作者单位
摘要
1 香港理工大学生物医学工程学系,中国 香港
2 香港理工大学光子技术研究院,中国 香港
3 香港理工大学深圳研究院,广东 深圳 518063
基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展,有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控,该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响,在无需光纤末端透镜或扫描器件的情况下实现高分辨率的聚焦、成像及相关应用。此外,在无透镜光纤内窥成像或图像传输等场景下,通过构建物理或深度学习模型,从光纤输出测量中也能实现物体信息重建。对相干光纤无透镜成像技术的发展进行综述,首先说明无透镜光纤成像的基础原理,并从主动波前调控和被动目标重建这两类角度阐述无透镜光纤成像方法,接着介绍一些先进光纤成像模态和技术,列举光纤成像相关应用,最后分析该领域所面临的挑战,总结并展望其进一步发展方向和应用前景。
多模光纤 多芯光纤 波前整形 内窥成像 光学显微成像 深度学习 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618002
作者单位
摘要
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室,山西 太原 030024
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林 长春 130033
3 广东工业大学广东省信息光子技术重点实验室,广东 广州 510006
4 中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川 绵阳 621900
提出了一种基于多模光纤模间色散的无时延特征混沌产生方案。在多模光纤长度为4.4 km、芯径为62.5 μm、反馈强度为0.1的条件下,实验获得了无时延特征的混沌信号。进一步理论分析了多模光纤的纤芯直径、相对偏移、长度对混沌光模场的影响,结果显示:随着纤芯直径和相对偏移的增大,模式数量逐渐增多,模场分布变复杂;随着光纤长度的增加,模式分离程度(即模间色散)增大。最终探明了多模光纤相对偏移、反馈强度、长度对时延特征的抑制规律。结果表明,在与实验相同的纤芯直径和反馈强度下,消除时延特征的多模光纤的临界长度为1 km。
光纤光学 半导体激光器 混沌激光 时延特征 多模光纤 
中国激光
2024, 51(6): 0606002
作者单位
摘要
深圳大学物理与光电工程学院,光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室,广东 深圳 518060
高时空分辨可视化技术是脑科学研究的重要工具。荧光显微成像技术在特异性、多样性、图像对比度和时空分辨率等方面具有显著优势,但由于光在组织中的穿透深度有限,无创的荧光成像难以在活体水平获取深层脑区神经血管单元的高分辨结构和功能信息。因此,在脑科学研究中,荧光内窥显微成像技术受到越来越多研究者的青睐。得益于相关科学技术的发展,内窥镜探头在保持高性能的同时,实现了小型化并提供了更大的灵活性,可以植入活体大脑的不同深度处,开展特定深层脑区的功能调控研究。本综述介绍了基于梯度折射率透镜和单根多模光纤这两种探头的植入式荧光内窥显微成像技术及其发展和迭代进程,概述了它们在高分辨活体脑成像研究中的应用,以及在临床神经外科手术中的初步探索性应用。最后,展望了荧光内窥脑成像技术未来的发展前景。
显微 荧光内窥显微成像 活体脑成像 梯度折射率透镜 多模光纤 
中国激光
2024, 51(1): 0107001
Shujun Liu 1Ruitao Ma 1Zejie Yu 1,2,3Yaocheng Shi 1,2,3,4Daoxin Dai 1,2,3,4,*
Author Affiliations
Abstract
1 Zhejiang University, College of Optical Science and Engineering, International Research Center for Advanced Photonics, State Key Laboratory for Extreme Photonics and Instrumentation, Hangzhou, China
2 Jiaxing Key Laboratory of Photonic Sensing and Intelligent Imaging, Jiaxing, China
3 Zhejiang University, Jiaxing Research Institute, Intelligent Optics and Photonics Research Center, Jiaxing, China
4 Zhejiang University, Ningbo Research Institute, Ningbo, China
A silicon-based digitally tunable positive/negative dispersion controller (DC) is proposed and realized for the first time using the cascaded bidirectional chirped multimode waveguide gratings (CMWGs), achieving positive and negative dispersion by switching the light propagation direction. A 1 × 2 Mach–Zehnder switch (MZS) and a 2 × 1 MZS are placed before and after to route the light path for realizing positive/negative switching. The device has Q stages of identical bidirectional CMWGs with a binary sequence. Thus the digital tuning is convenient and scalable, and the total dispersion accumulated by all the stages can be tuned digitally from - ( 2Q - 1 ) D0 to ( 2Q - 1 ) D0 with a step of D0 by controlling the switching states of all 2 × 2 MZSs, where D0 is the dispersion provided by a single bidirectional CMWG unit. Finally, a digitally tunable positive/negative DC with Q = 4 is designed and fabricated. These CMWGs are designed with a 4-mm-long grating section, enabling the dispersion D0 of about 4.16 ps / nm in a 20-nm-wide bandwidth. The dispersion is tuned from -61.53 to 63.77 ps / nm by switching all MZSs appropriately, and the corresponding group delay is varied from -1021 to 1037 ps.
