[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出一种数字波前补偿方法，可选择性激发多模光纤中具有相干传播特性的模式，以校正空间畸变并最小化超短520 fs脉冲的展宽。通过仅聚焦于群速度相近的模式，该技术使30 cm光纤中输出的脉冲实现时间压缩与空间聚焦，脉冲宽度缩短至未控制色散时的约1/30，从而实现超薄多光子成像。

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.

研究动机与目标

• 解决超短脉冲通过多模光纤传输时面临的空间与时间畸变问题。
• 克服模间色散导致的超快脉冲传播过程中时间展宽问题。
• 开发一种波前调控技术，选择性激发群速度相近的模式以保持脉冲保真度。
• 展示通过30 cm阶跃折射率多模光纤实现亚500 fs脉冲的空间聚焦传输。
• 验证该方法在基于双光子吸收的成像应用中的能力。

提出的方法

• 采用数字波前补偿过程来调控输入脉冲的波前。
• 仅选择性激发群速度相近的模式，以最小化群速度差引起的延迟。
• 通过强制选定模式在光纤输出端实现相长干涉，形成空间聚焦光斑。
• 该方法利用带有空间光调制器的反馈回路，根据测量的输出光强来整形输入脉冲。
• 通过二维输出光强分布测量脉宽，以确认空间与时间聚焦效果。
• 采用双光子吸收作为功能测试，以验证聚焦脉冲的强度与持续时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过选择性补偿相干传播模式的波前，减轻超短脉冲在多模光纤中传输时的时间展宽？
• RQ2 在多模光纤中，利用波前整形技术在多大程度上可同时实现空间与时间聚焦？
• RQ3 在主动控制模间色散的条件下，输出端可实现的最小脉冲宽度是多少？
• RQ4 聚焦后的脉冲是否能维持足够强度以诱导双光子吸收，适用于成像应用？
• RQ5 在受控模式激发条件下，脉冲宽度在输出横向分布上如何变化？

主要发现

• 该方法成功将500 fs脉冲通过30 cm阶跃折射率多模光纤传输，其脉冲宽度约为未控制色散时的1/30。
• 在光纤输出端获得的脉冲宽度二维分布图证实了时间压缩的空间局域化。
• 聚焦光斑产生了可测量的双光子吸收效应，验证了所传输脉冲的强度与持续时间。
• 选择性激发群速度相近的模式，实现了相长干涉并最小化了时间展宽。
• 该技术实现了超短脉冲在多模光纤中的高保真度传输，为超薄内窥式多光子成像开辟了新途径。
• 脉冲宽度在聚焦光斑范围内保持在约500 fs，证明了其时间压缩的鲁棒性。