Wirtualnie obrazowana macierz fazowana
Wirtualnie obrazowana matryca fazowa ( VIPA ) to kątowe urządzenie dyspersyjne , które podobnie jak pryzmat lub siatka dyfrakcyjna rozdziela światło na składowe widmowe . Działa prawie niezależnie od polaryzacji . W przeciwieństwie do pryzmatów czy zwykłych siatek dyfrakcyjnych ma znacznie większą dyspersję kątową, ale ma mniejszy zakres swobodnego widma . Ten aspekt jest podobny do kraty Echelle który jest zwykle używany w odbiciu, ponieważ stosuje się tam również wysokie rzędy dyfrakcji. VIPA może być kompaktowym elementem optycznym o dużej długości fali .
Podstawowy mechanizm
W wirtualnie zobrazowanym szyku fazowym układ fazowany jest optycznym analogiem anteny fazowanej na częstotliwościach radiowych. W przeciwieństwie do siatki dyfrakcyjnej, którą można zinterpretować jako rzeczywistą macierz fazową, w wirtualnym obrazie fazowym macierz fazowana jest tworzona na wirtualnym obrazie . Mówiąc dokładniej, optyczna macierz fazowana jest wirtualnie utworzona z wielu wirtualnych obrazów źródła światła. Jest to podstawowa różnica w porównaniu z siatką Echelle, w której podobny układ fazowy powstaje w rzeczywistej przestrzeni. Wirtualne obrazy źródła światła w VIPA są automatycznie ustawiane dokładnie w stałych odstępach, co ma kluczowe znaczenie dla zakłóceń optycznych. Jest to przewaga VIPA nad kratą Echelle. Kiedy obserwowane jest światło wyjściowe, wirtualny układ fazowy działa tak, jakby światło było emitowane z rzeczywistego układu fazowego.
Historia i zastosowania
VIPA został zaproponowany i nazwany przez Shirasaki w 1996 roku. Szczegóły tego nowego podejścia do wytwarzania dyspersji kątowej zostały opisane w patencie. VIPA początkowo cieszyła się szczególnym zainteresowaniem w dziedzinie technologii komunikacji optycznej. VIPA został po raz pierwszy zastosowany do optycznego multipleksowania z podziałem długości fali (WDM) i demultiplekser długości fali wykazano dla odstępu międzykanałowego 0,8 nm, który wówczas był standardowym odstępem międzykanałowym. Później Weiner osiągnął znacznie mniejszą separację kanałów wynoszącą 24 pm i szerokość pasma 3 dB wynoszącą 6 pm przy długości fali 1550 nm. W innym zastosowaniu, wykorzystując zależną od długości fali długość drogi światła wynikającą z dyspersji kątowej VIPA, zbadano i zademonstrowano kompensację dyspersji chromatycznej włókien. Kompensacja została rozwinięta dla systemów przestrajalnych przy użyciu regulowanych luster lub przestrzennego modulatora światła (SLM). Korzystanie z VIPA, odszkodowanie uzyskano również dyspersję trybu polaryzacji . Ponadto zademonstrowano kształtowanie impulsów przy użyciu kombinacji VIPA do rozdzielania/rekombinacji długości fal o wysokiej rozdzielczości i SLM.
Wadą VIPA jest ograniczony zakres swobodnego widma ze względu na wysoki rząd dyfrakcji. Aby rozszerzyć funkcjonalny zakres długości fal, VIPA połączono z regularną siatką dyfrakcyjną, aby uzyskać szerokopasmowy dwuwymiarowy rozpraszacz widma. Ta konfiguracja została eksperymentalnie zademonstrowana dla WDM o wysokiej rozdzielczości (> 1000 kanałów), a także została zastosowana w różnych dziedzinach i urządzeniach, takich jak laserowy grzebień częstotliwości, spektrometr, instrument astrofizyczny, spektroskopia Brillouina w biomechanice, skanowanie wiązki, mikroskopia , tomografii obrazowej i metrologii.
Struktura i zasada działania
Głównym elementem VIPA jest szklana płyta, której normalna jest lekko nachylona w stosunku do światła wejściowego. Jedna strona (strona wlotu światła) szklanej płytki jest pokryta w 100% odblaskowym lustrem, a druga strona (strona wyjścia światła) jest pokryta lustrem o wysokim współczynniku odbicia, ale częściowo przepuszczalnym. Strona ze 100% odbijającym zwierciadłem posiada pokrytą powłoką antyrefleksyjną , przez którą wiązka światła wpada na szklaną taflę. Światło wejściowe jest zogniskowane liniowo na częściowo przepuszczalnym zwierciadle po stronie wyjścia światła. Typowa soczewka ogniskująca liniowo to soczewka cylindryczna , która jest również częścią VIPA. Wiązka światła rozchodzi się za pasem wiązki znajdującym się w pozycji skupionej na linii.
