✖


Jump to content

Фазированная решетка с виртуальным изображением

«Випа» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о тропическом шторме, см. Wipha .
Функции и структура VIPA

( Фазовая решетка с виртуальным изображением ВИПА ) — это устройство угловой дисперсии , которое подобно призме или дифракционной решетке разделяет 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 меньший свободный спектральный диапазон . Этот аспект аналогичен решетке Эшель , поскольку в ней также используются высокие порядки дифракции. Чтобы преодолеть этот недостаток, VIPA можно объединить с дифракционной решеткой. VIPA — это компактный спектральный рассеиватель с высокой разрешающей способностью по длине волны .

Основной механизм

[ редактировать ]

В фазированной решетке с виртуальным изображением фазированная решетка является оптическим аналогом фазированной антенной решетки на радиочастотах. В отличие от дифракционной решетки, которую можно интерпретировать как реальную фазированную решетку, в виртуальной фазированной решетке фазированная решетка создается в виртуальном изображении . Более конкретно, оптическая фазированная решетка виртуально формируется из множества виртуальных изображений источника света. В этом принципиальное отличие от решетки Эшелле, где аналогичная ФАР формируется в реальном пространстве. Виртуальные изображения источника света в VIPA автоматически выравниваются точно с постоянным интервалом, что критично для оптических помех. В этом преимущество VIPA перед решеткой Echelle. Когда наблюдается выходной свет, виртуально отображаемая фазированная решетка работает так, как если бы свет излучался из реальной фазированной решетки.

История и приложения

[ редактировать ]

VIPA была предложена и названа Ширасаки в 1996 году. [1] Перед публикацией статьи Ширасаки сделал предварительную презентацию на конференции. [2] Об этом сообщает издание Laser Focus World. [3] Детали этого нового подхода к созданию угловой дисперсии описаны в патенте. [4] С тех пор, в первые десять лет, VIPA вызывала особый интерес в области технологий оптоволоконной связи. VIPA был впервые применен для оптического мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), а демультиплексор длины волны был продемонстрирован для расстояния между каналами 0,8 нм. [1] это было стандартное расстояние между каналами в то время. Позже в 2005 году Вайнер в диапазоне длин волн 1550 нм достиг гораздо меньшего разделения каналов - 24 пм и полосы пропускания 3 дБ - 6 пм. [5] Для другого применения, используя зависящую от длины волны длину светового пути из-за угловой дисперсии VIPA, была изучена и продемонстрирована компенсация хроматической дисперсии волокон (Ширасаки, 1997). [6] [7] Компенсация была доработана для настраиваемых систем за счет использования регулируемых зеркал. [8] [9] [10] или пространственный модулятор света (Weiner, 2006). [11] С помощью VIPA также была достигнута компенсация дисперсии мод поляризации (Weiner, 2008). [12] Кроме того, было продемонстрировано формирование импульса с использованием комбинации VIPA для разделения/рекомбинации длин волн высокого разрешения и SLM (Weiner, 2010). [13]

Недостатком VIPA является ограниченный свободный спектральный диапазон из-за высокого порядка дифракции. Чтобы расширить функциональный диапазон длин волн, в 1997 году Ширасаки объединил VIPA с обычной дифракционной решеткой, чтобы создать широкополосный двумерный спектральный диспергатор. [14] Эта конфигурация может стать высокоэффективной заменой дифракционных решеток во многих приложениях. После середины 2000-х годов двумерный диспергатор VIPA стал использоваться в различных областях и устройствах, таких как WDM высокого разрешения (Weiner, 2004), [15] лазерная гребенка частот (Диддамс, 2007), [16] спектрометр (Ньюджент-Гландорф, 2012), [17] астрофизические инструменты (Ле Коарер, 2017 г., Бурдаро, 2018 г. и Стейси, 2024 г.), [18] [19] [20] Спектроскопия Бриллюэна в биомеханике (Скарчелли, 2008, Роза, 2018 и Маргарита, 2020), [21] [22] [23] другая спектроскопия Бриллюэна (Loubeyre, 2022 и Wu, 2023), [24] [25] лучевое сканирование (Форд, 2008), [26] микроскопия (Джалали, 2009), [27] томография (Эллерби, 2014), [28] метрология (Бхаттачарья, 2015), [29] волоконный лазер (Сюй, 2020 г.), [30] ЛиДАР (Фу, 2021 г.), [31] и измерение поверхности (Чжу, 2022). [32]

Структура и принцип работы

[ редактировать ]
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 зеркалом с высокой отражающей способностью, но частично пропускающим. Сторона со 100% отражающим зеркалом имеет зону входа света с антибликовым покрытием , через которую луч света попадает на стеклянную пластину. Входной свет фокусируется на линии (фокальной линии) на частично пропускающем зеркале на стороне выхода света. Типичная линза с линейной фокусировкой представляет собой цилиндрическую линзу , которая также входит в состав VIPA. Световой луч расходится после перетяжки луча , расположенной в положении сфокусированной линии.

