[论文解读] 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 3

一句话总结

本文通过使用空间光调制器和遗传算法优化，在非线性多模光纤中实现了波前整形，以控制复杂的非线性相互作用，包括受激拉曼散射和四波混频。作者通过隐式模式叠加控制实现了灵活的光谱工程——实现斯托克斯峰和反斯托克斯峰的移动、抑制与增强，标志着在多模系统中非线性光操控方面的重要进展。

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.

研究动机与目标

• 探索并展示对表现出复杂模间相互作用的多模光纤中非线性波传播的控制。
• 解决在多模光纤中优化受激拉曼散射和四波混频等非线性过程的挑战。
• 开发一种灵活的隐式方法，通过整形输入波前来操控激发模式的叠加。
• 实现实时且精确的非线性输出光谱控制，包括斯托克斯峰和反斯托克斯峰。
• 建立一个用于优化和定制复杂多模介质中非线性光学现象的框架。

提出的方法

• 在光纤输入端使用空间光调制器（SLM）来整形入射光的波前。
• 通过遗传算法进行迭代优化，以寻找在SLM上实现期望非线性输出的最优相位图案。
• 该方法实现了对耦合入多模光纤的多个光纤模式叠加的隐式控制。
• 通过定制的模式激发，相干地激发并操控受激拉曼散射和四波混频等非线性过程。
• 系统动态调整输入波前，以优化非线性输出的光谱响应。
• 该方法依赖于输出光谱的反馈来引导优化过程，而无需事先了解模式组成。

实验结果

研究问题

• RQ1 波前整形能否有效应用于控制多模光纤中的非线性过程？
• RQ2 通过模式叠加控制，受激拉曼散射和四波混频的光谱响应能在多大程度上被操控？
• RQ3 遗传算法能否优化输入波前，以在非线性多模系统中实现期望的光谱结果？
• RQ4 在定制的光纤模式激发下，拉曼散射与四波混频之间的相互作用如何演变？
• RQ5 在非线性多模光纤环境中，能实现多大程度的光谱控制——例如峰位移动、抑制或增强？

主要发现

• 作者成功演示了在多模光纤中对非线性拉曼散射和四波混频过程的动态光谱控制。
• 通过优化的波前整形，斯托克斯峰和反斯托克斯峰实现了移动、抑制与增强，证实了对非线性输出光谱的精确控制。
• 基于遗传算法的优化收敛至最优相位图案，从而最大化或最小化特定光谱特征。
• 通过操控输入模式叠加，该方法实现了对拉曼散射与四波混频相互作用的控制。
• 该系统在无需完全了解光纤模式结构或传播动力学的情况下，实现了高保真度的光谱工程。
• 结果表明，波前整形可通过利用多模光纤中复杂的模式相互作用，为非线性光学开辟新的能力。