Düşük maliyetli, fiber bağlantılı ve hava aralıklı Fabry-Pérot etalon imalatı

En temel haliyle, bir FPE iki düzlem-paralel kısmen yansıtan ayna yüzeylerinden oluşur¹. Aşağıdaki açıklamalarda, aynalara atıfta bulunurken, optik substrat ve yansıtıcı kaplama bir olarak ele alınmıştır. Çoğu uygulamada, kullanılan aynalar istenmeyen etalon etkilerini önlemek için bir kama yüzeyi^2'ye sahiptir. Şekil 1, hava aralıklı bir etalonun girişim paterninin oluşumunu (Şekil 1A) ve farklı ayna yansıtıcılıkları için yansıtma fonksiyonunu göstermektedir (Şekil 1B).

Işık boşluğa bir aynadan girer, birden fazla yansımaya maruz kalır ve boşluğu yansıma ve iletim yoluyla terk eder. Bu makale, yansıma içinde çalışan bir FPE'nin imalatına odaklandığından, diğer açıklamalar özellikle yansımaya atıfta bulunmaktadır. Boşluktan çıkan dalgalar, faz farkına bağlı olarak karışır, q = 4πnd / λ. Burada, n , boşluğun içindeki kırılma indisidir, d ayna aralığıdır ve λ, interferometrenin ışık kaynağının dalga boyudur, burada prob lazeri olarak adlandırılır. Optik yol farkı dalga boyunun tamsayı katıyla eşleştiğinde minimum yansıma oluşur. İdeal bir düzlem-paralel etalonun inceliği, sadece R₁ ve R₂ ayna yansıtıcılıkları ile belirlenir³:

Bununla birlikte, gerçek bir etalon, teorik olarak elde edilebilir incelik 4,5,6'yı bozan birçok kayba maruz kalır. Ayna paralelliğinin sapması⁷, lazer ışınının normal olmayan insidansı, ışın şekli⁸, ayna yüzeyi safsızlıkları ve saçılma, diğerlerinin yanı sıra, incelikte bir azalmaya yol açar. Karakteristik girişim paterni Airy fonksiyonu¹ ile tanımlanabilir:

Yarım maksimumdaki (FWHM) tam genişlik ve yansıtma fonksiyonunun serbest spektral aralığı (FSR) aşağıdaki gibi hesaplanabilir:

Resim 1: Fabry-Pérot interferometre teorisi . (A) Kamalı pencereleri olan hava aralıklı bir etalon için çok ışınlı girişimin şematik bir tasviri. Bir düzlem dalgası, E₀, boşluğa belirli bir açı altında, φ, yansıma önleyici (AR) kaplı bir yüzeyden girer ve daha sonra bir mesafede aralıklı yüksek yansıtıcı (yüksek R) yüzeyler arasında çoklu yansımalara maruz kalır, d. Her yansımada, ışığın bir kısmı, diğer dalgalara müdahale ettiği iletim veya yansımada etalondan ayrılır. (B) Farklı ayna yansıtıcılıkları (y ekseni) için ideal bir Fabry-Pérot etalonun yansıtma fonksiyonu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

