仮想イメージングされたフェーズドアレイ

仮想イメージング位相アレイ（VIPA）^{[ 1 ]}は、プリズムや回折格子のように光をスペクトル成分に分割する角度分散デバイスです。このデバイスは偏光にほとんど依存しません。プリズムや通常の回折格子とは対照的に、VIPAは角度分散がはるかに大きいですが、自由スペクトル範囲は狭くなります。この点は、高次の回折次数を使用するエシェル格子と似ています。この欠点を克服するために、VIPAは回折格子と組み合わせることができます。VIPAは、波長分解能の高いコンパクトなスペクトル分散器です。

仮想イメージフェーズドアレイでは、フェーズドアレイは無線周波数におけるフェーズドアレイアンテナの光学的アナログです。実際のフェーズドアレイとして解釈できる回折格子とは異なり、仮想イメージフェーズドアレイでは、フェーズドアレイは仮想イメージで作成されます。より具体的には、光フェーズドアレイは、光源の複数の仮想イメージによって仮想的に形成されます。これは、実空間で同様のフェーズドアレイが形成されるエシェル回折格子との根本的な違いです。VIPAにおける光源の仮想イメージは、光干渉にとって重要な一定間隔で自動的に正確に整列されます。これは、エシェル回折格子に対するVIPAの利点です。出力光を観測すると、仮想イメージフェーズドアレイは、光が実際のフェーズドアレイから放射されているかのように機能します。

VIPAは1996年に白崎によって提案され、命名されました。^{[ 1 ]}論文の発表に先立ち、白崎は会議で予備的なプレゼンテーションを行いました。^{[ 2 ]}このプレゼンテーションはLaser Focus Worldで報告されました。^{[ 3 ]}この角度分散を生成する新しいアプローチの詳細は特許に記載されています。^{[ 4 ]}それ以来、最初の10年間、VIPAは光ファイバー通信技術の分野で特に注目を集めました。VIPAは最初に光波長分割多重 （WDM）に適用され、当時標準だった0.8 nmのチャネル間隔の波長デマルチプレクサが実証されました。 ^{[ 1 ]}その後、2005年にWeinerは1550 nmの波長範囲で、24 pmというはるかに小さなチャネル間隔 と6 pmの3  dB帯域幅 を達成しました 。^{[ 5 ]}別の応用例として、VIPA の角度分散による光路の波長依存長を利用して、ファイバーの色分散の補償が研究され、実証された (Shirasaki、1997)。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}補償は、調整可能なミラー^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}または空間光変調器(Weiner、2006) を使用することで、チューナブル システム向けにさらに開発された。^{[ 12 ]} VIPA を使用すると、偏光モード分散の補償も達成された (Weiner、2008)。^{[ 13 ]}さらに、高解像度波長分割/再結合用の VIPA と SLM の組み合わせを使用したパルス整形が実証された (Weiner、2010)。^{[ 14 ]}

VIPAの欠点は、回折次数が高いため自由スペクトル範囲が限られていることです。機能波長範囲を拡大するために、白崎は1997年にVIPAと通常の回折格子を組み合わせて、広帯域の2次元スペクトル分散器を提供しました。^{[ 15 ]}この構成は、多くの回折格子アプリケーションにおいて、回折格子の高性能代替品となり得ます。 2000年代半ば以降、2次元VIPA分散器は、高解像度WDM（Weiner、2004）^{[ 16 ]} 、レーザー周波数コム（Diddams、2007）[17]、分光器（Nugent-Glandorf、2012）^{[ 18 ]}、天体物理学機器（Le Coarer、2017、Bourdarot、2018、Delboulbé、2022、およびStacey、2024）^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} 、生体力学におけるブリルアン分光法（Scarcelli、2008、Rosa、2018、およびMargueritat、2020）^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} 、その他のブリルアン分光法など、さまざまな分野やデバイスで使用さ^{れています。}分光法（Loubeyre、2022年およびWu、2023年）^{[ 26 ] [ 27 ]}ビームスキャン（Ford、2008年）^{[ 28 ]}顕微鏡法（Jalali、2009年）^{[ 29 ]}トモグラフィーイメージング（Ellerbee、2014年）^{[ 30 ]}計測（Bhattacharya、2015年）^{[ 31 ]}ファイバーレーザー（Xu、2020年）^{[ 32 ]} LiDAR（Fu、2021年）^{[ 33 ]}および表面測定（Zhu、2022年）^{[ 34 ]}