silicon photonics dispersion tuning digital tuning multimode waveguide grating 
Advanced Photonics
2023, 5(6): 066005
作者单位
摘要
浙江农林大学 光机电工程学院,杭州 311300
介绍了时空锁模的基本原理和时空锁模的理论模型−吸引子解剖。从空间结构和全光纤结构两方面介绍了近年来国内外在时空锁模光纤激光器方面的研究进展,包括激光腔型的改进、输出性能的提升和实时动力学的观测等。最后分析了目前时空锁模激光器的优势和不足,并对其发展方向进行了展望:时空锁模激光器在产生高功率超短脉冲方面有着巨大的优势,但输出光斑质量差在一定程度上限制了它的实际应用;利用时空自相似演化、波前整形等技术提升光束质量将是未来时空锁模激光器的发展方向。
光纤激光器 多模光纤 时空锁模 非线性偏振旋转 fiber laser multimode fiber spatiotemporal mode-locked nonlinear polarization rotation 
强激光与粒子束
2023, 35(10): 101002
李永倩 1,2,3,*范海军 1,2,3张立欣 1,2,3王磊 1,2,3[ ... ]赵旭 1,2,3
作者单位
摘要
1 华北电力大学电子与通信工程系, 河北 保定 071003
2 华北电力大学, 河北省电力物联网技术重点实验室, 河北 保定 071003
3 华北电力大学, 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
多模光纤中存在的多个自由度为大容量通信和多参量传感提供了可能, 然而多模光纤中存在的高阶模不仅不稳定、 易耦合和易辐射损耗, 而且导致了布里渊增益谱畸变、 谱宽展宽和布里渊增益峰值降低, 严重劣化了系统的测量精度与传感可靠度。 因此, 研究多模光纤布里渊增益谱的特性和整形优化尤为重要。 首先对多模光纤的布里渊频移和布里渊增益谱特性进行了理论研究, 并与少模光纤、 单模光纤进行对比。 结果表明: 多模光纤的布里渊频移与模式折射率及布里渊散射角有关, 当布里渊散射角不变时, 布里渊频移与模式群编号呈负相关; 当模式群编号不变时, 布里渊频移与布里渊散射角呈正相关。 相比单模光纤, 少模光纤与多模光纤由于受到高阶模的影响, 布里渊增益峰值和布里渊频移较低, 布里渊增益谱较宽。 多模光纤中的高阶模最多, 对应的布里渊增益峰值和布里渊频移最低, 布里渊增益谱最宽。 此外, 分析并设计了两种基于单模光纤的多模光纤布里渊增益谱整形优化方法。 搭建移频本地外差布里渊光时域反射系统, 通过测量比较两种整形优化系统的布里渊增益谱宽及抗弯曲性能, 以评估整形优化程度。 实验结果表明: 提出的两种整形优化方法不同程度地减小了多模光纤的布里渊增益谱宽, 获取的布里渊增益谱有着良好的Lorenz拟合度, 分别为0.974 47和0.987 89。 利用单模环形器结合单模光纤对准熔接多模光纤的方法有更好的整形优化效果和抗弯曲性能, 最小弯曲半径和布里渊增益谱宽分别为2.25 mm和53.12 MHz。
布里渊散射谱 多模光纤 谱整形 谱宽 抗弯曲性能 Brillouin scattering spectrum Multimode fiber Spectrum shaping Spectrum width Bending tolerance 
光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3559
作者单位
摘要
天津工业大学 电子与信息工程学院, 天津 300000
低半波电压电光调制器是实现大规模光电集成的关键。文章提出了一种半波电压低于1.5V的薄膜铌酸锂马赫-曾德尔(Mach-Zehnder,MZ)电光调制器,选用绝缘体上单晶薄膜铌酸锂材料作为设计基础,分析了直波导、多模干涉耦合器、弯曲波导和调制臂等结构对电光调制器的影响。结果表明,当调制臂长为3mm时,该薄膜铌酸锂电光调制器具有1.05V的低半波电压、0.319dB的低损耗和27dB的高消光比。同时,该调制器半波电压长度积为0.315V·cm,调制效率高,具有与CMOS技术兼容的半波电压,有利于大规模光电集成。
铌酸锂 马赫-曾德尔电光调制器 多模干涉耦合器 低半波电压 lithium niobate Mach-Zehnder electro-optic modulators multimode interference couplers low half-wave voltage 
半导体光电
2023, 44(5): 679
Shengfu Cheng 1,2†Xuyu Zhang 3,4Tianting Zhong 1,2Huanhao Li 1,2[ ... ]Puxiang Lai 1,2,7,*
Author Affiliations
Abstract
1 The Hong Kong Polytechnic University, Department of Biomedical Engineering, Hong Kong, China
2 The Hong Kong Polytechnic University, Shenzhen Research Institute, Shenzhen, China
3 Chinese Academy of Sciences, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Key Laboratory for Quantum Optics, Shanghai, China
4 University of Shanghai for Science and Technology, School of Optical-Electrical and Computer Engineering, Shanghai, China
5 University of Science and Technology of China, Department of Optics and Optical Engineering, Hefei, China
6 University of Chinese Academy of Sciences, Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, Beijing, China
7 The Hong Kong Polytechnic University, Photonics Research Institute, Hong Kong, China
