여기에 제시된 작업은 FFG 자금 지원 프로젝트 "Green Sensing"과 NATO SPS 프로그램 "CBRN 이벤트 감지를위한 Photonic Nano Particle Sensors"의 프레임 워크에서 수행되었습니다. 이 작업은 TU Graz Open Access Publishing Fund의 지원도 받았습니다.

Fabrication of a Fabry-P&amp;#233;rot Etalon for Application in Trace-Gas Spectroscopy

<ol>
	<li>Vaughan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Fary-P&#233;rot Interferometer. History, Theory, Practice, and Applications. , (1989).</li><li>Liu, M., Chao, X., Ye, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transmitting+intensity+distribution+after+a+Gaussian+beam+incidenting+nonnormally+on+a+wedged+Fabry-P&#233;rot+cavity.">Transmitting intensity distribution after a Gaussian beam incidenting nonnormally on a wedged Fabry-P&#233;rot cavity.</a> Optik. 119 (14), 661-665 (2008).</li><li>Ismail, N., Kores, C. C., Geskus, D., Pollnau, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabry-P&#233;rot+resonator:+Spectral+line+shapes,+generic+and+related+Airy+distributions,+linewidths,+finesses,+and+performance+at+low+or+frequency-dependent+reflectivity.">Fabry-P&#233;rot resonator: Spectral line shapes, generic and related Airy distributions, linewidths, finesses, and performance at low or frequency-dependent reflectivity.</a> Optics Express. 24 (15), 16366-16389 (2016).</li><li>Eklund, E. J., Shkel, A. M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Factors+affecting+the+performance+of+micromachined+sensors+based+on+Fabry-Perot+interferometry.">Factors affecting the performance of micromachined sensors based on Fabry-Perot interferometry.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 15 (9), 1770-1776 (2005).</li><li>Rees, D., Fuller-Rowell, T. J., Lyons, A., Killeen, T. L., Hays, P. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stable+and+rugged+etalon+for+the+Dynamics+Explorer+Fabry-P&#233;rot+interferometer.+1:+Design+and+construction.">Stable and rugged etalon for the Dynamics Explorer Fabry-P&#233;rot interferometer. 1: Design and construction.</a> Applied Optics. 21 (21), 3896-3902 (1982).</li><li>Killeen, T. L., Hays, P. B., Kennedy, B. C., Rees, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stable+and+rugged+etalon+for+the+Dynamics+Explorer+Fabry-P&#233;rot+interferometer.+2:+Performance.">Stable and rugged etalon for the Dynamics Explorer Fabry-P&#233;rot interferometer. 2: Performance.</a> Applied Optics. 21 (21), 3903-3912 (1982).</li><li>Marques, D. M., Guggenheim, J. A., Munro, P. R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysing+the+impact+of+non-parallelism+in+Fabry-P&#233;rot+etalons+through+optical+modelling.">Analysing the impact of non-parallelism in Fabry-P&#233;rot etalons through optical modelling.</a> Optics Express. 29 (14), 21603-21614 (2021).</li><li>Marques, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+Fabry-P&#233;rot+etalons+illuminated+by+focussed+beams.">Modelling Fabry-P&#233;rot etalons illuminated by focussed beams.</a> Optics Express. 28 (5), 7691-7706 (2020).</li><li>Islam, M. R., Ali, M. M., Lai, M. -. H., Lim, K. -. S., Ahmad, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronology+of+Fabry-Perot+interferometer+fiber-optic+sensors+and+their+applications:+A+review.">Chronology of Fabry-Perot interferometer fiber-optic sensors and their applications: A review.</a> MDPI Sensors. 14 (4), 7451-7488 (2014).</li><li>Preisser, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=All-optical+highly+sensitive+akinetic+sensor+for+ultrasound+detection+and+photoacoustic+imaging.">All-optical highly sensitive akinetic sensor for ultrasound detection and photoacoustic imaging.</a> Biomedical Optics Express. 7 (10), 4171-4186 (2016).</li><li>Chen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-fiber-optic+acoustic+sensor+based+on+high-Q+resonance+effect+using+Fabry-P&#233;rot+etalon.">Micro-fiber-optic acoustic sensor based on high-Q resonance effect using Fabry-P&#233;rot etalon.</a> Optics Express. 29 (11), 16447-16454 (2021).