Denne protokol beskriver konstruktionen af en billig, diskret, fiberkoblet og luftfordelt Fabry-Perot etalon med forskellige anvendelser, såsom i sporgasspektroskopi. Fremstillingen er mulig i ethvert anlæg med standard optisk laboratorieudstyr til rådighed.
Fabry-Pérot etalons (FPE) har fundet vej til mange applikationer. Inden for områder som spektroskopi, telekommunikation og astronomi anvendes FPE’er for deres høje følsomhed såvel som deres ekstraordinære filtreringsevne. Imidlertid er etaloner med luftafstand med høj finesse normalt bygget af specialiserede faciliteter. Deres produktion kræver et rent rum, speciel glashåndtering og belægningsmaskiner, hvilket betyder, at kommercielt tilgængelige FPE’er sælges til en høj pris. I denne artikel præsenteres en ny og omkostningseffektiv metode til fremstilling af fiberkoblede FPE’er med standard fotonisk laboratorieudstyr. Protokollen bør tjene som en trinvis vejledning til konstruktion og karakterisering af disse FPE’er. Vi håber, at dette vil gøre det muligt for forskere at udføre hurtig og omkostningseffektiv prototyping af FPE’er til forskellige anvendelsesområder. FPE, som præsenteret her, bruges til spektroskopiske applikationer. Som vist i afsnittet om repræsentative resultater via proof of principle-målinger af vanddamp i den omgivende luft har denne FPE en finesse på 15, hvilket er tilstrækkeligt til fototermisk detektion af sporkoncentrationer af gasser.
I sin mest grundlæggende form består en FPE af to planparallelle delvist reflekterende spejlflader1. I de følgende forklaringer, når der henvises til spejle, behandles det optiske substrat og den reflekterende belægning som en. I de fleste applikationer har de anvendte spejle en kilet overflade2 for at forhindre uønskede etaloneffekter. Figur 1 illustrerer dannelsen af interferensmønsteret for en etalon med luftafstand (figur 1A) samt reflektionsfunktionen for forskellige spejlreflektioner (figur 1B).
Lyset kommer ind i hulrummet gennem et spejl, gennemgår flere refleksioner og forlader hulrummet ved refleksion såvel som transmission. Da denne artikel fokuserer på fremstillingen af en FPE, der drives i refleksion, henviser de yderligere forklaringer specifikt til refleksion. Bølgerne, der forlader hulrummet, interfererer, afhængigt af faseforskellen, q = 4πnd / λ. Her er n brydningsindekset inde i hulrummet, d er spejlafstanden, og λ er bølgelængden af interferometrets lyskilde, her kaldet sondelaseren. En minimal refleksion opstår, når den optiske stiforskel matcher heltalsmultiplum af bølgelængden, . Finessen af en ideel plan-parallel etalon bestemmes af spejlreflektionerne R1 og R2 kun3:
Imidlertid er en reel etalon underlagt mange tab, hvilket nedbryder den teoretisk opnåelige finesse 4,5,6. Afvigelse af spejlparallelismen7, ikke-normal forekomst af laserstrålen, stråleform8, urenheder i spejloverfladen og spredning fører blandt andet til en reduktion i finessen. Det karakteristiske interferensmønster kan beskrives ved Airy-funktionen1:
Den fulde bredde ved halv maksimum (FWHM) samt reflektansfunktionens frie spektralområde (FSR) kan beregnes som følger:
Figur 1: Fabry-Pérot interferometer teori . (A) En skematisk skildring af multistråleinterferensen for en etalon med luftafstand med kilede vinduer. En planbølge, E0, kommer ind i hulrummet under en bestemt vinkel, φ, gennem en antirefleksoverflade (AR) og gennemgår efterfølgende flere refleksioner mellem de stærkt reflekterende (høje R) overflader fordelt på afstand, d. Med hver refleksion er en del af lyset afkoblet af etalon enten i transmission eller refleksion, hvor det forstyrrer de andre bølger. (B) Reflektionsfunktionen af en ideel Fabry-Pérot etalon til forskellige spejlreflektioner (y-akse). Klik her for at se en større version af denne figur.
