Virtuellt avbildad fasad array
En virtuellt avbildad fasad array ( VIPA ) är en vinkeldispersiv enhet som, likt ett prisma eller ett diffraktionsgitter , delar upp ljus i sina spektrala komponenter. Det fungerar nästan oberoende av polarisering . I motsats till prismor eller vanliga diffraktionsgitter har den en mycket högre vinkeldispersion men har ett mindre fritt spektralområde . Denna aspekt liknar den hos ett Echelle-gitter som vanligtvis används vid reflektion, eftersom höga diffraktionsordningar också används där. VIPA kan vara en kompakt optisk komponent med hög våglängdsupplösningsförmåga .
Grundläggande mekanism
I en virtuellt avbildad fasad array är den phased arrayen den optiska analogen till en phased array antenn vid radiofrekvenser. Till skillnad från ett diffraktionsgitter som kan tolkas som en verklig fasad array, i en virtuellt avbildad fasad array skapas den fasade arrayen i en virtuell bild . Närmare bestämt är den optiska fasade matrisen virtuellt bildad med flera virtuella bilder av en ljuskälla. Detta är den grundläggande skillnaden från ett Echelle-gitter, där en liknande fasad array bildas i det verkliga rummet. De virtuella bilderna av en ljuskälla i VIPA:n justeras automatiskt exakt med ett konstant intervall, vilket är avgörande för optisk störning. Detta är en fördel med VIPA framför ett Echelle-galler. När det utgående ljuset observeras, fungerar den virtuellt avbildade fasade arrayen som om ljus emitterades från en riktig fasad array.
Historik och applikationer
VIPA föreslogs och namngavs av Shirasaki 1996. Detaljerna för detta nya tillvägagångssätt för att producera vinkeldispersion beskrevs i patentet. VIPA var från början av särskilt intresse inom området för optisk kommunikationsteknik. VIPA applicerades först på optisk våglängdsmultiplexering (WDM) och en våglängdsdemultiplexer demonstrerades för ett kanalavstånd på 0,8 nm, vilket då var ett standardkanalavstånd. Senare uppnådde Weiner en mycket mindre kanalseparation på 24 pm och en 3 dB bandbredd på 6 pm vid 1550 nm våglängdsområde. För en annan tillämpning, genom att använda den våglängdsberoende längden av ljusvägen på grund av vinkeldispersionen av VIPA, studerades och demonstrerades kompensationen av kromatisk dispersion av fibrer. Kompensationen utvecklades vidare för inställbara system genom att använda justerbara speglar eller en rumslig ljusmodulator (SLM). Med hjälp av VIPA uppnåddes också kompensation för dispersion av polarisationsmod . Dessutom demonstrerades pulsformning med kombinationen av en VIPA för högupplöst våglängdsdelning/rekombinering och en SLM.
En nackdel med VIPA är dess begränsade fria spektralområde på grund av den höga diffraktionsordningen. För att utöka det funktionella våglängdsområdet kombinerades en VIPA med ett vanligt diffraktionsgitter för att tillhandahålla en bredbandig tvådimensionell spektral dispergerare. Denna konfiguration demonstrerades experimentellt för högupplöst WDM (> 1000 kanaler), och har även applicerats på olika fält och enheter, såsom en laserfrekvenskam, en spektrometer, ett astrofysiskt instrument, Brillouin-spektroskopi inom biomekanik, strålskanning, mikroskopi , tomografi och metrologi.
Struktur och verksamhetsprincip
Huvudkomponenten i en VIPA är en glasplatta vars normal är något lutad i förhållande till ingångsljuset. Ena sidan (ljusingångssidan) av glasplattan är belagd med en 100 % reflekterande spegel och den andra sidan (ljusingångssidan) är belagd med en mycket reflekterande men delvis genomsläpplig spegel. Sidan med den 100 % reflekterande spegeln har en antireflexbelagd ljusingång, genom vilken en ljusstråle kommer in i glasplattan. Ingångsljuset är linjefokuserat vid den delvis genomsläppliga spegeln på ljusutgångssidan. En typisk lins med linjefokusering är en cylindrisk lins , som också är en del av VIPA. Ljusstrålen divergerar efter strålens midja i linjefokuserad position.