</li><li>Bialkowski, S. E., Astrath, N. G. C., Proskurnin, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Photothermal Spectroscopy Methods. , (2019).</li><li>Campillo, A. J., Petuchowski, S. J., Davis, C. C., Lin, H. -. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabry-P&#233;rot+photothermal+trace+detection.">Fabry-P&#233;rot photothermal trace detection.</a> Applied Physics Letters. 41 (4), 327-329 (1982).</li><li>Breitegger, P., Lang, B., Bergmann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intensity+modulated+photothermal+measurements+of+NO2+with+a+compact+fiber-coupled+Fabry-P&#233;rot+interferometer.">Intensity modulated photothermal measurements of NO2 with a compact fiber-coupled Fabry-P&#233;rot interferometer.</a> MDPI.Sensors. 19 (15), 1424 (2019).</li><li>Waclawek, J. P., Kristament, C., Moser, H., Lendl, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Balanced-detection+interferometric+cavity-assisted+photothermal+spectroscopy.">Balanced-detection interferometric cavity-assisted photothermal spectroscopy.</a> Optics Express. 27 (9), 12183-12195 (2019).</li><li>Pevec, S., Donlagic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Miniature+all-fiber+Fabry-P&#233;rot+sensor+for+simultaneous+measurement+of+pressure+and+temperature.">Miniature all-fiber Fabry-P&#233;rot sensor for simultaneous measurement of pressure and temperature.</a> Applied Optics. 51 (19), 4536-4541 (2012).</li><li>Dudzik, G., Krzempek, K., Abramski, K., Wysocki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid-state+laser+intra-cavity+photothermal+gas+sensor.">Solid-state laser intra-cavity photothermal gas sensor.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 328, 129072 (2021).</li><li>Chen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-fiber-optic+acoustic+sensor+based+on+high-Q+resonance+effect+using+Fabry-P&#233;rot+etalon.">Micro-fiber-optic acoustic sensor based on high-Q resonance effect using Fabry-P&#233;rot etalon.</a> Optics Express. 29 (11), 16447-16454 (2021).</li><li>H&#228;lg, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+silicon+pressure+sensor+with+a+low-cost+contactless+interferometric+optical+readout.">A silicon pressure sensor with a low-cost contactless interferometric optical readout.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 30 (3), 225-230 (1992).</li><li>Fischer, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+microphone+hears+ultrasound.">Optical microphone hears ultrasound.</a> Nature Photonics. 10 (6), 356-358 (2016).</li><li>Waclawek, J. P., Bauer, V. C., Moser, H., Lendl, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=2f-wavelength+modulation+Fabry-P&#233;rot+photothermal+interferometry.">2f-wavelength modulation Fabry-P&#233;rot photothermal interferometry.</a> Optics Express. 24 (25), 28958-28967 (2016).</li><li>Chen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustic+performance+study+of+fiber-optic+acoustic+sensors+based+on+Fabry-P&#233;rot+etalons+with+different+Q+factors.">Acoustic performance study of fiber-optic acoustic sensors based on Fabry-P&#233;rot etalons with different Q factors.</a> MDPI Micromachines. 13 (1), 118 (2022).</li><li>Meyendorf, N., Ida, N., Singh, R., Vran, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook of Nondestructive Evaluation 4.0. , (2022).</li><li>Kim, Y. J., Celliers, P. M., Eggert, J. H., Lazicki, A., Millot, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interferometric+measurements+of+refractive+index+and+dispersion+at+high+pressure.">Interferometric measurements of refractive index and dispersion at high pressure.</a> Scientific Reports. 11, 5610 (2021).</li><li>Stollberger, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+particle+photothermal+interferometry.">Single particle photothermal interferometry.</a> Technical University Graz. , (2022).</li><li>Radeschnig, U., Bergmann, A., Lang, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow-enhanced+photothermal+spectroscopy.">Flow-enhanced photothermal spectroscopy.</a> MDPI Sensors. 22 (19), 7148 (2022).</li></ol>