Po wejściu światła do szklanej płytki przez strefę wejściową światła, światło jest odbijane od zwierciadła częściowo przepuszczalnego i zwierciadła w 100% odbijającego, a zatem światło przemieszcza się tam iz powrotem między zwierciadłem częściowo przepuszczalnym a zwierciadłem w 100% odbijającym.
Należy zauważyć, że istnieje krytyczny minimalny kąt nachylenia szklanej płyty, który pozwala światłu wpadającemu przez obszar wlotu światła powrócić tylko do lustra w 100% odbijającego. Gdyby kąt nachylenia wynosił zero, światło odbite od częściowo przepuszczalnego zwierciadła poruszałoby się dokładnie w odwrotnej kolejności i wychodziłoby ze szklanej płytki przez obszar wlotu światła bez odbijania przez zwierciadło w 100% odbijające. Na rysunku dla uproszczenia pominięto załamanie światła na powierzchni szklanej płytki.
Kiedy wiązka światła odbija się za każdym razem od częściowo przepuszczalnego lustra, niewielka część mocy światła przechodzi przez lustro i oddala się od szklanej płytki. Dla wiązki światła przechodzącej przez lustro po wielokrotnym odbiciu położenie ogniska liniowego można zobaczyć na obrazie wirtualnym, obserwując od strony wyjścia światła. Dlatego ta wiązka światła przemieszcza się tak, jakby pochodziła z wirtualnego źródła światła znajdującego się w pozycji ogniska liniowego i odchylonego od wirtualnego źródła światła. Pozycje wirtualnych źródeł światła dla wszystkich transmitowanych wiązek światła są automatycznie wyrównywane wzdłuż normalnej do szklanej płytki ze stałymi odstępami, to znaczy pewna liczba wirtualnych źródeł światła nakłada się na siebie, tworząc optyczny układ fazowy. Z powodu interferencja wszystkich wiązek światła, układ fazowy emituje skolimowaną wiązkę światła w jednym kierunku, który jest pod kątem zależnym od długości fali, a zatem wytwarzana jest dyspersja kątowa.
Rozdzielczość długości fali
Podobnie jak zdolność rozdzielcza siatki dyfrakcyjnej, która jest określona przez liczbę oświetlonych elementów siatki i kolejność dyfrakcji, zdolność rozdzielcza VIPA jest określona przez współczynnik odbicia tylnej powierzchni VIPA i grubość warstwy szklany talerz. W przypadku stałej grubości wysoki współczynnik odbicia powoduje, że światło pozostaje dłużej w VIPA. Tworzy to więcej wirtualnych źródeł światła, a tym samym zwiększa zdolność rozdzielczą. Z drugiej strony, przy niższym współczynniku odbicia światło w VIPA jest szybko tracone, co oznacza, że nakłada się mniej wirtualnych źródeł światła. Powoduje to niższą zdolność rozdzielczą.
W przypadku dużej dyspersji kątowej o wysokiej zdolności rozdzielczej wymiary VIPA powinny być dokładnie kontrolowane. Precyzyjne dostrojenie właściwości VIPA zostało zademonstrowane poprzez opracowanie struktury na bazie elastomeru.
Stały współczynnik odbicia częściowo przepuszczalnego zwierciadła w VIPA wytwarza lorentzowski rozkład mocy, gdy światło wyjściowe jest obrazowane na ekranie, co ma negatywny wpływ na selektywność długości fali. Można to poprawić, zapewniając częściowo przepuszczalne zwierciadło o liniowo zmniejszającym się współczynniku odbicia. Prowadzi to do do Gaussa na ekranie i poprawia selektywność długości fali lub zdolność rozdzielczą.
Prawo dyspersji widmowej
Obliczenia analityczne VIPA zostały po raz pierwszy przeprowadzone przez Vegę w 2003 roku w oparciu o teorię fal płaskich , a ulepszony model oparty na teorii dyfrakcji Fresnela został opracowany przez Xiao w 2004 roku.
Komercjalizacja VIPA
Urządzenia VIPA zostały skomercjalizowane przez LightMachinery jako urządzenia rozpraszające widmo lub komponenty o różnych niestandardowych parametrach projektowych.