stringtranslate.com

Виртуально отображаемая фазированная решетка

Функция и структура VIPA

Виртуально отображаемая фазированная решетка ( VIPA ) [ 1] представляет собой угловое дисперсионное устройство, которое, подобно призме или дифракционной решетке , расщепляет свет на его спектральные компоненты. Устройство работает практически независимо от поляризации . В отличие от призм или обычных дифракционных решеток, VIPA имеет гораздо более высокую угловую дисперсию, но имеет меньший свободный спектральный диапазон . Этот аспект аналогичен аспекту решетки Эшелле , поскольку она также использует высокие порядки дифракции. Чтобы преодолеть этот недостаток, VIPA можно объединить с дифракционной решеткой. VIPA представляет собой компактный спектральный диспергатор с высокой разрешающей способностью по длине волны .

Основной механизм

В виртуально отображаемой фазированной решетке фазированная решетка является оптическим аналогом фазированной антенной решетки на радиочастотах. В отличие от дифракционной решетки, которую можно интерпретировать как реальную фазированную решетку, в виртуально отображаемой фазированной решетке фазированная решетка создается в виртуальном изображении . Более конкретно, оптическая фазированная решетка виртуально формируется с помощью нескольких виртуальных изображений источника света. Это принципиальное отличие от решетки Эшелле, где аналогичная фазированная решетка формируется в реальном пространстве. Виртуальные изображения источника света в VIPA автоматически выравниваются точно с постоянным интервалом, что имеет решающее значение для оптической интерференции. Это преимущество VIPA перед решеткой Эшелле. Когда наблюдается выходной свет, виртуально отображаемая фазированная решетка работает так, как если бы свет испускался реальной фазированной решеткой.

История и применение

VIPA был предложен и назван Ширасаки в 1996 году. [1] До публикации в статье Ширасаки сделал предварительную презентацию на конференции. [2] Эта презентация была опубликована в Laser Focus World. [3] Подробности этого нового подхода к созданию угловой дисперсии были описаны в патенте. [4] С тех пор, в течение первых десяти лет, VIPA представлял особый интерес в области технологии оптоволоконной связи. VIPA был впервые применен для оптического мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), и был продемонстрирован демультиплексор длины волны для расстояния между каналами 0,8 нм, [1] что было стандартным расстоянием между каналами в то время. Позже, в 2005 году, Вайнером было достигнуто гораздо меньшее разделение каналов в 24 пм и полоса пропускания 3 дБ в 6 пм в диапазоне длин волн 1550 нм. [5] Для другого применения, используя длину светового пути, зависящую от длины волны из-за угловой дисперсии VIPA, была изучена и продемонстрирована компенсация хроматической дисперсии волокон (Shirasaki, 1997). [6] [7] [8] Компенсация была дополнительно разработана для настраиваемых систем с использованием регулируемых зеркал [9] [10] [11] или пространственного модулятора света (Weiner, 2006). [12] Используя VIPA, также была достигнута компенсация дисперсии поляризационной моды (Weiner, 2008). [13] Кроме того, было продемонстрировано формирование импульса с использованием комбинации VIPA для расщепления/рекомбинации длин волн с высоким разрешением и SLM (Weiner, 2010). [14]

Недостатком VIPA является его ограниченный свободный спектральный диапазон из-за высокого порядка дифракции. Чтобы расширить функциональный диапазон длин волн, Ширасаки в 1997 году объединил VIPA с обычной дифракционной решеткой, чтобы получить широкополосный двумерный спектральный диспергатор. [15] Эта конфигурация может быть высокопроизводительной заменой дифракционных решеток во многих решеточных приложениях. После середины 2000-х годов двумерный диспергатор VIPA использовался в различных областях и устройствах, таких как WDM высокого разрешения (Weiner, 2004), [16] лазерная частотная гребенка (Diddams, 2007), [17] спектрометр (Nugent-Glandorf, 2012), [18] астрофизические инструменты (Le Coarer, 2017, Bourdarot, 2018, Delboulbé, 2022 и Stacey, 2024), [19] [20] [21] [22] спектроскопия Бриллюэна в биомеханике (Scarcelli, 2008, Rosa, 2018 и Margueritat, 2020), [23] [24] [25] другие спектроскопии Бриллюэна (Loubeyre, 2022 и Wu, 2023), [26] [27] сканирование луча (Ford, 2008), [28] микроскопия (Jalali, 2009), [29] томография (Ellerbee, 2014), [30] метрология (Bhattacharya, 2015), [31] волоконный лазер (Xu, 2020), [32] LiDAR (Fu, 2021), [33] и измерение поверхности (Zhu, 2022). [34]