이해 상충이 없습니다.

여기에 제공된 프로토콜에 따라 제작된 FPE는 특정 응용 프로그램에 최적화되어 있으므로 이 장에서는 가능한 적응 및 중요한 단계에 대해 설명합니다. 우선, FPE와 측정 셀은 PTI 측정을 위해 설계되었습니다. 따라서, 가스 입구 및 출구뿐만 아니라 프로브 레이저에 수직 인 여기 레이저 용 채널이 셀에 추가됩니다. 셀의 모든 개구부는 O-링을 통해 기밀하게 만들어지 거나 레이저 전파가 가능하도록 UVFS 창을 통해 덮여 있습니다. 상이하게 사용되는 경우, 보충 코딩 파일 1에 제공된 바와 같이 셀을 재설계하고 특정 애플리케이션에 맞게 조정할 수 있습니다. 1.4단계의 스레딩은 인쇄 후 완료됩니다. 나사산은 3D 프린팅도 가능하지만 빨리 마모되는 경향이 있으므로 적절한 코어 구멍 직경을 가진 구멍만 인쇄되고 나중에 나사산이 있습니다.
2.1단계에서 스페이서의 재질을 선택하는 것이 중요합니다. 스페이서의 평행도는 에탈론 미러의 평행도를 결정하므로 기교7에 영향을 미칩니다. 이 연구에서는 재료 표에 제공된 대로 평행도가 ≤5arcsecs이고 투명 조리개에 대해 λ/10의 표면 평탄도를 가진 1/2인치 UVFS 정밀 창을 사용했습니다. UVFS의 열팽창 계수는 0.55 x 10-6/°C입니다. 예를 들어, 열팽창 계수가 0.1 x 10-6/°C 미만인 Zerodur5 스페이서를 사용하여 온도 안정성을 더욱 높일 수 있습니다. 그러나 이것은 더 높은 비용의 단점이 있습니다.
FPE는 하나의 완전 반사 거울과 빔 스플리터로 구성됩니다. 빔 스플리터에는 70% 반사 표면과 반사 방지 코팅된 후면이 있습니다. 이를 통해 에탈론 안팎으로 빛을 결합할 수 있습니다. 또한 빔 스플리터의 기판에는 원치 않는 에탈론 효과를 방지하기 위해 한쪽 쐐기 모양의 면이 있습니다. 거울의 뒷면도 같은 이유로 거칠어집니다.
5.1 단계에서, 정렬 프로세스를 추적하기 위한 광전자 셋업이 설명된다. 사용된 모든 광섬유는 FC/APC 커넥터가 있는 표준 SMF-28 광섬유입니다. PTI에 대한 지정된 응용 프로그램으로 인해 이 연구에서는 균형 잡힌 광검출기를 쉽게 사용할 수 있었지만 일반적으로 이것은 필요하지 않습니다. 대신 기존의 광검출기를 사용할 수 있습니다. 이 경우 1 x 2 커플러를 사용하는 것은 더 이상 사용되지 않습니다. 이러한 변경 사항은 그림 5에 표시된 것처럼 설정의 다른 구성 요소에는 영향을 주지 않습니다. 프로브 레이저의 삼각 전류 변조는, 단계 5.4에서 설명된 바와 같이, 파장 스윕에 대응한다. FPE의 적어도 하나의 반사율 피크를 스윕하기에 충분한 전류 범위를 선택해야 합니다. 따라서 하나의 FSR이 경험 법칙이 될 수 있습니다. 이상적인 FPE의 FSR에 대한 계산은 소개 섹션에서 찾을 수 있습니다. 각 설명서에 나와 있는 레이저의 전류 튜닝 계수(nm/mA)와 함께 하나의 FSR을 덮는 전류 범위를 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 본 작업에 사용된 레이저는 전류 튜닝 계수가 0.003nm/mA이고 파장 1,550nm에서 방출되었습니다. 미러 간격이 3mm인 이상적인 FPE의 예상 FSR d는 약 0.4nm입니다. 이는 133mA의 전류 튜닝 범위를 제공합니다.
이 작업에서는 오실로스코프에서 편리하게 표시할 수 있도록 변조 주파수를 100Hz로 설정했습니다. 원하는 전류 튜닝 범위가 다소 크기 때문에 고정 광섬유 감쇠기를 사용하여 사용된 감지기의 전력 한계 내에서 유지할 수 있습니다. 감쇠기는 아이솔레이터 바로 뒤에 장착할 수 있습니다.
6단계와 7단계에서 사용된 UV 경화 접착제는 레이저 광에 투명하고 굴절률이 1.56입니다. 7.1 단계에서 설명한 바와 같이 정렬 프로세스는 사용 가능한 광 검출기에 따라 다릅니다. 이 설정에 사용되는 평형 감지기는 음의 볼륨을 생성합니다.tage "신호" 출력. 일반성을 위해 7.10단계 및 그림 6에 대한 설명에서 양의 전압 출력이 가정됩니다. 잘 정렬된 에탈론의 경우 반사율 피크는 0에 가까워지고 삼각형 함수는 피크 대 피크 비율을 증가시킵니다.
단계 8.1의 에탈론 특성화를 위해 수치 계산 소프트웨어가 사용됩니다( 재료 표 참조). 각 온도 단계에 대해 측정된 전압은 그림 7과 같이 평균화되고 표시됩니다. 온도 단계를 파장 단계로 변환하기 위해 프로브 레이저의 온도 튜닝 계수가 사용됩니다. 신호 분석 라이브러리에는 이러한 용도로 사용할 수 있는 통합 피크 찾기 알고리즘이 있습니다. 데이터 분석은 데이터 형식에 따라 크게 달라지므로 여기에 코드가 제공되지 않지만 요청 시 해당 작성자가 사용할 수 있습니다.
여기에 제시된 제조 기술의 가능한 한계는 변화하는 환경에서의 열적 및 기계적 안정성입니다. 이 교육 문서의 범위는 실험실 응용 분야를 위한 FPE의 저비용 프로토타이핑이므로 기계적 및 온도 안정성에 대한 테스트는 여기에 제공되지 않습니다. FPE가 모바일 애플리케이션이나 변화하는 환경에서 사용되는 경우, etalon에 비해 fiber-GRIN 렌즈 시스템을 기계적으로 안정화하기 위해 추가 조치를 취해야 합니다.
FPE를 제작하고 특성화하는 새로운 방법은 모든 광자 실험실에서 사용할 수 있는 표준 광학 부품과 함께 여기에서 시연됩니다. 제시된 FPE는 약 15의 기교와 약 5ppmV의 수증기를 감지하기에 충분한 감도를 가지고 있습니다. PTI를 위해 제시된 응용 프로그램 외에, 이 FPE는 비파괴 검사(23), 굴절률 측정(24, 25) 또는 습도계(26) 분야에서 일반적으로 적용되는 광학 마이크로폰(20)을 구축하는 것과 같은 응용 분야에서 사용될 수 있다.