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

Отмечается, что стеклянная пластинка наклоняется в результате ее небольшого поворота, причем осью вращения является фокальная линия. Такое вращение/наклон предотвращает выход света из стеклянной пластины за пределы зоны входа света. Следовательно, для того, чтобы оптическая система работала как VIPA, существует критический минимальный угол наклона, который позволяет свету, попадающему через область входа света, возвращаться только к 100% отражающему зеркалу. [1] Ниже этого угла функция VIPA серьезно нарушена. 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 от 100% отражающего зеркала. На рисунке для простоты не учитывалось преломление на поверхностях стеклянной пластинки. [1]

Когда световой луч каждый раз отражается от частично пропускающего зеркала, небольшая часть световой мощности проходит через зеркало и уходит от стеклянной пластины. Для светового луча, проходящего через зеркало после многократного отражения, положение линии-фокуса можно увидеть на виртуальном изображении, если наблюдать со стороны выхода света. Следовательно, этот световой луч движется так, как если бы он возник у виртуального источника света, расположенного в положении линии-фокуса и отклонившегося от виртуального источника света. Положения виртуальных источников света для всех проходящих световых лучей автоматически выравниваются по 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, которое находится под углом, зависящим от длины волны, и, следовательно, создается угловая дисперсия.

Разрешение по длине волны

[ редактировать ]

Подобно разрешающей способности дифракционной решетки, которая определяется количеством освещаемых элементов решетки и порядком дифракции, разрешающая способность VIPA определяется отражательной способностью задней поверхности VIPA и толщиной стеклянная пластинка. При фиксированной толщине высокая отражательная способность позволяет свету 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, а это означает, что накладывается меньше виртуальных источников света. Это приводит к снижению разрешающей способности.

Для большой угловой дисперсии при высокой разрешающей способности следует точно контролировать размеры ВИПА. Точная настройка характеристик VIPA была продемонстрирована путем разработки структуры на основе эластомера (Metz, 2013). [33]

Постоянная отражательная способность частично пропускающего зеркала в VIPA создает лоренцево распределение мощности, когда выходной свет отображается на экране, что отрицательно влияет на селективность по длине волны. Это можно улучшить, предоставив частично пропускающему зеркалу линейно уменьшающуюся отражательную способность. Это приводит к гауссову распределению мощности на экране и улучшает избирательность по длине волны или разрешающую способность. [34]

Спектральный закон дисперсии

[ редактировать ]

Аналитический расчет VIPA впервые был выполнен Вегой и Вайнером в 2003 году. [35] основанная на теории плоских волн , а улучшенная модель, основанная на теории дифракции Френеля, была разработана Сяо и Вайнером в 2004 году. [36]

Коммерциализация VIPA

[ редактировать ]

Устройства VIPA были коммерциализированы LightMachinery как устройства или компоненты спектрального рассеивания с различными индивидуальными параметрами конструкции.

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д Ширасаки, М. (1996). «Большая угловая дисперсия фазированной решетки с виртуальным изображением и ее применение в демультиплексоре длин волн». Оптические письма . 21 (5): 366–8. Бибкод : 1996OptL...21..366S . дои : 10.1364/OL.21.000366 . ПМИД   19865407 .
  2. ^ Ширасаки, М. (октябрь 1995 г.). Большая угловая дисперсия с помощью фазированной решетки с виртуальным изображением (VIPA) и ее применение для демультиплексирования длин волн . 5-я конференция по микрооптике (MOC'95). Хиросима, Япония. Бумага ПД3.
  3. ^ «Виртуальный массив изображений разделяет свет на десять длин волн» . Мир лазерного фокуса . 31 (12): 30–33. Декабрь 1995 года.
  4. ^ Патент США № 5,999,320 , Ширасаки, М., «Фазированная решетка с виртуальным изображением как демультиплексор длины волны».  
  5. ^ Сяо, С.; Вайнер, AM (2005). «Восьмиканальный сверхтонкий демультиплексор длин волн, использующий фазированную решетку с виртуальным изображением (VIPA)». Письма IEEE Photonics Technology . 17 (2): 372. Бибкод : 2005IPTL...17..372X . дои : 10.1109/LPT.2004.839017 . S2CID   37277234 .
  6. ^ Ширасаки, М. (1997). «Компенсатор хроматической дисперсии с использованием фазированной решетки с виртуальным изображением». Письма IEEE Photonics Technology . 9 (12): 1598–1600. Бибкод : 1997IPTL....9.1598S . дои : 10.1109/68.643280 . S2CID   25043474 .
  7. ^ Ширасаки, М.; Цао, С. (март 2001 г.). Компенсация хроматической дисперсии и крутизны дисперсии с использованием фазированной решетки с виртуальным изображением . 2001 Конференция по оптоволоконной связи. Анахайм, Калифорния. Бумага ТуС1.
  8. ^ Ширасаки, М.; Кавахата, Ю.; Цао, С.; Оой, Х.; Митамура, Н.; Исоно, Х.; Исикава, Г.; Барбаросса, Г.; Ян, К.; Лин, К. (сентябрь 2000 г.). Компенсатор переменной дисперсии с использованием фазированной решетки с виртуальным изображением (VIPA) для систем передачи WDM 40 Гбит/с . Европейская конференция 2000 г. по оптической связи. Мюнхен, Германия. Бумага ПД-2.3.
  9. ^ Гарретт, LD; Гнаук, А.Х.; Эйзельт, Миннесота; Ткач, RW; Ян, К.; Мао, К.; Цао, С. (март 2000 г.). Демонстрация устройства с фазированной решеткой с виртуальным изображением для настраиваемой компенсации дисперсии при передаче WDM 16 x 10 Гбит/с по стандартному оптоволокну на расстояние 480 км . 2000 Конференция по оптоволоконной связи. Балтимор, Мэриленд. Бумага ПД7.
  10. ^ Цао, С.; Лин, К.; Барбаросса, Г.; Ян, К. (июль 2001 г.). Динамически настраиваемая компенсация наклона дисперсии с использованием фазированной решетки с виртуальным изображением (VIPA) . 2001 Летние тематические встречи LEOS Tech. Копать. Коппер-Маунтин, Колорадо.
  11. ^ Ли, GH; Сяо, С.; Вайнер, AM (2006). «Оптический компенсатор дисперсии с диапазоном настройки> 4000 пс/нм с использованием фазированной решетки с виртуальным отображением (VIPA) и пространственного модулятора света (SLM)». Письма IEEE Photonics Technology . 18 (17): 1819. Бибкод : 2006IPTL...18.1819L . дои : 10.1109/LPT.2006.880732 . S2CID   2418483 .
  12. ^ Мяо, Х.; Вайнер, AM; Миркин Л.; Миллер, П.Дж. (2008). «Компенсация поляризационной модовой дисперсии (PMD) AII-порядка с помощью формирователя импульсов на основе фазированной решетки с виртуальным изображением (VIPA)». Письма IEEE Photonics Technology . 20 (8): 545. Бибкод : 2008IPTL...20..545M . дои : 10.1109/LPT.2008.918893 . S2CID   26711798 .
  13. ^ Супрадипа, ВР; Хамиди, Э.; Леэрд, Делавэр; Вайнер, AM (2010). «Новые аспекты временной дисперсии при формировании импульсов Фурье с высоким разрешением: количественное описание с помощью формирователей импульсов с фазированной решеткой с виртуальным отображением». Журнал Оптического общества Америки Б. 27 (9): 1833. arXiv : 1004.4693 . Бибкод : 2010JOSAB..27.1833S . дои : 10.1364/JOSAB.27.001833 . S2CID   15594268 .
  14. ^ Патент США 5,973,838 , Ширасаки, М., «Устройство, которое включает в себя фазированную решетку с виртуальным отображением (VIPA) в сочетании с делителем длины волны для демультиплексирования света с мультиплексированием с разделением по длине волны (WDM)».  
  15. ^ Сяо, С.; Вайнер, AW (2004). «Двумерный демультиплексор длин волн с возможностью поддержки> 1000 каналов в C-диапазоне» . Оптика Экспресс . 12 (13): 2895–902. Бибкод : 2004OExpr..12.2895X . дои : 10.1364/OPEX.12.002895 . ПМИД   19483805 . S2CID   22626277 .
  16. ^ Диддамс, ЮАР; Хольберг, Л.; Мбеле, В. (2007). «Молекулярная дактилоскопия с разрешенными модами фемтосекундной лазерной гребенки частот». Природа . 445 (7128): 627–630. дои : 10.1038/nature05524 . ПМИД   17287805 . S2CID   4420945 .
  17. ^ Ньюджент-Гландорф, Л.; Нили, Т.; Адлер, Ф.; Флейшер, AJ; Коссель, КК; Бьорк, Б.; Диннин, Т.; Йе, Дж.; Диддамс, Ю.А. (2012). «Спектрометр с фазированной решеткой с виртуальным изображением в среднем инфракрасном диапазоне для быстрого и широкополосного обнаружения газовых примесей». Оптические письма . 37 (15): 3285–7. arXiv : 1206.1316 . Бибкод : 2012OptL...37.3285N . дои : 10.1364/OL.37.003285 . ПМИД   22859160 . S2CID   16831767 .
  18. ^ Бурдаро, Г.; Коерер, Эл.; Бонфилс, X.; Алесян, Э.; Рабу, П.; Магнар, Ю. (2017). «NanoVipa: миниатюрный эшелле-спектрометр высокого разрешения для мониторинга молодых звезд со спутника Cubesat 6U». Космический журнал CEAS . 9 (4): 411. Бибкод : 2017CEAS....9..411B . дои : 10.1007/s12567-017-0168-2 . S2CID   125787048 .
  19. ^ 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.
  20. ^ Никола, Т.; Цзоу, Б.; Стейси, Г.; Коннорс, Дж.; Котард, Н.; Кутырев А.; Ментцелл, Э.; Ростем, К.; Воллак, Э.; Джеллема, В.; Као, Т.; Ли, А. (2024). Фазированная решетка виртуального изображения (VIPA): демонстрация спектрометра прямого обнаружения следующего поколения для спектроскопии с разрешением по скоростям в дальнем инфракрасном диапазоне . Астрономические телескопы SPIE + приборы 2024. Иокогама, Япония. Бумага 13102-33.
  21. ^ Скарчелли, Г.; Юн, С.Х. (2008). «Конфокальная микроскопия Бриллюэна для трехмерной механической визуализации» . Природная фотоника . 2 (1): 39–43. Бибкод : 2008NaPho...2...39S . дои : 10.1038/nphoton.2007.250 . ПМЦ   2757783 . ПМИД   19812712 .
  22. ^ Антоначчи, Г.; де Тюррис, В.; Роза, А.; Руокко, Г. (2018). «Микроскопия Бриллюэна с отклонением фона выявляет изменение биомеханики внутриклеточных стрессовых гранул под действием белка ALS FUS» . Коммуникационная биология . 10 (139): 139. дои : 10.1038/s42003-018-0148-x . ПМК   6131551 . ПМИД   30272018 .
  23. ^ Ян, Г; Базир, А; Маргерита, Дж; Деу, Т (2020). «Оценка коммерческих фазовых решеток с виртуальным отображением и бриллюэновских спектрометров на основе Фабри-Перо для применения в биологии» . Биомедицинская оптика Экспресс . 11 (12): 6933–6944. дои : 10.1364/BOE.401087 . ПМЦ   7747923 . ПМИД   33408971 .
  24. ^ Форестье, А; Век, Г; Датчи, Ф; Лубейр, П. (2022). «Характеристики спектрометра на базе VIPA для экспериментов по рассеянию Бриллюэна в ячейке с алмазными наковальнями при лазерном нагреве» . Исследования высокого давления . 42 (3): 259–277. Бибкод : 2022HPR....42..259F . дои : 10.1080/08957959.2022.2109968 .
  25. ^ Зальценштейн, П; Ву, Т (2023). «Оценка неопределенности измерения сдвига частоты Бриллюэна с использованием сканирующего тандемного интерферометра Фабри – Перо» . Микромашины . 14 (7): 1429. дои : 10,3390/ми14071429 . ПМЦ   10386179 . ПМИД   37512740 .
  26. ^ Чан, Т.; Мысливет, Э.; Форд, Дж. Э. (2008). «Двумерное управление лучом с использованием дисперсионных дефлекторов и настройки длины волны» . Оптика Экспресс . 16 (19): 14617–28. Бибкод : 2008OExpr..1614617C . дои : 10.1364/OE.16.014617 . ПМИД   18794998 . S2CID   24244961 .
  27. ^ Циа, КК; Года, К.; Кейпвелл, Д.; Джалали, Б. (2009). «Одновременная конфокальная микроскопия без механического сканирования и лазерная микрохирургия». Оптические письма . 34 (14): 2099–101. Бибкод : 2009OptL...34.2099T . дои : 10.1364/OL.34.002099 . hdl : 10722/91309 . ПМИД   19823514 . S2CID   6265532 .
  28. ^ Ли, Хай; Марвдашти, Т.; Дуань, Л.; Хан, Ю.А.; Эллерби, АК (2014). «Масштабируемое мультиплексирование для параллельной визуализации с помощью чередующейся оптической когерентной томографии» . Биомедицинская оптика Экспресс . 5 (9): 3192–203. дои : 10.1364/BOE.5.003192 . ПМЦ   4230859 . ПМИД   25401031 .
  29. ^ Берг, ЮАР; Элдик, С.; Бхаттачарья, Н. (2015). «Частотно-гребенчатая интерферометрия с модовым разрешением для высокоточных измерений на больших расстояниях» . Научные отчеты . 5 : 14661. Бибкод : 2015NatSR...514661V . дои : 10.1038/srep14661 . ПМЦ   4588503 . ПМИД   26419282 .
  30. ^ Чен, X; Гао, Ю; Цзян, Дж; Лю, М; Луо, А; Ло, З; Сюй, Вт (2020). «Импульсный волоконный лазер с высокой частотой повторения на основе фазированной решетки с виртуальным изображением». Китайские буквы по оптике . 18 (7): 071403. Бибкод : 2020ЧОпЛ..18г1403С . дои : 10.3788/COL202018.071403 .
  31. ^ Ли, З; Занг, З; Хан, Ю; Ву, Л; Фу, Х (2021). «Твердотельный FMCW LiDAR с двумерным спектральным сканированием с использованием фазированной решетки с виртуальным изображением» . Оптика Экспресс . 29 (11): 16547–16562. Бибкод : 2021OExpr..2916547L . дои : 10.1364/OE.418003 . ПМИД   34154215 .
  32. ^ Цзоу, Вт; Пэн, К; Лю, А; Чжу, Р; Ма, Дж; Гао, Л (2022). «Сверхбыстрая двумерная визуализация для измерения поверхностных дефектов зеркал на основе фазированной решетки с виртуальным изображением» . Оптика Экспресс . 30 (21): 37235–37244. Бибкод : 2022OExpr..3037235Z . дои : 10.1364/OE.469315 . ПМИД   36258315 .
  33. ^ Мец, П.; Блок, Х.; Бенке, К.; Кранц, М.; Геркен, М.; Адам, Дж. (2013). «Перестраиваемая фазированная решетка с виртуальным изображением на основе эластомера» . Оптика Экспресс . 21 (3): 3324–35. Бибкод : 2013OExpr..21.3324M . дои : 10.1364/OE.21.003324 . ПМИД   23481792 .
  34. ^ Ширасаки, М.; Ахтер, АН; Лин, К. (1999). «Фазированная решетка с виртуальным изображением и ступенчатой ​​отражательной способностью». Письма IEEE Photonics Technology . 11 (11): 1443. Бибкод : 1999IPTL...11.1443S . дои : 10.1109/68.803073 . S2CID   8915803 .
  35. ^ Вега, А.; Вайнер, AM; Лин, К. (2003). «Обобщенное уравнение решетки для спектральных диспергаторов с фазированной решеткой с виртуальным отображением». Прикладная оптика . 42 (20): 4152–5. Бибкод : 2003ApOpt..42.4152V . дои : 10.1364/AO.42.004152 . ПМИД   12856727 .
  36. ^ Сяо, С.; Вайнер, AM; Лин, К. (2004). «Закон дисперсии для спектральных диспергаторов с фазированной решеткой с виртуальным изображением, основанный на теории параксиальных волн». Журнал IEEE по квантовой электронике . 40 (4): 420. Бибкод : 2004IJQE...40..420X . дои : 10.1109/JQE.2004.825210 . S2CID   1352376 .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Virtually_imaged_phased_array&oldid=1235659129"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: c56d8ba5872d26e8ac87de5c8d98c18b__1721471940
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/c5/8b/c56d8ba5872d26e8ac87de5c8d98c18b.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Virtually imaged phased array - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)