FPE’er findes i en lang række applikationer 9,10,11. I det tilfælde, der præsenteres her, anvendes FPE i en opsætning af fototermisk interferometri (PTI). I PTI måles små densitets- og dermed brydningsindeksændringer, induceret af den periodiske excitation efterfulgt af hurtig termalisering af en målgas via en anden laser, interferometrisk12. Mængden af varme og dermed størrelsen af brydningsindeksændringen er proportional med gaskoncentrationen. Ved måling af intensiteten af FPE’ens reflektionsfunktion på det stejleste punkt (driftspunkt) forskyder disse ændringer i brydningsindekset reflektionsfunktionen og ændrer derved den målte intensitet. Da reflektansfunktionen kan antages at være lineær i området omkring driftspunktet, er det målte signal proportionalt med gaskoncentrationen. Sensorens følsomhed bestemmes af refleksionsfunktionens hældning og er derfor proportional med finessen. PTI har i kombination med FPE vist sig at være en følsom og selektiv metode til påvisning af spormængder af gasser og aerosoler 13,14,15,16,17,18. Tidligere var mange sensorer til tryk- og akustiske målinger afhængige af brugen af bevægelige dele, som membraner, der erstattede FPE19’s andet spejl. Afbøjninger af membranen fører til en ændring i spejlafstanden og dermed den optiske banelængde. Disse instrumenter har den ulempe, at de er tilbøjelige til mekaniske vibrationer. I de senere år har udviklingen af optiske mikrofoner ved hjælp af solide FPE’er nået et kommercielt niveau20. Ved at afholde sig fra brugen af bevægelige dele ændrede målestørrelsen sig fra afstand til brydningsindekset inde i Fabry-Pérot-hulrummet, hvilket øgede sensorernes robusthed betydeligt.
Kommercielt tilgængelige FPE’er med rumafstand koster ud over, hvad der er acceptabelt til prototyper og test, samt integration af produktionsinstrumenter i store mængder. De fleste videnskabelige publikationer, der konstruerer og bruger sådanne FPE’er, diskuterer kun emnet fabrikation minimalt21,22. I de fleste tilfælde er der behov for særligt udstyr og maskiner (f.eks. renrum, belægningsfaciliteter osv.). For eksempel er der behov for specielt mikrobearbejdningsudstyr til fuldt fiberintegrerede FPE’er. For at reducere produktionsomkostningerne og muliggøre test af flere forskellige FPE-konfigurationer for at forbedre deres egnethed til PTI-opsætninger blev der udviklet en ny fabrikationsmetode, som er beskrevet detaljeret i den følgende protokol. Ved kun at bruge kommercielt tilgængelige, standard bulkoptiske og telekommunikationsfiberoptiske komponenter kunne produktionsomkostningerne reduceres til mindre end 400 euro. Alle anlæg, der arbejder med standard fotonisk udstyr, skal være i stand til at reproducere vores fabrikationsskema og tilpasse det til deres applikationer.
Da FPE, der er fremstillet efter den her givne protokol, er optimeret til en bestemt applikation, forklares mulige tilpasninger og kritiske trin i dette kapitel. Først og fremmest er FPE og målecellen designet til PTI-målinger. Derfor tilsættes et gasindløb og udløb samt en kanal til excitationslaseren, som er vinkelret på sondelaseren, til cellen. Alle åbninger i cellen er enten gjort lufttætte via O-ringe og / eller dækket via UVFS-vinduer for at muliggøre laserudbredelse. Hvis cellen bruges anderledes, kan cellen, som angivet i supplerende kodningsfil 1, redesignes og tilpasses den specifikke applikation. Gevindskæringen i trin 1.4 udføres efter udskrivning. Trådene kunne også 3D-printes, men da disse har tendens til at slides hurtigt, udskrives kun huller med den passende kernehuldiameter, og disse gevind bagefter.
Materialevalget til afstandsstykkerne i trin 2.1 er afgørende. Afstandsstykkernes parallelitet bestemmer etalonspejlenes parallelitet og påvirker dermed finesse7. Et 1/2 tommer UVFS-præcisionsvindue, som angivet i materialetabellen, med en parallelitet på ≤5 buesekunder og en overfladefladhed på λ/10 over den klare blænde blev anvendt i denne undersøgelse. UVFS-koefficienten for termisk ekspansion er 0,55 x 10-6 / ° C. Temperaturstabiliteten kan øges yderligere ved at bruge for eksempel Zerodur 5-afstandsstykker med en termisk ekspansionskoefficient lavere end 0,1 x 10-6 / ° C; Dette har dog ulempen ved højere omkostninger.
FPE er dannet af et fuldt reflekterende spejl samt en beamsplitter. Strålesplitteren har en 70% reflekterende overflade samt en antireflekterende belagt bagside. Dette muliggør kobling af lyset ind og ud af etalonen. Derudover har beamsplitterens substrat en kilet side for at forhindre uønskede etaloneffekter. Bagsiden af spejlet er ru af samme grunde.