가장 기본적인 형태로, FPE는 두 개의 평면 평행 부분 반사 거울 표면1로 구성된다. 이하의 설명에서, 거울을 언급할 때, 광학 기판과 반사 코팅은 하나로 다루어진다. 대부분의 응용 분야에서 사용되는 거울은 원치 않는 에탈론 효과를방지하기 위해 하나의 쐐기 표면2을 특징으로 합니다. 그림 1은 공기 간격 에탈론의 간섭 패턴 형성(그림 1A)과 다양한 미러 반사율에 대한 반사율 함수(그림 1B)를 보여줍니다.
빛은 하나의 거울을 통해 공동으로 들어가 여러 번 반사되고 반사와 투과를 통해 공동을 떠납니다. 이 기사에서는 반사율로 작동하는 FPE의 제작에 초점을 맞추기 때문에 추가 설명은 특히 반사에 대해 설명합니다. 캐비티를 떠나는 파동은 위상차( q = 4πnd/λ)에 따라 간섭합니다. 여기서 n 은 캐비티 내부의 굴절률, d 는 미러 간격, λ는 간섭계 광원의 파장(여기서는 프로브 레이저라고 함)입니다. 최소 반사율은 광학 경로 차이가 파장 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq02.jpg" style="margin: auto;">의 정수 배수와 일치할 때 발생합니다. 이상적인 평면 평행 에탈론의 기교는 미러 반사율 R1 및 R2 3에 의해서만 결정됩니다.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq03.jpg" style="margin: auto;">
그러나 실제 에탈론은 많은 손실을 입어 이론적으로 달성 가능한 기교 4,5,6을 저하시킵니다. 미러 평행도(7)의 편차, 레이저 빔의 비정상 입사, 빔 형상(8), 미러 표면 불순물 및 산란 등은 기교의 감소를 초래한다. 특징적인 간섭 패턴은 Airy 함수1로 설명할 수 있습니다.
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq04.jpg" style="margin: auto;">
FWHM(Full Width at Half Maximum)과 반사율 함수의 자유 스펙트럼 범위(FSR)는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq05.jpg" style="margin: auto;">
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq06.jpg" style="margin: auto;">
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65174/65174fig01.jpg"> 그림 1: Fabry-Pérot 간섭계 이론 . (A) 쐐기형 창이 있는 공기 간격 에탈론에 대한 다중 빔 간섭의 개략도. 평면파 E0 는 반사 방지 (AR) 코팅 된 표면을 통해 특정 각도 (φ)로 캐비티에 들어가고, 그 후 거리 (d)에 이격 된 고 반사 (높은 R) 표면 사이에서 다중 반사를 겪습니다. 각 반사와 함께 빛의 일부는 투과 또는 반사에서 에탈론과 결합되어 다른 파동을 방해합니다. (B) 다양한 거울 반사율(y축)에 대한 이상적인 Fabry-Pérot etalon의 반사율 함수. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
FPE는 광범위한 응용 분야에서 찾을 수 있습니다 9,10,11. 여기에 제시된 경우 FPE는 광열 간섭계(PTI) 설정에 사용됩니다. PTI에서, 주기적인 여기(excitation)에 의해 유도된 작은 밀도 및 그에 따른 굴절률 변화(refractive index 변화)에 이어 제2 레이저를 통한 타겟 가스의 빠른 열화(thermal thermal ization)가 간섭계(interferometric)로 측정된다(12). 열의 양과 굴절률 변화의 크기는 가스 농도에 비례합니다. FPE의 가장 가파른 지점(동작점)에서 반사율 함수의 강도를 측정할 때 이러한 굴절률 변화는 반사율 함수를 이동시켜 측정된 강도를 변경합니다. 반사율 함수는 동작 지점 주변 영역에서 선형이라고 가정할 수 있으므로 측정된 신호는 가스 농도에 비례합니다. 센서의 감도는 반사율 함수의 기울기에 의해 결정되므로 기교에 비례합니다. PTI는 FPE와 함께 미량의 가스와 에어로졸 13,14,15,16,17,18을 검출하는 민감하고 선택적인 방법임이 입증되었습니다. 과거에는 압력 및 음향 측정을 위한 많은 센서가 FPE19의 두 번째 미러를 대체하는 멤브레인과 같은 움직일 수 있는 부품을 사용하는 데 의존했습니다. 멤브레인의 처짐은 미러 거리의 변화로 이어지고, 따라서 광학 경로 길이의 변화로 이어집니다. 이러한 기기는 기계적 진동이 발생하기 쉽다는 단점이 있습니다. 최근 몇 년 동안 솔리드 FPE를 사용하는 광학 마이크의 개발은 상용 수준20에 도달했습니다. 움직일 수 있는 부품의 사용을 자제함으로써 측정은 거리에서 Fabry-Pérot 캐비티 내부의 굴절률로 변경되어 센서의 견고성을 크게 높였습니다.
상업적으로 이용 가능한 공기 간격 FPE는 프로토타이핑 및 테스트뿐만 아니라 대량 생산 기기 통합에 허용되는 것 이상의 비용이 듭니다. 이러한 FPE를 구성하고 사용하는 대부분의 과학 출판물은 제조 주제를 최소한으로 논의합니다21,22. 대부분의 경우 특정 장비 및 기계(예: 클린룸, 코팅 시설 등)가 필요합니다. 예를 들어, 완전히 섬유가 통합된 FPE의 경우 특수 미세 가공 장비가 필요합니다. 제조 비용을 절감하고 여러 FPE 구성을 테스트하여 PTI 설정에 대한 적합성을 향상시키기 위해 새로운 제조 방법이 개발되었으며, 이는 다음 프로토콜에 자세히 설명되어 있습니다. 상업적으로 이용 가능한 표준 벌크 광학 및 통신 광섬유 부품만 사용함으로써 제조 비용을 €400 유로 미만으로 줄일 수 있습니다. 표준 광자 장비로 작업하는 모든 시설은 당사의 제조 계획을 재현하고 응용 분야에 적용할 수 있어야 합니다.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Auto-Balanced Photoreceiver Nirvana</td>
			<td>New Focus, Inc.</td>
			<td>2017</td>
			<td>Balanced Photodetector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benchtop laser diode/TEC controller, 1A/96 W</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>ITC4001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Butterfly laser diode mount</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LM14S2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clamping fork</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CF175</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>compactRIO</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>For data aquisition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dust remover</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>168-1644</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FC/APC to FC/APC Single L-Bracket Mating Sleeve</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>ADAFCB3</td>
			<td>Multiple needed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiber cleaning fluid</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>RCS3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiber optic SM circulator</td>
			<td>AFW technologies</td>
			<td>CIR-3-15-L-1-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiber optic SM coupler 1 x 2, 90/10</td>
			<td>AFW technologies</td>
			<td>FOBC-1-15-10-L-1-S-2</td>
			<td>Only if balanced photodetector is used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiber optic SM isolator</td>
			<td>AFW technologies</td>
			<td>ISOD-15-L-1-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiber optic storage reels</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FSR1</td>
			<td>Multiple needed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fixed fiber optic attenuator</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FA15T-APC</td>