Efter att ljuset kommer in i glasplattan genom ljusingångsområdet reflekteras ljuset vid den delvis genomsläppliga spegeln och den 100 % reflekterande spegeln, och sålunda färdas ljuset fram och tillbaka mellan den delvis genomsläppliga spegeln och den 100 % reflekterande spegeln.
Det noteras att det finns en kritisk minsta lutningsvinkel för glasplattan, vilket gör att ljuset som kommer in genom ljusingångsområdet endast återgår till den 100 % reflekterande spegeln. Om lutningsvinkeln var noll, skulle det reflekterade ljuset från den delvis genomsläppliga spegeln färdas exakt i omvänd riktning och lämna glasplattan genom ljusingångsområdet utan att reflekteras av den 100 % reflekterande spegeln. I figuren ignorerades brytning vid glasplattans ytor för enkelhets skull.
När ljusstrålen reflekteras varje gång vid den delvis genomsläppliga spegeln, passerar en liten del av ljuseffekten genom spegeln och färdas bort från glasplattan. För en ljusstråle som passerar genom spegeln efter flera reflektioner kan positionen för linjefokusen ses i den virtuella bilden när den observeras från ljusutgångssidan. Därför färdas denna ljusstråle som om den härrörde från en virtuell ljuskälla belägen vid positionen för linjefokus och divergerad från den virtuella ljuskällan. Positionerna för de virtuella ljuskällorna för alla de transmitterade ljusstrålarna inriktas automatiskt längs normalen till glasplattan med ett konstant avstånd, det vill säga ett antal virtuella ljuskällor överlagras för att skapa en optisk fasad array. På grund av interferensen från alla ljusstrålarna sänder den fasade arrayen ut en kollimerad ljusstråle i en riktning, som är i en våglängdsberoende vinkel, och därför alstras en vinkeldispersion.
Våglängdsupplösning
På samma sätt som upplösningsförmågan hos ett diffraktionsgitter, som bestäms av antalet belysta gitterelement och diffraktionsordningen, bestäms upplösningsförmågan för en VIPA av reflektionsförmågan hos baksidan av VIPA:n och tjockleken på glastallrik. För en fast tjocklek gör en hög reflektivitet ljuset att stanna längre i VIPA. Detta skapar fler virtuella ljuskällor och ökar därmed upplösningsförmågan. Å andra sidan, med en lägre reflektivitet, förloras ljuset i VIPA snabbt, vilket innebär att färre virtuella ljuskällor överlagras. Detta resulterar i lägre upplösningsförmåga.
För stor vinkelspridning med hög upplösningsförmåga bör dimensionerna på VIPA kontrolleras noggrant. Finjustering av VIPA-egenskaperna demonstrerades genom att utveckla en elastomerbaserad struktur.
En konstant reflektivitet hos den partiellt transmissiva spegeln i VIPA producerar en Lorentzisk effektfördelning när det utgående ljuset avbildas på en skärm, vilket har en negativ effekt på våglängdsselektiviteten. Detta kan förbättras genom att förse den partiellt transmissiva spegeln med en linjärt minskande reflektivitet. Detta leder till en gaussliknande effektfördelning på en skärm och förbättrar våglängdsselektiviteten eller upplösningsförmågan.
Spektral spridningslag
En analytisk beräkning av VIPA utfördes först av Vega 2003 baserad på teorin om plana vågor och en förbättrad modell baserad på Fresnel-diffraktionsteorin utvecklades av Xiao 2004.
Kommersialisering av VIPA
VIPA-enheter har kommersialiserats av LightMachinery som spektrala spridningsenheter eller komponenter med olika anpassade designparametrar.