Структура и принцип работы

Принцип работы VIPA

Основным компонентом VIPA является стеклянная пластина, нормаль которой слегка наклонена по отношению к входному свету. Одна сторона (сторона входа света) стеклянной пластины покрыта 100% отражающим зеркалом, а другая сторона (сторона выхода света) покрыта высокоотражающим, но частично пропускающим зеркалом. Сторона со 100% отражающим зеркалом имеет антибликовое покрытие области входа света, через которое световой луч попадает в стеклянную пластину. Входной свет фокусируется по линии (фокальной линии) на частично пропускающем зеркале на стороне выхода света. Типичная линза с фокусировкой по линии — это цилиндрическая линза , которая также является частью VIPA. Световой луч расходится после перетяжки луча, расположенной в положении фокусировки по линии.

После того, как свет попадает на стеклянную пластину через область входа света, он отражается от частично пропускающего зеркала и 100% отражающего зеркала, и таким образом свет перемещается вперед и назад между частично пропускающим зеркалом и 100% отражающим зеркалом.

Отмечено, что стеклянная пластина наклонена в результате ее небольшого вращения, где ось вращения является фокальной линией. Это вращение/наклон не позволяет свету покидать стеклянную пластину из области входа света. Поэтому для того, чтобы оптическая система работала как VIPA, существует критический минимальный угол наклона, который позволяет свету, входящему через область входа света, возвращаться только к 100% отражающему зеркалу. [1] Ниже этого угла функция VIPA серьезно ухудшается. Если бы угол наклона был равен нулю, отраженный свет от частично пропускающего зеркала двигался бы точно в обратном направлении и выходил бы из стеклянной пластины через область входа света, не отражаясь 100% отражающим зеркалом. На рисунке преломление на поверхностях стеклянной пластины было проигнорировано для простоты. [1]

Когда световой луч отражается каждый раз от частично пропускающего зеркала, небольшая часть световой мощности проходит через зеркало и уходит от стеклянной пластины. Для светового луча, проходящего через зеркало после многократных отражений, положение линейного фокуса можно увидеть на виртуальном изображении при наблюдении со стороны выхода света. Таким образом, этот световой луч движется так, как если бы он возник в виртуальном источнике света, расположенном в положении линейного фокуса, и расходился от виртуального источника света. Положения виртуальных источников света для всех переданных световых лучей автоматически выравниваются вдоль нормали к стеклянной пластине с постоянным интервалом, то есть несколько виртуальных источников света накладываются друг на друга для создания оптической фазированной решетки. Из-за интерференции всех световых лучей фазированная решетка излучает коллимированный световой луч в одном направлении, который находится под углом, зависящим от длины волны, и, следовательно, создается угловая дисперсия.

Разрешение по длине волны

Подобно разрешающей способности дифракционной решетки, которая определяется числом освещенных элементов решетки и порядком дифракции, разрешающая способность VIPA определяется отражательной способностью задней поверхности VIPA и толщиной стеклянной пластины. При фиксированной толщине высокая отражательная способность заставляет свет дольше оставаться в VIPA. Это создает больше виртуальных источников света и, таким образом, увеличивает разрешающую способность. С другой стороны, при более низкой отражательной способности свет в VIPA быстро теряется, что означает, что накладывается меньше виртуальных источников света. Это приводит к более низкой разрешающей способности.

