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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |