[論文レビュー] Wave-front shaping in nonlinear multimode fibers

Omer Tzang, Antonio M. Caravaca-Aguirre+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2017

Random lasers and scattering media参考文献 60被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、空間光変調器と遺伝的アルゴリズム最適化を用いて、非線形多モードファイバにおける波面整形を実証し、ラーマン散乱や四光子混合といった複雑な非線形相互作用を制御する。著者らは、モードの重ね合わせを暗黙的制御することで、ストークスおよびアンチストークスピークのシフト、抑制、強調という多様なスペクトル工学を達成し、多モード系における非線形光操作分野における顕著な前進を示している。

ABSTRACT

Recent remarkable progress in wave-front shaping has enabled control of light propagation inside linear media to focus and image through scattering objects. In particular, light propagation in multimode fibers comprises complex intermodal interactions and rich spatiotemporal dynamics. Control of physical phenomena in multimode fibers and its applications is in its infancy, opening opportunities to take advantage of complex mode interactions. In this work, we demonstrate a wave-front shaping approach for controlling nonlinear phenomena in multimode fibers. Using a spatial light modulator at the fiber input and a genetic algorithm optimization, we control a highly nonlinear stimulated Raman scattering cascade and its interplay with four wave mixing via a flexible implicit control on the superposition of modes that are coupled into the fiber. We show for the first time versatile spectrum manipulations including shifts, suppression, and enhancement of Stokes and anti-Stokes peaks. These demonstrations illustrate the power of wave-front shaping to control and optimize nonlinear wave propagation.

研究の動機と目的

• 非線形相互作用が顕著な多モードファイバにおける非線形波動伝搬の制御を探索および実証すること。
• 多モードファイバにおけるラーマン散乱や四光子混合といった非線形プロセスの最適化の課題に取り組むこと。
• 励起されたモードの重ね合わせを制御する柔軟で暗黙的な入射波面形状の方法を開発すること。
• ストークスおよびアンチストークスピークを含む非線形出力の動的かつ精密なスペクトル制御を可能にすること。
• 複雑な多モード媒体における非線形光学的現象の最適化およびカスタマイズのフレームワークを確立すること。

提案手法

• ファイバ入力部に空間光変調器（SLM）を用いて入射光の波面を整形する。
• 遺伝的アルゴリズムが反復的最適化を実行し、望ましい非線形出力を得るためのSLM上の最適位相パターンを同定する。
• この手法により、多モードファイバに結合される複数モードの重ね合わせを暗黙的に制御できる。
• ラーマン散乱や四光子混合といった非線形プロセスが、調整されたモード励起を通じて干渉的に励起および制御される。
• 非線形出力のスペクトル応答を最適化するように、入射波面を動的に調整する。
• モード構成の明示的知識が不要な状態で、出力スペクトルからのフィードバックを用いて最適化プロセスをガイドする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波面整形は、多モードファイバにおける非線形プロセスの制御に効果的に適用可能か？
• RQ2 モード重ね合わせ制御によって、ラーマン散乱および四光子混合のスペクトル応答はどの程度制御可能か？
• RQ3 遺伝的アルゴリズムは、非線形多モード系において望ましいスペクトル結果を得るための入射波面を最適化できるか？
• RQ4 ファイバモードの調整された励起下で、ラーマン散乱と四光子混合の相互作用はどのように変化するか？
• RQ5 非線形多モードファイバ環境において、ピークシフト、抑制、強調といったスペクトル制御のどの程度のレベルが達成可能か？

主な発見

• 著者らは、多モードファイバ内における非線形ラーマン散乱および四光子混合プロセスの動的スペクトル制御を成功裏に実証した。
• 最適化された波面整形により、ストークスおよびアンチストークスピークのシフト、抑制、強調が実現され、非線形出力スペクトルに対する正確な制御が確認された。
• 遺伝的アルゴリズムに基づく最適化は、特定のスペクトル特徴を最大化または最小化する最適位相パターンに収束した。
• 入力モード重ね合わせの制御により、ラーマン散乱と四光子混合の相互作用を制御可能となった。
• ファイバのモード構造や伝搬ダイナミクスの完全な知識がなくても、高精度なスペクトル工学が達成された。
• 結果から、波面整形は多モードファイバ内の複雑なモード相互作用を活用することで、非線形光学分野に新たな能力をもたらすことが示された。