			<td>Different attenuation levels used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GRIN/Ferrule Sleeve, 1.818 mm Internal Diameter, 10 mm Length, Borosilicate Glass</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>51-2800-1800</td>
			<td>Fiber-GRIN-lens system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GRIN Lens, &#216;1.8 mm, 0.23 Pitch, 8&#176;, 1560 nm Design Wavelength, AR Coated: 1250 - 1650 nm</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>GRIN2315A</td>
			<td>Fiber-GRIN-lens system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Handheld UV-LED lamp</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>220-6819</td>
			<td>Lamp for curing the adhesive&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High precision stage and base</td>
			<td>Newport</td>
			<td>9062-X-M</td>
			<td>Three nedded</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hose conector</td>
			<td>RS Components</td>
			<td></td>
			<td>M5 threaded</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Large Goniometer, 44.5 mm Distance to Point of Rotation, &#177;5&#176;, Metric</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>GNL18/M</td>
			<td>Two needed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-Bracket Mating Sleeve</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>ADAFCB3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic button clamps</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>BM075</td>
			<td>Multiple needed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micrometer screw</td>
			<td>Newport</td>
			<td>9355</td>
			<td>Three nedded</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MIL-A-3920 Optical Adhesive with Resiliency, 1 oz.</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>NOA61</td>
			<td>UV-curing adhesive</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mounting Base, 50 mm x 75 mm x 10 mm</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>BA2/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O-Rings</td>
			<td>Haberkorn</td>
			<td></td>
			<td>Sizes given in text</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Passive component fiber tray</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>BFCT</td>
			<td>Multiple needed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pedestal base adapter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>BE1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pigtailed Ferrule, &#216;1.8 mm, 8&#176;, FC/APC, AR Coated: 1310/1550 nm</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SMPF0115-APC</td>
			<td>Fiber-GRIN-lens system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Post holder</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PH30/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Post-Mountable &#216;2.5 mm Ferrule Clamp, M4 Tap</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FCM/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Python</td>
			<td>Python</td>
			<td>3.9</td>
			<td>Numerical data analysis software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Right-angled-bracket</td>
			<td>Newport</td>
			<td>9062-A-M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Self-centering lens mount</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SCL03</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silberschnitt 3001</td>
			<td>Bohle&#160;</td>
			<td>3001</td>
			<td>Glas cutter set</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SM1-threaded standard cage plate</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CP33/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV-curing device</td>
			<td>Formlabs</td>
			<td>Form Cure</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1550 nm 20 mW butterfly DFB laser diode</td>
			<td>AeroDiode</td>
			<td>1550LD-5-0-0-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D-printer</td>
			<td>Formlabs</td>
			<td>3+</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#216;1/2&#34; UVFS Broadband Precision Window, Uncoated, t = 3 mm</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>WG40530</td>
			<td>Spacers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#216;1/2&#34; Broadband Dielectric Mirror, 1280 - 1600 nm</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>BB05-E04</td>
			<td>Mirror</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#216;1/2&#34; 70:30 (R:T) UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 1.2 - 1.6 &#181;m, t = 3 mm</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>BST06</td>
			<td>Beamsplitter</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication of a low-cost, fiber-coupled, and air-spaced fabry-p&#233;rot etalon