I trin 5.1 beskrives den optoelektroniske opsætning til sporing af justeringsprocessen. Alle de anvendte fibre er standard SMF-28-fibre med FC / APC-stik. På grund af den udpegede anvendelse af PTI var en afbalanceret fotodetektor let tilgængelig i denne undersøgelse, men dette er generelt ikke nødvendigt. En konventionel fotodetektor kan bruges i stedet; I dette tilfælde er brug af en 1 x 2 kobler forældet. Disse ændringer påvirker ikke de øvrige komponenter i opsætningen, som vist i figur 5. Sondelaserens trekantede strømmodulation som beskrevet i trin 5.4 svarer til en bølgelængdefejning. Der skal vælges et strømområde, der er tilstrækkeligt til at feje over mindst én reflektionstop af FPE. Derfor kan én FSR fungere som tommelfingerregel. Beregninger for FSR for en ideel FPE findes i introduktionsafsnittet. Sammen med laserens aktuelle indstillingskoefficient (nm/mA), der er angivet i den respektive manual, kan det aktuelle område, der dækker en FSR, beregnes. Som et eksempel havde laseren, der blev brugt i dette arbejde, en strømindstillingskoefficient på 0,003 nm / mA og udsendt ved en bølgelængde på 1.550 nm. Den forventede FSR for en ideel FPE med 3 mm spejlafstand, d, er ca. 0,4 nm. Dette giver et aktuelt indstillingsområde på 133 mA.
I dette arbejde blev modulationsfrekvensen indstillet til 100 Hz for bekvem visning ved oscilloskopet. Da det ønskede strømindstillingsområde er ret stort, kan en fastfiberdæmper bruges til at forblive inden for effektgrænserne for den anvendte detektor. Dæmperen kan monteres direkte efter isolatoren.
UV-hærdende klæbemiddel, der anvendes i trin 6 og trin 7, er gennemsigtigt for laserlys og har et brydningsindeks på 1,56. Justeringsprocessen, som beskrevet i trin 7.1, afhænger af den tilgængelige fotodetektor. Den balancerede detektor, der bruges i denne opsætning, genererer en negativ spænding “Signal” -udgang. Af generelle grunde antages en positiv spændingsudgang for beskrivelsen af trin 7.10 og i figur 6. For en veljusteret etalon vil reflektanstoppelsen gå mod nul, mens den trekantede funktion vil øge dens peak-to-peak-forhold.
Til etalonkarakteriseringen i trin 8.1 anvendes numerisk beregningssoftware (se materialetabel). Den målte spænding for hvert temperaturtrin beregnes og plottes som vist i figur 7. For at konvertere temperaturtrinnene til bølgelængdetrin anvendes sondelaserens temperaturindstillingskoefficient. Signalanalysebiblioteker har integrerede peak-finding algoritmer, som kan bruges til dette formål. Da dataanalysen stærkt afhænger af dataformatet, gives der ingen kode her, men den kan stilles til rådighed af den tilsvarende forfatter efter anmodning.
En mulig begrænsning af fremstillingsteknikken, der præsenteres her, er den termiske og mekaniske stabilitet i skiftende miljøer. Da omfanget af dette instruktionspapir er den billige prototypefremstilling af FPE’er til laboratorieapplikationer, gives der ingen test vedrørende mekanisk og temperaturstabilitet her. Hvis FPE bruges til mobile applikationer eller i skiftende miljøer, skal der træffes yderligere foranstaltninger for mekanisk at stabilisere fiber-GRIN-linsesystemet i forhold til etalonen.
En ny metode til fremstilling og karakterisering af en FPE demonstreres her med standard optiske komponenter, der er tilgængelige i hvert fotonisk laboratorium. Den præsenterede FPE har en finesse på ca. 15 og en følsomhed, der er tilstrækkelig til at detektere ca. 5 ppmV vanddamp. Udover den præsenterede applikation til PTI kunne denne FPE bruges i applikationer såsom bygning af optiske mikrofoner 20, som almindeligvis anvendes inden for ikke-destruktiv prøvning 23, brydningsindeksmålinger 24,25 eller hygrometre 26, for blot at nævne nogle få.
The authors have nothing to disclose.
Det arbejde, der præsenteres her, blev udført inden for rammerne af det FFG-finansierede projekt “Green Sensing” og NATO’s SPS-program “Photonic Nano Particle Sensors for Detection CBRN events”. Arbejdet blev også støttet af 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 |