VIPAの主要構成要素は、入射光に対して法線がわずかに傾いたガラス板です。ガラス板の片面（入射面）には100%反射ミラーが、もう片面（出射面）には高反射性だが部分的に透過するミラーがコーティングされています。100%反射ミラーのある面には反射防止コーティングされた入射領域があり、そこから光線がガラス板に入射します。入射光は、出射面の部分的に透過するミラー上の線（焦点線）に集光されます。典型的な線集光レンズは円筒レンズであり、これもVIPAの一部です。光線は、線集光位置にあるビームウエストを過ぎると発散します。

光が光入射部からガラス板に入ると、光は部分透過ミラーと100%反射ミラーで反射され、その結果、光は部分透過ミラーと100%反射ミラーの間を行ったり来たりします。

ガラス板は焦点線を軸としたわずかな回転によって傾いていることが注目される。この回転/傾きにより、光が入射領域からガラス板を出て行ってしまうのを防ぐ。したがって、光学系がVIPAとして機能するためには、入射領域から入ってきた光が100%反射ミラーにのみ戻るような、臨界最小傾斜角が存在する。^{[ 1 ]}この角度より小さいと、VIPAの機能は著しく損なわれる。傾斜角がゼロの場合、部分透過ミラーからの反射光はちょうど逆方向に進み、100%反射ミラーで反射されることなく入射領域からガラス板を出て行ってしまう。図では、簡略化のためガラス板表面での屈折は無視されている。^{[ 1 ]}

光線が部分透過ミラーで反射されるたびに、光パワーのごく一部がミラーを透過してガラス板から離れていきます。複数回反射してミラーを通過した光線は、光出力側から見ると仮想像の中に焦点線の位置が確認できます。そのため、この光線は焦点線の位置にある仮想光源から発せられ、そこから発散したかのように進みます。透過したすべての光線の仮想光源の位置は、ガラス板の法線に沿って一定の間隔で自動的に整列します。つまり、複数の仮想光源が重なり合って光位相アレイが形成されます。すべての光線が干渉することで、位相アレイは波長に依存する角度で一方向に平行光線を放射するため、角度分散が生じます。

回折格子の分解能が、照射される格子素子の数と回折次数によって決まるのと同様に、VIPAの分解能は、VIPAの裏面の反射率とガラス板の厚さによって決まります。厚さが一定の場合、反射率が高いほど光はVIPA内に長く留まります。これにより、より多くの仮想光源が生成され、分解能が向上します。一方、反射率が低いと、VIPA内の光はすぐに失われるため、重なり合う仮想光源の数が少なくなります。その結果、分解能は低下します。

高い分解能で大きな角度分散を実現するには、VIPAの寸法を正確に制御する必要があります。エラストマーベースの構造を開発することで、VIPA特性の微調整が実証されました（Metz、2013）。^{[ 35 ]}

VIPA の部分透過ミラーの一定の反射率により、出力光がスクリーン上に結像される際にローレンツ型のパワー分布が生じ、波長選択性に悪影響を及ぼします。これは、部分透過ミラーの反射率を線形に減少させることで改善できます。これにより、スクリーン上にガウス型のパワー分布が生じ、波長選択性または分解能が向上します。^{[ 36 ]}

VIPAの解析的計算は、平面波の理論に基づいて2003年にVegaとWeinerによって初めて行われ^{[ 37 ]} 、フレネル回折理論に基づく改良モデルが2004年にXiaoとWeinerによって開発されました^{[ 38 ]。}

VIPAデバイスは、LightMachinery社によって、様々なカスタマイズされた設計パラメータを備えた分光分散デバイスまたはコンポーネントとして商品化されている。