Для большой угловой дисперсии с высокой разрешающей способностью размеры VIPA должны точно контролироваться. Тонкая настройка характеристик VIPA была продемонстрирована путем разработки структуры на основе эластомера (Metz, 2013). [35]

Постоянная отражательная способность частично пропускающего зеркала в VIPA создает лоренцево распределение мощности, когда выходной свет отображается на экране, что отрицательно влияет на селективность длины волны. Это можно улучшить, снабдив частично пропускающее зеркало линейно уменьшающейся отражательной способностью. Это приводит к гауссово -подобному распределению мощности на экране и улучшает селективность длины волны или разрешающую способность. [36]

Закон спектральной дисперсии

Аналитический расчет VIPA был впервые выполнен Вегой и Вайнером в 2003 году [37] на основе теории плоских волн , а усовершенствованная модель, основанная на теории дифракции Френеля, была разработана Сяо и Вайнером в 2004 году [38].

Коммерциализация VIPA

Устройства VIPA были выведены на рынок компанией LightMachinery в качестве спектральных диспергирующих устройств или компонентов с различными индивидуальными конструктивными параметрами.

Ссылки

  1. ^ abcde Ширасаки, М. (1996). "Большая угловая дисперсия с помощью виртуально отображаемой фазированной решетки и ее применение в демультиплексоре длин волн". Optics Letters . 21 (5): 366–8. Bibcode :1996OptL...21..366S. doi :10.1364/OL.21.000366. PMID  19865407.
  2. ^ Ширасаки, М. (октябрь 1995 г.). Большая угловая дисперсия с помощью виртуально-изображенной фазированной решетки (VIPA) и ее применение для демультиплексирования длин волн. 5-я конференция по микрооптике (MOC'95). Хиросима, Япония. Статья PD3. Архивировано из оригинала 2023-11-18 . Получено 2024-10-08 .
  3. ^ "Виртуальный массив изображений разделяет свет на десять длин волн". Laser Focus World . 31 (12): 30–33. Декабрь 1995. Архивировано из оригинала 2024-05-27 . Получено 2024-10-08 .
  4. ^ Патент США 5,999,320, Ширасаки, М., «Виртуально отображаемая фазированная решетка как демультиплексор длин волн».  Архивировано 19 ноября 2023 г. на Wayback Machine.
  5. ^ Сяо, С.; Вайнер, А.М. (2005). «Восьмиканальный сверхтонкий демультиплексор длин волн с использованием виртуально отображаемой фазированной решетки (VIPA)». IEEE Photonics Technology Letters . 17 (2): 372. Bibcode : 2005IPTL...17..372X. doi : 10.1109/LPT.2004.839017. S2CID  37277234.
  6. ^ Ширасаки, М. (июль 1997 г.). Компенсация хроматической дисперсии с использованием виртуально отображаемой фазированной решетки. Оптические усилители и их применение. Виктория, Канада. Статья PDP-8.
  7. ^ Ширасаки, М. (1997). «Компенсатор хроматической дисперсии с использованием виртуально отображаемой фазированной решетки». IEEE Photonics Technology Letters . 9 (12): 1598–1600. Bibcode : 1997IPTL....9.1598S. doi : 10.1109/68.643280. S2CID  25043474.
  8. ^ Ширасаки, М.; Као, С. (март 2001 г.). Компенсация хроматической дисперсии и наклона дисперсии с использованием виртуально отображаемой фазированной решетки. Конференция по оптоволоконной связи 2001 г. Анахайм, Калифорния. Статья TuS1. Архивировано из оригинала 17.03.2020 . Получено 15.05.2019 .
  9. ^ Ширасаки, М.; Кавахата, И.; Као, С.; Оои, Х.; Митамура, Н.; Исоно, Х.; Ишикава, Г.; Барбаросса, Г.; Янг, К.; Линь, К. (сентябрь 2000 г.). Компенсатор переменной дисперсии с использованием виртуально отображаемой фазированной решетки (VIPA) для систем передачи WDM со скоростью 40 Гбит/с . Европейская конференция по оптической связи 2000 г. Мюнхен, Германия. Доклад PD-2.3.
  10. ^ Garrett, LD; Gnauck, AH; Eiselt, MH; Tkach, RW; Yang, C.; Mao, C.; Cao, S. (март 2000 г.). Демонстрация устройства с виртуальным изображением фазированной решетки для настраиваемой компенсации дисперсии при передаче WDM 16 X 10 Гбит/с по стандартному волокну длиной 480 км. Конференция по оптоволоконной связи 2000 г. Балтимор, Мэриленд. Статья PD7. Архивировано из оригинала 10.03.2020 г. Получено 15.05.2019 г.
  11. ^ Cao, S.; Lin, C.; Barbarossa, G.; Yang, C. (июль 2001 г.). Динамически настраиваемая компенсация наклона дисперсии с использованием виртуально отображаемой фазированной решетки (VIPA) . 2001 LEOS Летние тематические встречи Tech. Dig. Copper Mountain, CO.
  12. ^ Ли, ГХ; Сяо, С.; Вайнер, А.М. (2006). «Оптический компенсатор дисперсии с диапазоном настройки >4000 пс/нм с использованием виртуально отображаемой фазированной решетки (VIPA) и пространственного модулятора света (SLM)». IEEE Photonics Technology Letters . 18 (17): 1819. Bibcode : 2006IPTL...18.1819L. doi : 10.1109/LPT.2006.880732. S2CID  2418483.
  13. ^ Miao, H.; Weiner, AM; Mirkin, L.; Miller, PJ (2008). "Компенсация дисперсии поляризационных мод (PMD) AII-порядка с помощью формирователя импульсов на основе виртуально отображаемой фазированной решетки (VIPA)". IEEE Photonics Technology Letters . 20 (8): 545. Bibcode : 2008IPTL...20..545M. doi : 10.1109/LPT.2008.918893. S2CID  26711798.
  14. ^ Supradeepa, VR; Hamidi, E.; Leaird, DE; Weiner, AM (2010). "Новые аспекты временной дисперсии в формировании импульсов Фурье с высоким разрешением: количественное описание с помощью формирователей импульсов с виртуально отображаемой фазированной решеткой". Журнал оптического общества Америки B . 27 (9): 1833. arXiv : 1004.4693 . Bibcode :2010JOSAB..27.1833S. doi :10.1364/JOSAB.27.001833. S2CID  15594268.
  15. ^ Патент США 5,973,838, Ширасаки, М., «Устройство, которое включает в себя виртуально отображаемую фазированную решетку (VIPA) в сочетании с разделителем длины волны для демультиплексирования света с разделением по длине волны (WDM)». Архивировано 08.10.2024 на Wayback Machine 
  16. ^ Xiao, S.; Weiner, AW (2004). «Двумерный демультиплексор длин волн с потенциалом для >1000 каналов в C-диапазоне». Optics Express . 12 (13): 2895–902. Bibcode : 2004OExpr..12.2895X. doi : 10.1364/OPEX.12.002895 . PMID  19483805. S2CID  22626277.
  17. ^ Diddams, SA; Hollberg, L.; Mbele, V. (2007). «Молекулярная дактилоскопия с разрешенными модами фемтосекундной лазерной частотной гребенки». Nature (журнал) . 445 (7128): 627–630. doi :10.1038/nature05524. PMID  17287805. S2CID  4420945.
  18. ^ Nugent-Glandorf, L.; Neely, T.; Adler, F.; Fleisher, AJ; Cossel, KC; Bjork, B.; Dinneen, T.; Ye, J.; Diddams, SA (2012). «Спектрометр с фазированной решеткой с виртуальным изображением в среднем инфракрасном диапазоне для быстрого и широкополосного обнаружения следов газа». Optics Letters . 37 (15): 3285–7. arXiv : 1206.1316 . Bibcode :2012OptL...37.3285N. doi :10.1364/OL.37.003285. PMID  22859160. S2CID  16831767.
  19. ^ Bourdarot, G.; Coarer, EL; Bonfils, X.; Alecian, E.; Rabou, P.; Magnard, Y. (2017). "NanoVipa: миниатюрный эшелле-спектрометр высокого разрешения для мониторинга молодых звезд с 6U Cubesat". CEAS Space Journal . 9 (4): 411. Bibcode : 2017CEAS....9..411B. doi : 10.1007/s12567-017-0168-2. S2CID  125787048.
  20. ^ Бурдаро, Г.; Ле Коарер, Э.; Муйе, Д.; Коррейя, Дж.; Жоку, Л.; Рабу, П.; Карлотти, А.; Бонфилс, X.; Артигау, Э.; Валле, П.; Дойон, Р.; Форвей, Т.; Стадлер, Э.; Магнар, Ю.; Виган, А. (2018). Экспериментальное испытание спектрометра R = 100000 длиной 40 см для определения характеристик экзопланеты. SPIE Астрономические телескопы + приборы 2018. Остин, Техас. Бумага 10702-217.
  21. ^ Карлотти, А.; Бидо, А.; Муйе, Д.; Коррейя, Джей-Джей; Жоку, Л.; Кураба, С.; Дельбульбе, А.; Ле-Коарер, Э.; Рабу, П.; Бурдаро, Г.; Форвей, Т.; Бонфилс, X.; Васишт, Г.; Мавет, Д.; Буррусс, РС; Оппенгеймер, Р.; Дойон, Р.; Артигау, Э.; Валле, П. (2022). Демонстрация на небе в Паломарской обсерватории спектрометра VIPA ближнего ИК-диапазона. Астрономические телескопы SPIE + приборы 2022. Монреаль, Канада. Бумага 12184.
  22. ^ Никола, Т.; Зоу, Б.; Стейси, Г.; Коннорс, Дж.; Котхард, Н.; Кутырев, А.; Ментцелл, Э.; Ростем, К.; Воллак, Э.; Джеллема, В.; Као, Т.; Ли, А. (2024). Виртуально-изображенная фазированная решетка (VIPA): демонстрация следующего поколения спектрометра прямого обнаружения для спектроскопии с разрешением по скорости в дальнем инфракрасном диапазоне. SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2024. Иокогама, Япония. Статья 13102-33.
  23. ^ Scarcelli, G.; Yun, SH (2008). «Конфокальная микроскопия Бриллюэна для трехмерной механической визуализации». Nature Photonics . 2 (1): 39–43. Bibcode :2008NaPho...2...39S. doi :10.1038/nphoton.2007.250. PMC 2757783 . PMID  19812712. 
  24. ^ Антоначчи, Г.; де Туррис, В.; Роза, А.; Руокко, Г. (2018). «Микроскопия Бриллюэна с отклонением фона выявляет измененную биомеханику внутриклеточных стрессовых гранул белком ALS FUS». Communications Biology . 10 (139): 139. doi :10.1038/s42003-018-0148-x. PMC 6131551 . PMID  30272018. 
  25. ^ Ян, Г.; Базир, А.; Маргерита, Дж.; Деу, Т. (2020). «Оценка коммерческих виртуально отображаемых фазовых решеток и бриллюэновских спектрометров на основе Фабри-Перо для применения в биологии». Biomedical Optics Express . 11 (12): 6933–6944. doi : 10.1364/BOE.401087 . PMC 7747923. PMID  33408971 . 
  26. ^ Forestier, A; Weck, G; Datchi, F; Loubeyre, P (2022). «Характеристики спектрометра на основе VIPA для экспериментов по рассеянию Бриллюэна в ячейке с алмазной наковальней при лазерном нагреве». High Pressure Research . 42 (3): 259–277. Bibcode : 2022HPR....42..259F. doi : 10.1080/08957959.2022.2109968. Архивировано из оригинала 2024-10-08 . Получено 2024-10-08 .
  27. ^ Salzenstein, P; Wu, T (2023). «Оценка неопределенности для измерения сдвига частоты Бриллюэна с использованием сканирующего тандемного интерферометра Фабри–Перо». Micromachines . 14 (7): 1429. doi : 10.3390/mi14071429 . PMC 10386179 . PMID  37512740. 
  28. ^ Чан, Т.; Мысливет, Э.; Форд, Дж. Э. (2008). «2-мерное управление лучом с использованием дисперсионных дефлекторов и настройки длины волны». Optics Express . 16 (19): 14617–28. Bibcode : 2008OExpr..1614617C. doi : 10.1364/OE.16.014617 . PMID  18794998. S2CID  24244961.
  29. ^ Tsia, KK; Goda, K.; Capewell, D.; Jalali, B. (2009). «Одновременная конфокальная микроскопия без механического сканирования и лазерная микрохирургия». Optics Letters . 34 (14): 2099–101. Bibcode : 2009OptL...34.2099T. doi : 10.1364/OL.34.002099. hdl : 10722/91309 . PMID  19823514. S2CID  6265532.
  30. ^ Ли, HY; Марвадашти, T.; Дуан, L.; Хан, SA; Эллерби, AK (2014). «Масштабируемое мультиплексирование для параллельной визуализации с чередующейся оптической когерентной томографией». Biomedical Optics Express . 5 (9): 3192–203. doi :10.1364/BOE.5.003192. PMC 4230859. PMID  25401031 . 
  31. ^ Берг, СА; Элдик, С.; Бхаттачарья, Н. (2015). «Интерферометрия частотной гребенки с разрешением по моде для высокоточных измерений на больших расстояниях». Scientific Reports . 5 : 14661. Bibcode :2015NatSR...514661V. doi :10.1038/srep14661. PMC 4588503 . PMID  26419282. 
  32. ^ Чэнь, X; Гао, Y; Цзян, J; Лю, M; Луо, A; Луо, Z; Сюй, W (2020). «Высокочастотный импульсный волоконный лазер на основе виртуально отображаемой фазированной решетки». Chinese Optics Letters . 18 (7): 071403. Bibcode : 2020ChOpL..18g1403C. doi : 10.3788/COL202018.071403.
  33. ^ Ли, З; Занг, З; Хан, И; Ву, Л; Фу, Х (2021). «Твердотельный FMCW LiDAR с двумерным спектральным сканированием с использованием виртуально отображаемой фазированной решетки». Optics Express . 29 (11): 16547–16562. Bibcode : 2021OExpr..2916547L. doi : 10.1364/OE.418003 . PMID  34154215.
  34. ^ Zou, W; Peng, C; Liu, A; Zhu, R; Ma, J; Gao, L (2022). «Сверхбыстрая двумерная визуализация для измерения дефектов поверхности зеркал на основе виртуально отображаемой фазированной решетки». Optics Express . 30 (21): 37235–37244. Bibcode : 2022OExpr..3037235Z. doi : 10.1364/OE.469315 . PMID  36258315.
  35. ^ Metz, P.; Block, H.; Behnke, C.; Krantz, M.; Gerken, M.; Adam, J. (2013). «Настраиваемая эластомерная виртуально отображаемая фазированная решетка». Optics Express . 21 (3): 3324–35. Bibcode : 2013OExpr..21.3324M. doi : 10.1364/OE.21.003324 . PMID  23481792.
  36. ^ Ширасаки, М.; Ахтер, А. Н.; Лин, К. (1999). «Виртуально отображаемая фазированная решетка с градуированной отражательной способностью». IEEE Photonics Technology Letters . 11 (11): 1443. Bibcode : 1999IPTL...11.1443S. doi : 10.1109/68.803073. S2CID  8915803.
  37. ^ Vega, A.; Weiner, AM; Lin, C. (2003). «Обобщенное уравнение решетки для спектральных диспергаторов с виртуальным изображением фазированной решетки». Applied Optics . 42 (20): 4152–5. Bibcode :2003ApOpt..42.4152V. doi :10.1364/AO.42.004152. PMID  12856727.
  38. ^ Сяо, С.; Вайнер, А.М.; Линь, К. (2004). «Закон дисперсии для спектральных диспергаторов с виртуальным изображением фазированной решетки на основе теории параксиальных волн». Журнал квантовой электроники IEEE . 40 (4): 420. Bibcode : 2004IJQE...40..420X. doi : 10.1109/JQE.2004.825210. S2CID  1352376.