[論文レビュー] Delivery of a spatially focused 520fs pulse through a multimode fiber using digital phase conjugation

Edgar Morales, Ioannis N. Papadopoulos+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2014

Optical Coherence Tomography Applications被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、空間的歪みを補正し、超短パルス（520 fs）の時間的広がりを最小限に抑えるために、マルチモード光ファイバ内で効率的に共鳴伝搬するモードを選択的に励振するデジタル位相共役法を提示している。同じ群速度を持つモードに限定して励振することで、30 cmのファイバを通過した後に時間的に圧縮され、空間的に集光された500 fsパルスが得られ、分散制御なしの場合と比較してパルス幅が約1/30に短縮された。この技術により、超薄膜マルチフォトンイメージングが可能となった。

ABSTRACT

Light propagation through multimode fibers suffers from spatial distortions that lead to a scrambled intensity profile. In previous work, the correction of such distortions using various wavefront control methods has been demonstrated in the continuous wave case. However, in the ultra-fast pulse regime, modal dispersion temporally broadens a pulse after propagation. Here, we present a method that compensates for spatial distortions and mitigates temporal broadening due to modal dispersion by a selective phase conjugation process in which only modes of similar group velocities are excited. The selectively excited modes are forced to follow certain paths through the multimode fiber and interfere constructively at the distal tip to form a focused spot with minimal temporal broadening. We demonstrate the delivery of focused 500 fs pulses through a 30 cm long step-index multimode fiber. The achieved pulse duration corresponds to approximately 1/30th of the duration obtained if modal dispersion was not controlled. Moreover, we measured a detailed two-dimensional map of the pulse duration at the output of the fiber and confirmed that the focused spot produces a two-photon absorption effect. This work opens new possibilities for ultra-thin multiphoton imaging through multimode fibers.

研究の動機と目的

• 超短パルスがマルチモードファイバを通過する際の空間的および時間的歪みの問題に対処すること。
• 伝搬中の超高速パルスの時間的広がりを引き起こすモード分散を克服すること。
• 同じ群速度を持つモードを効率的に選択的に励振することで、パルスの忠実性を維持する波面制御技術を開発すること。
• ステップインデックス型マルチモードファイバ（30 cm）を通じて、500 fs未満のパルスを空間的に集光して届けることの実証。
• 本手法が二光子吸収に基づくイメージング応用に応用可能であることを検証すること。

提案手法

• 入射パルスの波面を制御するためにデジタル位相共役プロセスを用いる。
• 群速度が類似したモードのみを効率的に励振することで、群速度差による遅延を最小限に抑える。
• 選択されたモードが出力部で建設的干渉を起こすように制御し、空間的に集光したスポットを形成する。
• 空間光変調器を用いたフィードバックループにより、測定された出力強度に基づいて入射パルスを整形する。
• パルス幅を2次元出力マップ上で測定し、空間的および時間的集光を確認する。
• 集光パルスの強度と持続時間を検証するために、二光子吸収を機能的テストとして用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴伝搬するモードの選択的位相共役が、マルチモードファイバ内を通過する超短パルスの時間的広がりを軽減できるか。
• RQ2 波面整形を用いて、マルチモードファイバ内で空間的および時間的集光を同時に達成できるか、その程度は。
• RQ3 モード分散を能動的に制御した場合、出力で達成可能な最小パルス幅はどの程度か。
• RQ4 集光パルスが、イメージング応用に必要な十分な強度を維持できるか。
• RQ5 モード励振を制御した条件下で、出力断面におけるパルス幅はどのように分布するか。

主な発見

• 本手法により、30 cmのステップインデックス型マルチモードファイバを通過したパルスが500 fsに達し、分散制御なしの場合と比較して約1/30に短縮された。
• ファイバ出力部におけるパルス幅の2次元マップが詳細に得られ、空間的に局在化した時間的圧縮が確認された。
• 集光スポットは測定可能な二光子吸収効果を発生させ、届けられたパルスの強度と持続時間の妥当性が裏付けられた。
• 同じ群速度を持つモードの選択的励振により、建設的干渉が実現され、時間的広がりが最小限に抑えられた。
• 本手法により、マルチモードファイバ内を超高精細なパルスを効率的に伝送可能となり、超薄膜内視鏡的マルチフォトンイメージングへの道が開かれた。
• 焦点部全体でパルス幅が約500 fsを維持したため、時間的圧縮の優れた耐久性が示された。