FPE'ler çok çeşitli uygulamalarda bulunabilir 9,10,11. Burada sunulan durumda, FPE bir fototermal interferometri (PTI) kurulumunda kullanılır. PTI'da, periyodik uyarılma ve ardından ikinci bir lazer aracılığıyla bir hedef gazın hızlı termalizasyonu ile indüklenen küçük yoğunluk ve dolayısıyla kırılma indisi değişiklikleri, interferometrik olarak ölçülür¹². Isı miktarı ve dolayısıyla kırılma indisi değişiminin büyüklüğü gaz konsantrasyonu ile orantılıdır. FPE'nin yansıtma fonksiyonunun yoğunluğunu en dik noktasında (çalışma noktası) ölçerken, bu kırılma indisi değişiklikleri yansıtma fonksiyonunu değiştirir, böylece ölçülen yoğunluğu değiştirir. Yansıtma fonksiyonunun operasyon noktasının etrafındaki bölgede doğrusal olduğu varsayılabilirken, ölçülen sinyal daha sonra gaz konsantrasyonu ile orantılıdır. Sensörün hassasiyeti, yansıtma fonksiyonunun eğimine göre belirlenir ve bu nedenle incelikle orantılıdır. PTI, FPE'lerle kombinasyon halinde, eser miktarda gaz ve aerosol 13,14,15,16,17,18'i tespit etmek için hassas ve seçici bir yöntem olduğunu kanıtlamıştır. Geçmişte, basınç ve akustik ölçümler için birçok sensör, FPE^19'un ikinci aynasının yerini alan membranlar gibi hareketli parçaların kullanımına dayanıyordu. Membranın sapmaları, ayna mesafesinde ve dolayısıyla optik yol uzunluğunda bir değişikliğe yol açar. Bu aletler mekanik titreşimlere eğilimli olma dezavantajına sahiptir. Son yıllarda, katı FPE'ler kullanan optik mikrofonların geliştirilmesi ticari bir seviye^20'ye ulaşmıştır. Hareketli parçaların kullanımından kaçınarak, ölçüm mesafeden Fabry-Pérot boşluğunun içindeki kırılma indisine değişti ve böylece sensörlerin sağlamlığı önemli ölçüde arttı.

Ticari olarak temin edilebilen hava aralıklı FPE'ler, prototipleme ve test etmenin yanı sıra yüksek hacimli üretim cihazı entegrasyonu için kabul edilebilir olanın ötesinde maliyetlidir. Bu tür FPE'leri inşa eden ve kullanan çoğu bilimsel yayın, imalat konusunu sadece asgari düzeyde tartışmaktadır^21,22. Çoğu durumda, belirli ekipman ve makineler (örneğin, temiz odalar, kaplama tesisleri vb.) gereklidir; örneğin, tam fiber entegre FPE'ler için özel mikro işleme ekipmanı gereklidir. Üretim maliyetlerini azaltmak ve PTI kurulumlarına uygunluklarını artırmak için birden fazla farklı FPE konfigürasyonunun test edilmesini sağlamak için, aşağıdaki protokolde ayrıntılı olarak açıklanan yeni bir imalat yöntemi geliştirilmiştir. Yalnızca ticari olarak temin edilebilen, standart dökme optik ve telekom fiber optik bileşenler kullanılarak, üretim maliyetleri 400 € 'nun altına düşürülebilir. Standart fotonik ekipmanlarla çalışan her tesis, üretim planımızı yeniden üretebilmeli ve uygulamalarına uyarlayabilmelidir.

1. Ölçüm hücresinin üç boyutlu baskısı

1. Ölçüm hücresini, Ek Kodlama Dosyası 1'de verildiği gibi uygulamanıza uyarlayın. Toplu optik malzemelerin montajı için hücrenin yanı sıra Ek Kodlama Dosyaları 1-3'te verilen kapakları üç boyutlu yazdırın.
   NOT: Bu çalışma için SLA 3D yazıcı kullanılmıştır (bkz.
2. Yazdırma işini oluştururken, boşlukların ve açıklıkların içindeki destek yapılarının sayısını en aza indirdiğinizden emin olun. Artık reçine çapı azaltabilir ve yığın optikleri sıkışabilir.
3. Yazdırdıktan sonra, hücreyi izopropil alkolle temizleyin ve tüm destek yapılarını bir tel kesici ve zımpara kağıdı ile çıkarın.
4. Baskıdan hemen sonra ve kürlemeden önce uygun delikleri iplikleyin.
   1. Hortum konektörünü monte etmek için gaz girişini ve çıkışını M5 olarak geçirin.
   2. Hücrenin son montajı için alttaki merkezi deliği M4 olarak geçirin.
   3. Hücrenin kafes sistemine sabitlenmesini sağlamak için daha küçük geçiş deliklerini kafes çubuğuna dik olarak M3 olarak geçirin (Şekil 2).
5. Piyasada satılan bir UV kürleme cihazı kullanarak hücreyi (405 nm) ve kapakları 60 ° C'de en az 40 dakika boyunca UV ile kürleyin (bkz.

