisk dämpare efter isolatorn och anslut den till ingångsporten på 1 x 2-kopplingen.
- Anslut kopplarens utgångsport med 90% optisk ström till port 1 på den optiska cirkulatorn.
- Anslut kopplarens utgångsport med 10% optisk effekt till referensfotodioden på den balanserade detektorn.
- Anslut port 2 på cirkulationspumpen till det pigtailed ferrule-GRIN-linssystemet.
- Anslut port 3 till detektorns signalfotodiod.
- Ställ in den balanserade detektorn i "Auto-Balanced" -läge. Anslut detektorns elektriska "signal" -utgång till en kanal i oscilloskopet med en BNC-kabel.
Figur 5: Skiss över den optoelektroniska inställningen för anpassningsförfarandet. De röda linjerna representerar optiska fibrer, de svarta linjerna är elektroniska kablar och den blå strålen är sondlasern. En balanserad detektor används här, men denna kan ersättas med en konventionell fotodetektor. Därför kan 1 x 2-kopplingen utelämnas. Klicka här för att se en större version av denna figur.
6. Fiber-GRIN-linsjustering
- Montera hylsklämman på en stolpe och fäst den via en stolphållare på en optisk brödbräda.
- Fäst fiberhylsan i en hylsklämma. Som nämnts i steg 4.6, bredda hylsklämman med en borr om det behövs.
- Fyll en pipett med UV-härdande lim (se Materialförteckning).
VARNING: Använd handskar och glasögon när du hanterar bulkoptiken samt UV-härdande lim. - Ta den pigtailed fiberhylsan och tillsätt en droppe lim på hylsans sidoyta. Håll hylsans framsida ren.
- Sätt in hylsan i hylshylsan. Se till att sätta in hylsan tillräckligt djupt så att GRIN-linsens främre ände är minst 1-2 mm utanför hylshylsan.
- Applicera en mycket snabb förhärdning med en UV-lampa (~ 10 s). Lys bara ljuset från baksidan (fiberänden av hylsan) för att fästa hylsan på hylsan utan att härda något lim på hylsans främre ände.
- Ta GRIN-linsen och hitta den kilade sidan. Detta kan göras med ett mikroskop eller genom att helt enkelt vrida det. Därmed blir den 8° kilade sidan synlig.
- Applicera ett dropplim på den kilade änden av GRIN-linsen och sätt in den i hylshylsan.
OBS: Genom att applicera lätt tryck lämnar luften hålrummet mellan hylsan och GRIN-linsen. Det får inte finnas några luftbubblor inneslutna mellan de två ytorna. Om det finns kan lätt vridning hjälpa; annars tar du bort GRIN-linsen och upprepar steg 6.8. - Vrid GRIN-linsen försiktigt tills de två vinklade ytorna är parallella.
- Montera en strålanalysator ca 150 mm framför GRIN-linsen. Om ingen strålanalysator är tillgänglig kan en effektmätare med ett pinhål framför användas.
- Anslut den pigtailed hylsan till en laser med lämplig våglängd. Slå på lasern.
VARNING: Lasersäkerhetsåtgärder måste vidtas. - Använd pincett och flytta GRIN-linsen något ur hylshylsan för att ändra avståndet mellan hylsan och GRIN-linsen. Detta avstånd är avgörande för att ställa in systemets brännvidd. När du flyttar GRIN-linsen, övervaka ständigt strålformen (eller optisk effekt).
OBS: En kort förhärdning (~ 10 s) kan hjälpa om justeringsprocessen är för instabil. - När systemet är fokuserat på önskat optimalt sätt, applicera den slutliga härdningen genom att utsätta den för UV-ljus i cirka 10 minuter.
- Efter härdning, ta bort hylshylsan från klämman; Vid denna tidpunkt är den redo för vidare användning.
7. Fiber-etalon inriktning
- Ta pigtailed hylsan och GRIN-linssystemet från steg 5 och montera den med hylsklämman från steg 4.5.
- Se till att översättningssteget i z-riktningen flyttas till sin maximala höjd och att alla andra steg är i neutrala (centrerade) lägen.
- Rikta in cellen under den. Se till att GRIN-linsen pekar direkt mot mitten av öppningen. Fäst cellens position på en höjd något under GRIN-linsen (ca 5 mm).
- Applicera en eller två droppar lim på framsidan av GRIN-linsen med pipetten.
- Sänk ner i översättningssteget i z-riktningen tills kontakt med balkdelarens antireflexbelagda yta säkerställs. Fortsätt att sänka GRIN-linsen tills tillräckligt tryck appliceras och fjädrarna är under tillräcklig spänning.
OBS: Detta säkerställer att kontakten mellan GRIN-linsen och stråldelaren bibehålls under lutningsprocessen för inriktningen. Mängden tryck som krävs beror på inställningen och kan justeras under inriktningen om ingen rimlig reflektansfunktion kan observeras. Erfarenheten har visat att mer tryck vanligtvis hjälper anpassningsprocessen. - Slå på den modulerade lasern såväl som oscilloskopet. Se till att oscilloskopet har högsta möjliga upplösning
när du startar justeringsprocessen. Ställ in tidsupplösningen så att två till tre perioder av moduleringen är synliga. - Starta justeringsprocessen genom att se till att GRIN-linsen pekar normalt på stråldelarens yta. Detta kan göras genom visuell inspektion och vridning av goniometriska steg i enlighet därmed. Detta är nu nollpositionen.
- Steg för steg, avböj ett goniometriskt steg något och flytta sedan det andra goniometriska steget runt nollpositionen.
- Om ingen förändring kan observeras på oscilloskopet, avböj det första goniometriska steget något mer och upprepa denna iterativa process tills den triangulära moduleringen blir synlig på oscilloskopet.
- Om du observerar en hysteres av signalen efter stegens rörelser, kontrollera om alla komponenter är ordentligt fixerade.
OBS: En ökning av trycket som orsakas av att flytta z-steget nedåt kan också hjälpa. Om signalen som observeras inte är så stark som förväntat kan ryggreflektionen komma från en av etalons ytor eller en av reflektansfunktionens perifera toppar. Som en tumregel, med en 70% stråldelare och en helt reflekterande spegel, är de observerade toppreflektionerna i storleksordningen 25% av den optiska effekten som införs i etalonen.
- När en stark ryggreflektion har observerats, justera oscilloskopets upplösning och se till att toppen av etalons reflektansfunktion sitter centralt på de triangulära moduleringssluttningarna (figur 6). Ställ in etalons topp genom att ändra laserns temperatur tills toppen är centrerad på lutningen.
- Försök att maximera toppstyrkan (minsta spänning) samtidigt som du maximerar topp-till-topp-förhållandet för den triangulära moduleringen genom små rörelser av de goniometriska stegen.
- När justeringsprocessen är klar, montera UV-lampan nära GRIN-linsen. Använd ett självcentrerande objektivfäste i en vinkel på 45°.
- Utför härdningen stegvis. Bota först limet som redan har applicerats i steg 7.4. Fortsätt övervaka reflektansfunktionen på oscilloskopet. Om härdningen leder till en nedbrytning av inriktningen på grund av krympning av limet, justera de goniometriska stegen något.
- Efter 5-10 minuter, stäng av UV-lampan och applicera mer lim runt GRIN-linsen utan att röra den. Utsätt häftämnet för UV-ljus i ytterligare 5-10 minuter. Upprepa detta steg tills cellens öppning är helt fylld med ett homogent limskikt. Utför den slutliga botemedel i mer än 1 h.
- För att säkerställa en korrekt anslutning av de limmade komponenterna, låt antingen hela installationen vila i 1 vecka eller temperera limfogen vid 60 °C i 1 timme, om möjligt.
- Nu kan hylshylsan tas bort från klämman. Flytta därför översättningssteget i en positiv z-riktning tills fjädrarna är helt avslappnade. Undvik stress på hylsa-GRIN-linssystemet; Öppna klämman och ta bort den. Nu är etalon färdig och redo för vidare användning.
när du startar justeringsprocessen. Ställ in tidsupplösningen så att två till tre perioder av moduleringen är synliga.
Figur 6: Exemplifierande, generisk oscilloskopsignal. I grönt visas en bra inriktning, och i gult visas en sämre. Ju bättre inriktning, desto högre topp-till-topp-förhållande för den triangulära moduleringen, och desto mer går reflektanstoppen (dalen) mot noll. Klicka här för att se en större version av denna figur.
8. Etalon karakterisering
- För utvärdering av det producerade etalonet, använd samma fiberoptiska inställning som beskrivs i steg 5. Använd ett mätsystem som kan temperaturställa lasern stegvis och med tillräcklig dataloggningshastighet.
OBS: Ett FPGA-baserat system används här (se materialförteckning). - Beräkna den teoretiska FSR. Beroende på vilken laser som används (se temperaturjusteringskoefficient), utför ett temperatursvep motsvarande minst två FSR. Öka temperaturen stegvis (steg om ~ 0,005 ° C) och låt TEC nöja sig med 2-3 s innan du mäter i ytterligare 2-3 s varje gång.
- Bearbeta data med valfritt numeriskt beräkningsprogram. Använd valfritt signalbehandlingsbibliotek med en integrerad toppsökare. Avståndet mellan två efterföljande toppar representerar FSR. Beräkna FWHM genom att utvärdera toppens bredd vid dess halva höjd.
