Matriz de fases com imagens virtualmente - Virtually imaged phased array
Um phased array virtual ( VIPA ) é um dispositivo dispersivo angular que, como um prisma ou uma rede de difração , divide a luz em seus componentes espectrais . Funciona quase independentemente da polarização . Em contraste com prismas ou grades de difração regulares, tem uma dispersão angular muito maior, mas tem uma faixa espectral livre menor . Este aspecto é semelhante ao de uma grade de Echelle que normalmente é usada na reflexão, uma vez que altas ordens de difração também são usadas ali. O VIPA pode ser um componente óptico compacto com alto poder de resolução de comprimento de onda .
Mecanismo básico
Em um phased array com imagem virtual , o phased array é o análogo óptico de uma antena de phased array em radiofrequências. Ao contrário de uma rede de difração, que pode ser interpretada como um phased array real, em um phased array com imagem virtual, o phased array é criado em uma imagem virtual . Mais especificamente, o phased array óptico é virtualmente formado com várias imagens virtuais de uma fonte de luz. Esta é a diferença fundamental de uma grade Echelle, onde um array de fases semelhante é formado no espaço real. As imagens virtuais de uma fonte de luz no VIPA são alinhadas automaticamente e exatamente em um intervalo constante, o que é crítico para interferência óptica. Esta é uma vantagem do VIPA sobre uma grade Echelle. Quando a luz de saída é observada, o phased array com imagem virtual funciona como se a luz fosse emitida por um phased array real.
História e aplicações
VIPA foi proposto e nomeado por Shirasaki em 1996. Os detalhes desta nova abordagem para a produção de dispersão angular foram descritos na patente. O VIPA teve inicialmente um interesse particular no campo da tecnologia de comunicações ópticas. O VIPA foi primeiro aplicado à multiplexação óptica por divisão de comprimento de onda (WDM) e um demultiplexador de comprimento de onda foi demonstrado para um espaçamento de canal de 0,8 nm, que era um espaçamento de canal padrão na época. Mais tarde, uma separação de canal muito menor de 24 horas e uma largura de banda de 3 dB de 6 horas foram alcançadas por Weiner na faixa de comprimento de onda de 1550 nm. Para outra aplicação, utilizando o comprimento de onda dependente do comprimento do caminho da luz devido à dispersão angular do VIPA, a compensação da dispersão cromática das fibras foi estudada e demonstrada. A compensação foi desenvolvida para sistemas ajustáveis usando espelhos ajustáveis ou um modulador de luz espacial (SLM). Usando o VIPA, a compensação da dispersão do modo de polarização também foi alcançada. Além disso, a modelagem de pulso usando a combinação de um VIPA para divisão / recombinação de comprimento de onda de alta resolução e um SLM foi demonstrada.
Uma desvantagem do VIPA é sua faixa espectral livre limitada devido à alta ordem de difração. Para expandir a faixa de comprimento de onda funcional, um VIPA pode ser combinado com uma rede de difração regular para fornecer um dispersor espectral bidimensional de banda larga. Isso foi demonstrado para WDM de alta resolução (> 1000 canais) e também foi aplicado a vários campos e dispositivos, como um pente de frequência de laser, um espectrômetro, um instrumento astrofísico, espectroscopia Brillouin em biomecânica, varredura de feixe, microscopia, tomografia imagem e metrologia.
Estrutura e princípio operacional
O principal componente de um VIPA é uma placa de vidro cuja normal é ligeiramente inclinada em relação à luz de entrada. Um lado (lado de entrada de luz) da placa de vidro é revestido com um espelho 100% reflexivo e o outro lado (lado de saída de luz) é revestido com um espelho altamente reflexivo, mas parcialmente transmissivo. O lado com espelho 100% reflexivo possui uma área de entrada de luz revestida com anti-reflexo , através da qual um feixe de luz entra na placa de vidro. A luz de entrada é focada em linha no espelho parcialmente transmissivo no lado de saída de luz. Uma lente de focagem de linha típica é uma lente cilíndrica , que também faz parte do VIPA. O feixe de luz está divergindo após a cintura do feixe localizada na posição focada na linha.
Depois que a luz entra na placa de vidro através da área de entrada de luz, a luz é refletida no espelho parcialmente transmissivo e no espelho 100% reflexivo e, assim, a luz viaja para frente e para trás entre o espelho parcialmente transmissivo e o espelho 100% reflexivo.
Observa-se que existe um ângulo mínimo crítico de inclinação para a placa de vidro, o que permite que a luz que entra pela área de entrada da luz volte apenas para o espelho 100% reflexivo. Se o ângulo de inclinação fosse zero, a luz refletida do espelho parcialmente transmissivo viajaria exatamente ao contrário e sairia da placa de vidro pela área de entrada de luz sem ser refletida pelo espelho 100% reflexivo. Na figura, a refração nas superfícies da placa de vidro foi ignorada por simplicidade.
Quando o feixe de luz é refletido a cada vez no espelho parcialmente transmissivo, uma pequena porção da energia da luz passa pelo espelho e se afasta da placa de vidro. Para um feixe de luz que passa pelo espelho após várias reflexões, a posição do foco de linha pode ser vista na imagem virtual quando observada do lado da saída de luz. Portanto, esse feixe de luz viaja como se tivesse se originado em uma fonte de luz virtual localizada na posição do foco de linha e divergisse da fonte de luz virtual. As posições das fontes de luz virtuais para todos os feixes de luz transmitidos alinham-se automaticamente ao longo da normal à placa de vidro com um espaçamento constante, ou seja, várias fontes de luz virtuais são sobrepostas para criar um phased array óptico. Devido à interferência de todos os feixes de luz, o phased array emite um feixe de luz colimado em uma direção, que está em um ângulo dependente do comprimento de onda e, portanto, uma dispersão angular é produzida.
Resolução de comprimento de onda
Da mesma forma que o poder de resolução de uma grade de difração, que é determinado pelo número dos elementos da grade iluminada e a ordem de difração, o poder de resolução de um VIPA é determinado pela refletividade da superfície posterior do VIPA e a espessura do prato de vidro. Para uma espessura fixa, uma alta refletividade faz com que a luz permaneça mais tempo no VIPA. Isso cria mais fontes de luz virtuais e, portanto, aumenta o poder de resolução. Por outro lado, com uma refletividade mais baixa, a luz no VIPA é rapidamente perdida, o que significa que menos fontes virtuais de luz são sobrepostas. Isso resulta em menor poder de resolução.
Para grande dispersão angular com alto poder de resolução, as dimensões do VIPA devem ser controladas com precisão. O ajuste fino das características VIPA foi demonstrado pelo desenvolvimento de uma estrutura baseada em elastômero.
Uma refletividade constante do espelho parcialmente transmissivo no VIPA produz uma distribuição de energia Lorentziana quando a luz de saída é visualizada em uma tela, o que tem um efeito negativo na seletividade do comprimento de onda. Isso pode ser melhorado fornecendo ao espelho parcialmente transmissivo uma refletividade que diminui linearmente. Isso leva a uma distribuição de potência semelhante a gaussiana em uma tela e melhora a seletividade do comprimento de onda ou o poder de resolução.
Lei de dispersão espectral
Um cálculo analítico do VIPA foi realizado pela primeira vez por Vega em 2003 com base na teoria das ondas planas e um modelo aprimorado baseado na teoria de difração de Fresnel foi desenvolvido por Xiao em 2004.
Comercialização do VIPA
Os dispositivos VIPA foram comercializados pela LightMachinery como dispositivos dispersores espectrais ou componentes com vários parâmetros de projeto personalizados.