Şekil 2: Ölçüm hücresinin etiketli CAD modeli oluşturması. Daha fazla netlik için burada kesitsel bir görünüm sağlanmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

2. Ara parçaların hazırlanması

1. UV ile kaynaşmış silika (UVFS) hassasiyetli bir pencereden iki ara parça kesin. Şekil 3B'de gösterildiği gibi hassas pencereden yaklaşık 3 mm genişliğinde iki parça kesin.
   NOT: Ara parçalar, geleneksel düşük maliyetli bir cam kesici kullanılarak kesilebilir.
   DİKKAT: Yığın optiklerini keserken ve tutarken eldiven ve koruyucu gözlük takın.
2. Kesici aletle hassas pencereye düz bir çizgi çizin ve ardından pense kullanarak camı kırın. Her zaman düz yüzeyli pense kullanın ve cam yüzeyinin zarar görmesini önlemek için metal ile cam arasına lens temizleme mendilleri (veya benzeri) koyun.
3. Artık cam kalıntılarını temizlemek için ara parçaları bir duster spreyi ile temizleyin.
   NOT: Ek olarak, ara parçalar lens temizleme sıvısı ve lens temizleme mendilleri ile basınç uygulanmadan dikkatlice silinebilir.

3. Etalonun montajı

1. 3D baskılı hücreyi (adım 1), etalon çukuru yukarı bakacak şekilde masaya yerleştirin.
2. Etalon çukuruna bir O-ring (10 mm x 1 mm, bakınız Malzeme Tablosu) yerleştirin ve hafifçe belirlenen oluğa bastırın.
3. Işın ayırıcıyı, yansıtıcı yüzeyi yukarı bakacak şekilde etalon çukuruna ve O-ring'in üzerine yerleştirin.
4. İki ara parçayı bir cımbız kullanarak ışın ayırıcıya dikkatlice yerleştirin. Bunları, hücrenin bir tarafından diğerine geçen delikten hava boşluğuna giren gaz ve uyarma lazeri için net bir açıklık oluşturacak şekilde yerleştirin (Şekil 2, sayı 3).
   NOT: Şekil 3B'de gösterildiği gibi, ortada bir hava boşluğu elde etmek için ara parçalar her iki tarafa da yerleştirilmelidir. Paralel yüzeylerin çizilmesini önlemek için ara parçaları yalnızca yan yüzeylerden tutun.
5. Ara parçalar yerindeyken, aynayı yansıtıcı tarafı aşağı bakacak şekilde üstlerine hizalayın. Işın ayırıcı, ara parçalar ve ayna şimdi eş merkezli olarak hizalanmalıdır.
6. 3D baskılı etalon kapağı alın ve her iki O-halkayı (10 mm x 1 mm ve 14 mm x 2 mm) belirtilen oluklara yerleştirin.
7. Kapağı hücrenin dikdörtgen oluğuna hizalayın ve aynanın üstüne yerleştirin.
   1. Ara parçaları yerine sabitlemek için kapağa basınç uygulayın. Kapağa her zaman basınç uygularken hücreyi kaldırın ve arka taraftan belirtilen deliklerden dört M4 vida yerleştirin.
   2. Bunları ön tarafa dört M4 somunla monte edin ve kapaktan gelen basınç ara parçaları yerinde tutmak için yeterli olana ve O-ringler yeterince sıkıştırılana kadar sıkın.
   3. Ara parçaların hala yerinde olup olmadığını kontrol edin; Eğer öyleyse, etalon şimdi daha fazla kullanım için hazırdır.
8. Hücreyi gaz geçirmez hale getirmek için ölçüm hücresinin yan tarafına lazer pencereleri monte etmek için iki ek 3D baskılı kapağı kullanın. Bu nedenle, hücre üzerinde belirtilen oluğa bir O-ring (10 mm x 1 mm) ve kapağın üzerine bir tane daha (10 mm x 1 mm) yerleştirin. Pencereyi oluğa yerleştirin ve pencere kapağını Şekil 2, sayı 2'de gösterildiği gibi dört M3 vida ve somunla sabitleyin).

Şekil 3: Ölçüm hücresinin ve FPE'nin oluşturulması. (A) 3D baskılı hücrenin ve FPE'nin montaj işleminin ilgili montaj kapağı ile oluşturulması. (B) Dökme optik bileşenlerin doğru sırada oluşturulması. Ara parçalar, iki ayna yüzeyi arasında hava aralıklı bir boşluk oluşturur. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

4. Fiber hizalama platformunun montajı

1. Aşamaları ve adaptör plakalarını Malzeme Tablosunda listelendiği gibi birleştirin. İnşaat sırasında yönlendirme olarak Şekil 4'ü kullanın.
2. İlk tek eksenli gonyometrik aşamayı x yönünde optik bir breadboard üzerine monte edin.
   NOT: Eksen terminolojisi keyfi olarak seçilmiştir. Optik breadboard düzlemi, dikey yönü breadboard'dan pozitif bir z yönünde dışarı bakan bir x-y düzlemi olarak tanımlanır.
3. Kullanılan aşamalara bağlı olarak, gerekirse gonyometrik aşamanın üzerine bir adaptör plakası monte edin.
   1. Adaptör plakasının üzerine iki eksenli bir x-y mikrometre çeviri aşamasını ortada monte edin.
   2. Çeviri sahnesine y yönüne bakan dik açılı bir braket takın.
   3. Tek eksenli bir çeviri sahnesini z yönündeki dik açılı brakete monte edin.
4. Ek adaptör plakaları kullanarak, ikinci gonyometrik aşamayı çeviri aşamasında z yönünde monte edin.
5. Bir direğin üstüne fiber yüksük kelepçesi takın. Direğin uzunluğunu, fiber yüksüğün tam olarak ikinci dikey gonyometrik aşamanın dönme noktasında olması için seçin. Mesafe sahne kılavuzunda verilmiştir.
6. Fiber yüksüğün dış çapı 2,8 mm'dir. Bu çap için bir kelepçe yoksa, 2,5 mm'lik bir kelepçe kullanın ve bir matkapla genişletin.
7. Direği, yüksük kelepçesi ile ikinci dikey gonyometrik aşamaya, adım 4.2'den itibaren ilk yatay gonyometrik aşamanın dönme noktasına karşılık gelen bir z konumuna monte edin.
   1. Yüksük manşonunun ve GRIN lensin yüksük kelepçesinden negatif z yönünde birkaç milimetre dışarı yapıştığından emin olun.
   2. GRIN lensin ucu gonyometrik aşamanın dönme noktasında olacak şekilde direğin dikey konumunu seçin.
8. Etalonu monte etmek için bir direk alın, üzerine dik açılı bir braket takın ve üzerine standart bir SM1 dişli 30 mm kafes plakası takın. Dört kafes çubuğunu (>40 mm) pozitif z yönüne bakan plakaya monte edin.
9. İç çapı kafes çubuğunun çapından biraz daha büyük olan dört metal yay alın ve her kafes çubuğuna bir tane yerleştirin. Entegre FPE ile ölçüm hücresini, ışın ayırıcı tarafı yaylara dayanana kadar yukarı bakacak şekilde çubukların üzerine kaydırın.
   NOT: Hücrenin z yönünde serbestçe hareket edebildiğinden emin olun. Sürtünme çok yüksekse, kafes çubukları için hücrenin geçiş deliklerinin ilave genişletilmesi gerekir. Bu en iyi yuvarlak bir dosya ile yapılır.
10. Direği, fiber hizalama platformunun hemen altına bir direk tutucu, bir taban plakası ve bir sıkıştırma çatalı aracılığıyla monte edin. Kiriş ayırıcıyı açığa çıkaran hücrenin açıklığının, yüksük tutucunun yaklaşık 10 mm altında ortalandığından emin olun (adım 4.5).

Şekil 4: UV kürleme işlemi sırasında GRIN lens bağlantılı FPE ile hizalama platformunun resmi. Gri renkle yazılmış bileşenler PTI ölçümleri içindir ve hizalama işlemi için gerekli değildir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

5. Opto-elektronik kurulum

1. Optoelektronik bileşenleri Malzeme Tablosunda listelendiği gibi birleştirin ve Şekil 5'te şematik olarak gösterildiği gibi düzenleyin.
2. Fiber optik bileşenleri, ilgili bileşen tepsilerini kullanarak optik bir breadboard üzerine monte edin.
3. Lazeri bir lazer diyot montajına monte edin. Lazer kaynağını entegre bir modülasyon fonksiyonu (üçgen modülasyon) ile bir lazer sürücüsüne ve TEC (termoelektrik soğutucu) kontrolörüne bağlayın; aksi takdirde, ek bir fonksiyon üreteci gereklidir.
4. Üçgen akım modülasyon genliğini, etalonun beklenen FWHM'sinin çok üzerinde bir dalga boyu aralığının kapsanacağı şekilde ayarlayın (hesaplamalar tartışma bölümünde bulunabilir). Modülasyon frekansını yaklaşık 100 Hz'e ayarlayın.
5. Lazerin optik çıkışını, L-braket çiftleşme manşonlarını kullanarak izolatör girişine bağlayın.
6. İzolatörden sonra 15 dB'lik bir fiber optik zayıflatıcı takın ve 1 x 2 ataşman değiştiricinin giriş portuna bağlayın.

Şekil 7'de görülebileceği gibi, iyi tanımlanmış bir yansıtma fonksiyonuna sahip bir FPE üretilebilir.

Şekil 7: Bitmiş FPE'nin ölçülen yansıtma fonksiyonu. FPE'nin yansıtma fonksiyonunu ölçmek için lazerin dalga boyu taramasına karşılık gelen bir sıcaklık taraması yapıldı. Bu, yarım maksimumdaki tam genişlik (FWHM) ve üretilen cihazın serbest spektral aralığı (FSR) gibi metrikleri değerlendirmek için kullanılır. Bağıl yansıma, FPE'yi geçtikten sonra fibere geri yansıyan ışığın göreceli oranını ifade eder. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

FPE'nin ölçülen metrikleri Tablo 1'de listelenmiştir ve aynı özelliklere sahip ideal bir etalonun hesaplanan değerleriyle karşılaştırılmıştır. İdeal bir FPE için formüller giriş bölümünde bulunabilir.

Tablo 1: Üretilen FPE etalonunun ölçülen ve hesaplanan metriklerinin karşılaştırılması.

Belirlenmiş bir uygulamanın yeteneğini doğrulamak için FPE, ortam havasındaki su buharının PTI ölçümleri için kullanılır. Bu nedenle, 1.364 nm dalga boyuna sahip bir uyarma lazeri, prob lazerine dik olarak hücre içine yönlendirilir. Her iki lazer de FPE içinde kesişir. Uyarma lazeri 125 Hz frekansında sinüzoidal olarak modüle edilir. Prob lazerini FPE'nin en dik eğiminde, sabit akım ile stabilize ederek, sensörün en yüksek hassasiyeti elde edilir. Su buharı ölçümleri için, hücre açık pencerelerle çalıştırılır ve bir referans cihazı tarafından ölçüldüğü gibi 13.762 ppmV konsantrasyonda ortam havasına maruz bırakılır (sıcaklık = 21.4 ° C, basınç = 979.9 hPa, bağıl nem =% 52.2). Sinyal, hızlı bir Fourier dönüşümü (FFT) vasıtasıyla çıkarılır ve Şekil 8'de gösterildiği gibi, uyarma lazeri kapalıyken arka plan sinyaliyle karşılaştırılır. Yaklaşık 5 ppmV (3σ) algılama sınırına karşılık gelen 7.000'den fazla sinyal-gürültü oranı elde edilebilir.

Şekil 8: Ortam havasındaki su buharının PTI ölçümleri. Siyah renkte, 125 Hz lazer uyarımlı bir ölçümün FFT sinyali gösterilir. Mavi renkte, uyarılma olmadan arka plan sinyali tasvir edilmiştir. İç kısım, 125 Hz'de ölçülen tepeyi daha ayrıntılı olarak gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Kodlama Dosyası 1: Measurement_cell. SLDPRT. Ölçüm hücresi için CAD dosyası. Hücre, belirli uygulamanın gereksinimlerine uyarlanabilir ve daha sonra 3D yazdırılabilir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Kodlama Dosyası 2: cap_etalon. SLDPRT. Ölçüm hücresinin içindeki etalonu sabitlemek için CAD dosyası. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Kodlama Dosyası 3: cap_window. SLDPRT. Lazer pencerelerini ölçüm hücresine sabitlemek için CAD dosyası. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Çıkar çatışması yoktur.