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