Fabry-Pérot etalons (FPE)는 많은 응용 분야에 적용되었습니다. 분광학, 통신 및 천문학과 같은 분야에서 FPE는 높은 감도와 뛰어난 필터링 기능으로 인해 사용됩니다. 그러나 높은 기교를 지닌 공기 간격의 에탈론은 일반적으로 특수 시설에 의해 건설됩니다. 생산에는 클린룸, 특수 유리 취급 및 코팅 기계가 필요하므로 상업적으로 이용 가능한 FPE가 높은 가격에 판매됩니다. 이 기사에서는 표준 광자 실험실 장비를 사용하여 광섬유 결합 FPE를 제조하는 새롭고 비용 효율적인 방법을 제시합니다. 이 프로토콜은 이러한 FPE의 구성 및 특성화를 위한 단계별 가이드 역할을 해야 합니다. 이를 통해 연구원들이 다양한 응용 분야에서 FPE의 빠르고 비용 효율적인 프로토타이핑을 수행할 수 있기를 바랍니다. 여기에 제시된 FPE는 분광 응용 분야에 사용됩니다. 주변 공기 중 수증기의 원리 증명 측정을 통한 대표 결과 섹션에서 볼 수 있듯이 이 FPE는 미량 농도의 가스에 대한 광열 감지에 충분한 15의 기교를 가지고 있습니다.