OBS: Eftersom beräkningen av FSR och FWHM är starkt beroende av dataformatet ges ingen kod här, men den kan göras tillgänglig av författaren på begäran. - Konvertera temperaturen till våglängd med hjälp av laserns temperaturjusteringskoefficient.
- Beräkna FSR och FWHM från mätningarna (figur 7).
- Beräkna finessen hos den tillverkade FPE med följande formel:
.
.Representative Results
Som framgår av figur 7 kan en FPE med en väldefinierad reflektansfunktion tillverkas.
Figur 7: Uppmätt reflektansfunktion för det färdiga FPE. Ett temperatursvep, motsvarande ett våglängdssvep av lasern, utfördes för att mäta FPE: s reflektansfunktion. Detta används för att utvärdera mätvärden som full bredd vid halv maximal (FWHM) och det fria spektralområdet (FSR) för den tillverkade enheten. Relativ reflektans avser den relativa andelen ljus som återreflekteras i fibern efter att ha passerat FPE. Klicka här för att se en större version av denna figur.
De uppmätta mätvärdena för FPE listas i tabell 1 och jämförs med de beräknade värdena för en idealisk etalon med samma specifikationer. Formlerna för en idealisk FPE finns i introduktionsavsnittet.
| Mätt | Perfekt FPE | |
| Finess | 12.8 | 17.1 |
| FWHM | 0,0268 Nm | 0,0234 Nm |
| FSR | 0,3441 Nm | 0,4004 nm |
| Känslighet | 14 1/nm | 21 1/nm |
Tabell 1: Jämförelse av de uppmätta och beräknade mätvärdena för den tillverkade FPE-etalonen.
För att validera lämpligheten för en bestämd applikation används FPE för PTI-mätningar av vattenånga i omgivande luft. Därför styrs en excitationslaser med en våglängd på 1 364 nm in i cellen vinkelrätt mot sondlasern. Båda lasrarna skär inuti FPE. Excitationslasern moduleras sinusformat med en frekvens av 125 Hz. Genom att stabilisera problasern på FPE: s brantaste lutning, via konstant ström, uppnås sensorns högsta känslighet. För mätningar av vattenånga drivs cellen med öppna fönster och utsätts för omgivande luft med en koncentration på 13 762 ppmV, mätt med en referensanordning (temperatur = 21,4 ° C, tryck = 979,9 hPa, relativ luftfuktighet = 52,2%). Signalen extraheras med hjälp av en snabb Fouriertransform (FFT) och jämförs med bakgrundssignalen med excitationslasern avstängd, som visas i figur 8. Ett signal-brusförhållande på mer än 7 000 kan erhållas, vilket motsvarar en detektionsgräns på cirka 5 ppmV (3σ).
Figur 8: PTI-mätningar av vattenånga i omgivande luft. I svart visas FFT-signalen för en mätning med 125 Hz laserexcitation. I blått avbildas bakgrundssignalen utan excitation. Infällningen visar den uppmätta toppen vid 125 Hz mer detaljerat. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Kompletterande kodningsfil 1: Measurement_cell. SLDPRT. CAD-fil för mätcellen. Cellen kan anpassas till kraven i den specifika applikationen och därefter 3D-printas. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 2: cap_etalon. SLDPRT. CAD-fil för fixering av etalon inuti mätcellen. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 3: cap_window. SLDPRT. CAD-fil för fixering av laserfönstren på mätcellen. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Discussion
Eftersom FPE som tillverkas enligt protokollet som ges här är optimerat för en specifik applikation, förklaras möjliga anpassningar och kritiska steg i detta kapitel. Först och främst är FPE och mätcellen utformade för PTI-mätningar. Därför tillsätts ett gasinlopp och utlopp, liksom en kanal för excitationslasern, som är vinkelrätt mot sondlasern, till cellen. Alla öppningar i cellen görs antingen lufttäta via O-ringar och / eller täckta via UVFS-fönster för att möjliggöra laserutbredning. Om cellen används på ett annat sätt kan den, som anges i kompletterande kodningsfil 1, designas om och anpassas till den specifika applikationen. Gängningen i steg 1.4 görs efter utskrift. Gängorna kan också vara 3D-printade, men eftersom dessa tenderar att slitas ut snabbt, skrivs endast hål med lämplig kärnhålsdiameter ut, och dessa gängas efteråt.
Valet av material för distanserna i steg 2.1 är avgörande. Distansernas parallellitet bestämmer parallelliteten hos etalonspeglarna och påverkar därmed finessen7. Ett 1/2 tums UVFS-precisionsfönster, som anges i materialtabellen, med en parallellitet på ≤5 bågsekunder och en ytplanhet på λ / 10 över den tydliga bländaren användes i denna studie. UVFS-värmeutvidgningskoefficienten är 0,55 x 10-6 / ° C. Temperaturstabiliteten kan ökas ytterligare genom att använda till exempel Zerodur 5-distanser, med en värmeutvidgningskoefficient lägre än 0,1 x 10-6 / ° C; Detta har dock nackdelen med högre kostnader.
