Noise-tolerant wavefront shaping for focusing light through multimode fibers

Çok modlu optik fiberler (MMF'ler), yüksek çözünürlüklü görüntüleme, optik haberleşme ve güç iletimi gibi uygulamalarda benzersiz avantajlar sunar. Ancak, karmaşık mod yapıları nedeniyle ışığın bu fiberler içerisindeki yayılımını hassas biçimde öngörmek oldukça zordur. Bu tez, yalnızca faz kontrolüyle yapılan dalga cephe şekillendirme teknikleri kullanılarak MMF'ler üzerinden ışık odaklamada elde edilebilecek ışık şiddeti artırımının teorik üst sınırlarını, deneysel gürültüye karşı dayanıklı olacak şekilde araştırmaktadır. Bu tezde ilk olarak, mod yayılımını teorik olarak analiz ediyor ve giriş-çıkış alan ilişkilerini tanımlamak için iletim matrisi (TM) formalizmini temel alıyoruz. Ardından, sayısal optik faz konjügasyonu (DOPC) ve geri-beslemeye dayalı dalga cephe şekillendirme stratejilerini inceliyor, bu tekniklerin gerçekçi deneysel koşullar altındaki performans sınırlamalarına odaklanıyoruz. Bu tezin temel katkılarından biri, hem giriş katılım oranını hem de faz hata katsayısını içeren genelleştirilmiş bir ışık şiddeti artırım faktörü ifadesi sunmaktır. Artırımın, kullanılan giriş dalgalarının bazına ve deneysel gürültünün varlığına son derece duyarlı olduğunu gösteriyoruz. Ortak-yol interferometrik TM ölçümleri kullanarak, Hadamard tabanında çalışan Çift Referanslı Algoritma'nın (DRA), yaygın olarak kullanılan Adım Adım Sıralı Algoritma'ya (SSA) kıyasla daha yüksek performans sunduğunu ortaya koyuyoruz. Deneysel sonuçlarımız, Hadamard tabanlı dalga cephe şekillendirmenin daha güçlü gürültü dayanıklılığı sağladığını ve teorik üst sınıra yakın ışık şiddeti artırımları elde edilebildiğini doğrulamaktadır. Ayrıca, deneysel olarak ölçülmüş iletim matrislerini ayrıntılı şekilde analiz ederek, SLM üzerindeki segment boyutunun, optik fiber mod bağlaşım verimi ve odaklama performansını ciddi ölçüde etkilediğini gösteriyoruz. Son olarak, çok modlu fiberlerde (MMF'ler) odaklanmış ışığın radyal hafıza etkisini kodlayan ve geleneksel dönel bellek etkisinin ötesine geçen operatör tabanlı bir çerçeve sunuyoruz. Bu yaklaşım, girişteki SLM deseninin kontrollü kaydırılması yoluyla ışık huzmesinin taranmasına olanak tanıyarak, fiber optik görüntüleme ve ışın yönlendirme uygulamaları için yeni olanaklar açmaktadır. Genel olarak, bu tez, çok modlu fiberlerde dalga cephe şekillendirmeyi optimize etmek üzere kuramsal ve deneysel yaklaşımları birleştiren bütüncül bir çerçeve sunmaktadır. Sonuçlar, endoskopik görüntüleme, temiz ışınlı fiber amplifikasyonu ve programlanabilir fiber tabanlı optik sistemler gibi alanlarda doğrudan uygulamalara sahiptir.