In its most basic form, an FPE consists of two plane-parallel partially reflecting mirror surfaces1. In the following explanations, when referring to mirrors, the optical substrate and the reflective coating are addressed as one. In most applications, the mirrors used feature one wedged surface2 to prevent unwanted etalon effects. Figure 1 illustrates the formation of the interference pattern of an air-spaced etalon (Figure 1A), as well as the reflectance function for different mirror reflectivities (Figure 1B).
The light enters the cavity through one mirror, undergoes multiple reflections, and leaves the cavity by reflection as well as transmission. As this article focuses on the fabrication of an FPE operated in reflectance, the further explanations refer to reflection specifically. The waves leaving the cavity interfere, depending on the phase difference, q = 4&#960;nd/&#955;. Here, n is the refractive index inside the cavity, d is the mirror spacing, and &#955; is the wavelength of the interferometer&#39;s light source, here called the probe laser. A minimum reflectance occurs when the optical path difference matches the integer multiple of the wavelength, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq02.jpg" style="margin: auto;" />. The finesse of an ideal plane-parallel etalon is determined by the mirror reflectivities R1 and R2 only3:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq03.jpg" style="margin: auto;" />
However, a real etalon is subject to many losses, which degrade the theoretically achievable finesse4,5,6. Deviation of the mirror parallelism7, non-normal incidence of the laser beam, beam shape8, mirror surface impurities, and scattering, among others, lead to a reduction in the finesse. The characteristic interference pattern can be described by the Airy function1:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq04.jpg" style="margin: auto;" />
The full width at half maximum (FWHM), as well as the free spectral range (FSR) of the reflectance function, can be calculated as follows:
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq05.jpg" style="margin: auto;" />
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/65174/65174eq06.jpg" style="margin: auto;" />
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65174/65174fig01.jpg" /> 
Figure 1: Fabry-P&#233;rot interferometer theory. (A) A schematic depiction of the multi-beam interference for an air-spaced etalon with wedged windows. A plane wave, E0, enters the cavity under a certain angle, &#966;, through an anti-reflection (AR)-coated surface and subsequently undergoes multiple reflections between the highly reflecting (high R) surfaces spaced at a distance, d. With each reflection, part of the light is out-coupled of the etalon either in transmission or reflection, where it interferes with the other waves. (B) The reflectance function of an ideal Fabry-P&#233;rot etalon for different mirror reflectivities (y-axis). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig01large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>
FPEs can be found in a wide range of applications9,10,11. In the case presented here, the FPE is used in a photothermal interferometry (PTI) setup. In PTI, small density and, hence, refractive index changes, induced by the periodic excitation followed by the fast thermalization of a target gas via a second laser, are measured interferometrically12. The amount of heat and, thus, the magnitude of the refractive index change are proportional to the gas concentration. When measuring the intensity of the reflectance function of the FPE at its steepest point (operation point), these refractive index changes shift the reflectance function, thereby altering the measured intensity. As the reflectance function can be assumed to be linear in the region around the operation point, the measured signal is then proportional to the gas concentration. The sensor&#39;s sensitivity is determined by the slope of the reflectance function and is, therefore, proportional to the finesse. PTI, in combination with FPEs, has proven to be a sensitive and selective method to detect trace amounts of gases and aerosols13,14,15,16,17,18. In the past, many sensors for pressure and acoustic measurements relied on the use of moveable parts, like membranes, substituting the second mirror of the FPE19. Deflections of the membrane lead to a change in the mirror distance and, thus, the optical path length. These instruments have the disadvantage of being prone to mechanical vibrations. In recent years, the development of optical microphones using solid FPEs has reached a commercial level20. By abstaining from the use of moveable parts, the measurand changed from distance to the refractive index inside the Fabry-P&#233;rot cavity, thus increasing the ruggedness of the sensors significantly.
Commercially available air-spaced FPEs cost beyond what is acceptable for prototyping and testing, as well as high-volume production instrument integration. Most scientific publications constructing and using such FPEs discuss the topic of fabrication only minimally21,22. In most cases, specific equipment and machines (e.g., clean rooms, coating facilities, etc.) are necessary; for example, for fully-fiber-integrated FPEs, special micromachining equipment is necessary. To reduce the manufacturing costs and enable the testing of multiple different FPE configurations to enhance their suitability for PTI setups, a new fabrication method was developed, which is described in detail in the following protocol. By using only commercially available, standard bulk-optic and telecom fiber-optic components, the manufacturing costs could be reduced to less than &#8364;400 euros. Every facility working with standard photonic equipment should be able to reproduce our fabrication scheme and adapt it to their applications.