FPE bildas av en helt reflekterande spegel, liksom en stråldelare. Stråldelaren har en 70% reflekterande yta, samt en antireflekterande belagd baksida. Detta möjliggör koppling av ljuset in och ut ur etalonen. Dessutom har beamsplitterens substrat en kilad sida för att förhindra oönskade etaloneffekter. Spegelns baksida är grov av samma skäl.
I steg 5.1 beskrivs den optoelektroniska inställningen för att spåra justeringsprocessen. Alla fibrer som används är standard SMF-28-fibrer med FC / APC-kontakter. På grund av den utsedda applikationen för PTI var en balanserad fotodetektor lätt tillgänglig i denna studie, men detta är inte nödvändigt i allmänhet. En konventionell fotodetektor kan användas istället; I detta fall är det föråldrat att använda en 1 x 2-koppling. Dessa ändringar påverkar inte de andra komponenterna i installationen, som visas i figur 5. Sondlaserns triangulära strömmodulering, som beskrivs i steg 5.4, motsvarar ett våglängdssvep. Ett strömområde som är tillräckligt för att svepa över minst en reflektanstopp för FPE måste väljas. Därför kan en FSR fungera som en tumregel. Beräkningar för FSR för en idealisk FPE finns i introduktionsavsnittet. Tillsammans med laserns aktuella inställningskoefficient (nm/mA), som anges i respektive manual, kan strömområdet för en FSR beräknas. Som ett exempel hade lasern som användes i detta arbete en ströminställningskoefficient på 0,003 nm / mA och emitterades vid en våglängd på 1 550 nm. Den förväntade FSR för en idealisk FPE med 3 mm spegelavstånd, d, är ungefär 0,4 nm. Detta ger ett ströminställningsområde på 133 mA.
I detta arbete ställdes moduleringsfrekvensen in på 100 Hz för bekväm visning vid oscilloskopet. Eftersom det önskade ströminställningsområdet är ganska stort kan en dämpare med fast fiber användas för att hålla sig inom effektgränserna för den använda detektorn. Dämparen kan monteras direkt efter isolatorn.
Det UV-härdande limet som används i steg 6 och steg 7 är transparent för laserljus och har ett brytningsindex på 1,56. Uppriktningsprocessen, som beskrivs i steg 7.1, är beroende av den tillgängliga fotodetektorn. Den balanserade detektorn som används i denna inställning genererar en negativ spänning "Signal" -utgång. Av generalitetsskäl antas en positiv spänningsutgång för beskrivningen av steg 7.10 och i figur 6. För en välinriktad etalon kommer reflektanstoppen att gå mot noll, medan den triangulära funktionen ökar sitt topp-till-topp-förhållande.
För etalonkarakteriseringen i steg 8.1 används numerisk beräkningsprogramvara (se Materialförteckning). Den uppmätta spänningen för varje temperatursteg beräknas som medelvärde och plottas, såsom visas i figur 7. För att omvandla temperaturstegen till våglängdssteg används sondlaserns temperaturjusteringskoefficient. Signalanalysbibliotek har integrerade toppsökningsalgoritmer, som kan användas för detta ändamål. Eftersom dataanalysen starkt beror på dataformatet tillhandahålls ingen kod här, men den kan göras tillgänglig av motsvarande författare på begäran.
En möjlig begränsning av tillverkningstekniken som presenteras här är den termiska och mekaniska stabiliteten i föränderliga miljöer. Eftersom omfattningen av detta instruktionspapper är lågkostnadsprototyper av FPE för laboratorieapplikationer, ges inga tester avseende mekanisk och temperaturstabilitet här. Om FPE används för mobila applikationer eller i föränderliga miljöer måste ytterligare åtgärder vidtas för att mekaniskt stabilisera fiber-GRIN-linssystemet i förhållande till etalon.
En ny metod för att tillverka och karakterisera en FPE demonstreras här med optiska standardkomponenter tillgängliga i varje fotoniskt laboratorium. Den presenterade FPE har en finess på cirka 15 och en känslighet som är tillräcklig för att detektera cirka 5 ppmV vattenånga. Förutom den presenterade applikationen för PTI kan denna FPE användas i applikationer som att bygga optiska mikrofoner 20, som vanligtvis används inom området icke-destruktiv testning 23, brytningsindexmätningar 24,25 eller hygrometrar 26, för att bara nämna några.
Disclosures
Det finns inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Arbetet som presenteras här genomfördes inom ramen för det FFG-finansierade projektet "Green Sensing" och Natos SPS-program "Photonic Nano Particle Sensors for Detecting CBRN events". Arbetet stöddes också 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.
