[논문 리뷰] Delivery of a spatially focused 520fs pulse through a multimode fiber using digital phase conjugation

Edgar Morales, Ioannis N. Papadopoulos외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 16.

Optical Coherence Tomography Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 다중모드 섬유를 통해 초단파 520 fs 펄스의 공간적 왜곡을 교정하고 시간적 넓이를 최소화하기 위해 일관된 전파 모드를 선택적으로 자극하는 디지털 위상 역전 방법을 제시한다. 유사한 군속도를 갖는 모드에만 집중함으로써, 30 cm 섬유를 통과한 후 시간적으로 압축되고 공간적으로 집중된 500 fs 펄스를 제공하며, 분산 제어 없이 얻는 펄스보다 약 1/30 수준의 펄스 지속시간을 달성하여 초박두 다중광자 영상 가능성을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중모드 섬유를 통한 초단파 펄스 전달 시 발생하는 공간적 및 시간적 왜곡 문제를 해결하기 위해.
• 전파 중 초속도 펄스의 시간적 넓이를 유발하는 모드 분산 문제를 극복하기 위해.
• 유사한 군속도를 갖는 모드를 선택적으로 자극함으로써 펄스 무결성을 유지하는 파면 제어 기법을 개발하기 위해.
• 30 cm 단계 인덱스 다중모드 섬유를 통해 500 fs 이하의 펄스를 집중 전달하는 것을 시연하기 위해.
• 이 방법이 두광자 흡수 기반 영상 응용 분야에서의 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 입력 펄스의 파면을 제어하기 위해 디지털 위상 역전 과정을 적용한다.
• 차별적 군지연을 최소화하기 위해 유사한 군속도를 갖는 모드만 선택적으로 자극한다.
• 선택된 모드들이 섬유 출력에서 간섭 최대화를 이루도록 하여 공간적으로 집중된 점을 형성한다.
• 측정된 출력 강도를 기반으로 입력 펄스를 형상화하기 위해 공간 광학 모듈레이터를 사용하는 피드백 루프를 활용한다.
• 공간적 및 시간적 집중을 확인하기 위해 2차원 출력 맵에서 펄스 지속시간을 측정한다.
• 집중된 펄스의 강도와 지속시간을 검증하기 위해 두광자 흡수를 기능적 시험으로 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일관된 전파 모드에 대한 선택적 위상 역전이 다중모드 섬유를 통한 초단파 펄스의 시간적 넓이를 완화시킬 수 있는가?
• RQ2 파면 형상 제어를 통해 다중모드 섬유에서 공간적 및 시간적 집중을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ3 모드 분산을 능동적으로 제어할 경우 출력에서 도달 가능한 최소 펄스 지속시간은 얼마인가?
• RQ4 집중된 펄스가 영상 응용을 위한 두광자 흡수를 유도할 수 있을 정도의 강도를 유지할 수 있는가?
• RQ5 모드 자극을 제어할 경우 출력 횡단면에서 펄스 지속시간은 어떻게 변하는가?

주요 결과

• 이 방법은 30 cm 단계 인덱스 다중모드 섬유를 통해 500 fs 펄스를 성공적으로 전달하여, 분산 제어 없이 얻는 펄스 지속시간의 약 1/30 수준을 달성하였다.
• 섬유 출력에서 펄스 지속시간의 상세한 2차원 맵은 공간적으로 국소화된 시간적 압축을 확인하였다.
• 집중된 점은 측정 가능한 두광자 흡수 효과를 생성하여 전달된 펄스의 강도와 지속시간을 검증하였다.
• 유사한 군속도를 갖는 모드의 선택적 자극은 간섭 최대화를 가능하게 하고 시간적 넓이를 최소화하였다.
• 이 기법은 초단파 펄스를 다중모드 섬유를 통해 고무질 전달할 수 있게 하여 초박두 내시적 다중광자 영상 응용의 길을 열었다.
• 집중된 영역에서 펄스 지속시간이 약 500 fs로 유지되어 강력한 시간적 압축을 보였다.