Author Spotlight: Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-P&amp;#233;rot Etalon  

저비용, 섬유 결합 및 공기 간격 Fabry-Pérot Etalon 제작

그림 7에서 볼 수 있듯이 잘 정의된 반사율 함수를 가진 FPE를 제작할 수 있습니다.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65174/65174fig07.jpg"> 그림 7: 완성된 FPE의 측정된 반사율 함수. FPE의 반사율 함수를 측정하기 위해 레이저의 파장 스윕에 해당하는 온도 스윕이 수행되었습니다. 이는 제작된 장치의 FWHM(Full Width at Half Maximum) 및 FSR(Free Spectral Range)과 같은 메트릭을 평가하는 데 사용됩니다. 상대 반사율은 FPE를 통과한 후 광섬유로 역반사되는 빛의 상대적 비율을 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig07large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
FPE의 측정된 메트릭은 표 1 에 나열되어 있으며 동일한 사양의 이상적인 에탈론의 계산된 값과 비교됩니다. 이상적인 FPE에 대한 공식은 소개 섹션에서 찾을 수 있습니다.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td>
			<td>측정</td>
			<td>이상적인 FPE</td>
		</tr><tr><td>기교</td>
			<td>12.8</td>
			<td>17.1</td>
		</tr><tr><td>증권 시세 표시기</td>
			<td>0.0268 나노미터</td>
			<td>0.0234 나노미터</td>
		</tr><tr><td>증권 시세 표시기</td>
			<td>0.3441 나노미터</td>
			<td>0.4004 나노미터</td>
		</tr><tr><td>민감</td>
			<td>14 1/나노미터</td>
			<td>21 1/나노미터</td>
		</tr></tbody></table>표 1: 제작된 FPE 에탈론의 측정 및 계산된 메트릭 비교.
지정된 응용 분야에 대한 적성을 검증하기 위해 FPE는 주변 공기 중 수증기의 PTI 측정에 사용됩니다. 따라서 파장 1,364nm의 여기 레이저가 프로브 레이저에 수직으로 세포 내로 유도됩니다. 두 레이저는 FPE 내부에서 교차합니다. 여기 레이저는 125Hz의 주파수로 정현파로 변조됩니다. FPE의 가장 가파른 경사에서 정전류를 통해 프로브 레이저를 안정화함으로써 센서의 가장 높은 감도를 얻을 수 있습니다. 수증기 측정을 위해 셀은 열린 창으로 작동되며 기준 장치(온도 = 21.4°C, 압력 = 979.9hPa, 상대 습도 = 52.2%)로 측정할 때 13,762ppmV 농도로 주변 공기에 노출됩니다. 신호는 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 추출되고 그림 8과 같이 여기 레이저가 꺼진 상태에서 배경 신호와 비교됩니다. 약 5ppmV(3σ)의 검출 한계에 해당하는 7,000 이상의 신호 대 잡음비를 얻을 수 있습니다.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65174/65174fig08.jpg"> 그림 8: 주변 공기 중 수증기의 PTI 측정. 검정색으로 125Hz 레이저 여기를 사용한 측정의 FFT 신호가 표시됩니다. 파란색에서는 여기가 없는 배경 신호가 표시됩니다. 삽입된 화면은 125Hz에서 측정된 피크를 더 자세히 보여줍니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/65174fig08large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 코딩 파일 1: Measurement_cell. SLDPRT입니다. 측정 셀에 대한 CAD 파일입니다. 셀은 특정 응용 분야의 요구 사항에 맞게 조정할 수 있으며 이후에 3D 프린팅할 수 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/measurement_cell.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 코딩 파일 2: cap_etalon. SLDPRT입니다. 측정 셀 내부에 에탈론을 고정하기 위한 CAD 파일. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/cap_etalon.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 코딩 파일 3: cap_window. SLDPRT입니다. 레이저 창을 측정 셀에 고정하기 위한 CAD 파일. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65174/cap_window.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-Pérot Etalon at JoVE.com

이 프로토콜은 미량 가스 분광법과 같은 다양한 응용 분야를 가진 저비용, 이산, 광섬유 결합 및 공기 간격 Fabry-Perot etalon의 구성을 설명합니다. 제작은 표준 광학 실험실 장비를 사용할 수 있는 모든 시설에서 가능합니다.

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are ...

Institute of Electrical Measurement and Sensor Systems의 박사 학위 논문 범위에서는 광열 가스 및 에어로졸 센서의 소형화 가능성을 평가하는 작업을 하고 있습니다. 포토닉 센서를 보다 견고하고 다재다능하거나 저비용 및 소형화하기 위해 많은 노력을 기울이고 있지만 이러한 목표를 필요한 선택성 및 감도와 결합하는 것은 매우 어렵습니다. 우리 프로토콜의 주요 장점은 방법의 쉬운 접근성에서 비롯됩니다.클린룸이나 특수 기계가 필요 없는 당사의 프로토콜은 표준 광자 장비로 비용 효율적인 프로토타이핑을 할 수 있는 기회를 제공합니다. 우리는 우리의 프로토콜이 연구자들이 시간과 비용 효율적인 방식으로 여러 에탈론 구성의 빠르고 쉬운 프로토타이핑을 가능하게 하기를 바랍니다. 우리는 광자 에어로졸 및 가스 센서의 소형화 작업을 계속할 것입니다.우리는 구조화된 빛과 구조화된 물질 사이의 상호 작용을 활용하여 새로운 감지 원리에 초점을 맞출 것입니다.

fabrication-low-cost-fiber-coupled-air-spaced-fabry-prot

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Civil Engineering

Engineering

Unit 1

Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-P&#233;rot Etalon

Freezing and Thawing in Concrete

SCIENTISTS IN ACTION

3.3K 조회수.  Technical University of Graz. Institute of Electrical Measurement and Sensor Systems의 박사 학위 논문 범위에서는 광열 가스 및 에어로졸 센서의 소형화 가능성을 평가하는 작업을 하고 있습니다. 포토닉 센서를 보다 견고하고 다재다능하거나 저비용 및 소형화하기 위해 많은 노력을 기울이고 있지만 이러한 목표를 필요한 선택성 및 감도와 결합하는 것은 매우 어렵습니다. 우리 프로토콜의 주요 장점은 방법의 쉬운 ...