Transmission matrix (TM) allows light control through complex media, such as multimode fibers (MMFs), gaining great attention in areas, such as biophotonics, over the past decade. Efforts have been taken to retrieve a complex-valued TM directly from intensity measurements with several representative phase-retrieval algorithms, which still see limitations of slow or suboptimum recovery, especially under noisy environments. Here, we propose a modified nonconvex optimization approach. Through numerical evaluations, it shows that the optimum focusing efficiency is approached with less running time or sampling ratio. The comparative tests under different signal-to-noise levels further indicate its improved robustness. Experimentally, the superior focusing performance of our algorithm is collectively validated by single- and multispot focusing; especially with a sampling ratio of 8, it achieves a 93.6% efficiency of the gold-standard holography method. Based on the recovered TM, image transmission through an MMF is realized with high fidelity. Due to parallel operation and GPU acceleration, our nonconvex approach retrieves a 8685 × 1024 TM (sampling ratio is 8) with 42.3 s on average on a regular computer. The proposed method provides optimum efficiency and fast execution for TM retrieval that avoids the need for an external reference beam, which will facilitate applications of deep-tissue optical imaging, manipulation, and treatment.
transmission matrix phase retrieval multimode fiber imaging wavefront shaping 
Advanced Photonics Nexus
2023, 2(6): 066005
林健 1刘雨潇 1符强 3李军 1[ ... ]陈伟伟 1,*
作者单位
摘要
1 宁波大学 信息科学与工程学院,宁波 315211
2 温州大学 电气与电子工程学院,温州 325035
3 宁波大学 科学技术学院,宁波 315300
提出了一种基于锥形渐变耦合结构的可扩展多模弯曲波导。该器件利用模式等效折射率匹配原理,通过对称的锥形渐变耦合结构,实现高阶模式与基模的相互转化,完成多模弯曲传输功能。同时,结合时域有限差分方法和粒子群优化算法,优化锥形渐变耦合结构区域,提升器件性能。实验测试结果表明,在1 520~1 600 nm的波长范围内,当输入模式分别为TE0、TE1、TE2、TE3和TE4时,该器件的插入损耗分别小于1.71 dB、3.04 dB、2.90 dB、3.16 dB和4.00 dB,对应的串扰分别小于-10.60 dB、-11.35 dB、-10.92 dB、-10.35 dB和-11.45 dB。
集成光学 多模弯曲波导 粒子群算法 锥形耦合器 有限时域差分法 Integrated optics Multimode waveguide bend Particle swarm optimization algorithm Tapered coupler Finite difference time domain method 
光子学报
2023, 52(7): 0713001
Author Affiliations
Abstract
School of Artificial Intelligence, Optics and Electronics (iOPEN), Northwestern Polytechnical University, Xi’an, Shaanxi 710072, P. R. China
The miniaturized femtosecond laser in near infrared-II region is the core equipment of three-photon microscopy. In this paper, we design a compact and robust illumination source that emits dual-color linearly polarized light for three-photon microscopy. Based on an all-polarization-maintaining passive mode-locked fiber laser, we shift the center wavelength of the pulses to the 1.7μm band utilizing cascade Raman effect, thereby generate dual-wavelength pulses. To enhance clarity, the two wavelengths are separated through the graded-index multimode fiber. Then we obtain the dual-pulse sequences with 1639.4nm and 1683.7nm wavelengths, 920fs pulse duration, and 23.75MHz pulse repetition rate. The average power of the signal is 53.64mW, corresponding to a single pulse energy of 2.25nJ. This illumination source can be further amplified and compressed for three-photon fluorescence imaging, especially dual-color three-photon fluorescence imaging, making it an ideal option for biomedical applications.
Three-photon fluorescence imaging illumination source dual-wavelength femtosecond pulse cascaded Raman effect graded-index multimode fiber 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2023, 16(5): 2241005

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