Noise-tolerant wavefront shaping for focusing light through multimode fibers
Çok modlu fiberlerde ışık odaklama için gürültüye dayanıklı dalgacephesi şekillendirme
- Tez No: 961256
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN YILMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Dalga cephesi yöntemi, Dalga modülasyonu, Fiber optik, Hadamard dönüşümü, Lazer optik sistem, Çok modlu fiber, İşaret iletim teknikleri, Wavefront method, Wave modulation, Fiber optics, Hadamard transformation, Laser optic system, Multimode fiber, Signal transmission techniques
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Multimode optical fibers (MMFs) offer unique advantages for high-resolution imaging, optical communication, and power delivery. However, their complex modal structure poses significant challenges for the precise prediction of light propagation. This thesis explores the upper bounds of intensity enhancement achievable in light focusing through multimode fibers (MMFs) using phase-only wavefront shaping techniques designed to be robust against noise. We begin with a theoretical analysis of modal propagation and introduce the transmission matrix (TM) formalism as a foundation for describing input-output field relationships in MMFs. We then explore digital optical phase conjugation (DOPC) and feedback-based wavefront shaping strategies, emphasizing their performance limitations under realistic experimental constraints. A central contribution of this thesis is the introduction of a generalized expression for the enhancement factor, incorporating both the input participation ratio and the phase error coefficient. We demonstrate that enhancement is strongly influenced by the choice of input basis and the presence of experimental noise. Using common-path interferometric transmission matrix (TM) measurements, we demonstrate that the Dual Reference Algorithm (DRA) implemented in the Hadamard basis outperforms the widely used Stepwise Sequential Algorithm (SSA) operating in the canonical (SLM pixel) basis. Our experimental results confirm that Hadamard-based wavefront shaping offers superior noise resilience, yielding intensity enhancement factors approaching the theoretical upper bound. We further conduct a detailed analysis of experimentally measured transmission matrices (TMs), revealing that the segment size on the SLM significantly influences modal coupling and focusing performance. Finally, we introduce an operator-based framework that encodes the radial memory effect for a focused beam, extending beyond the conventional rotational memory effect in multimode fibers (MMFs). This approach enables beam scanning via controlled shifts of the input SLM pattern, paving the way for advanced applications in fiber-optic imaging and beam steering. Overall, this thesis presents a unified framework that bridges theory and experiment to optimize wavefront shaping in multimode fibers (MMFs), with direct implications for endoscopic imaging, clean-beam fiber amplification, and programmable fiber-based optical systems.
Benzer Tezler
- Meniere hastalığında endolenfatik kese cerrahisi
Endolymphatic sac surgery in meniere's disease
NEBİL GÖKSU
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
1987
Kulak Burun ve BoğazGazi ÜniversitesiKulak Burun Boğaz Ana Bilim Dalı
PROF.DR. NECMETTİN AKYILDIZ
- Eksternal etmoidektomiler
Başlık çevirisi yok
ERCÜMENT AKMAN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
1987
Kulak Burun ve BoğazGazi ÜniversitesiKulak Burun Boğaz Ana Bilim Dalı
PROF.DR. NECMETTİN AKYILDIZ
- Ülkemizdeki çeşitli büyüklükteki yerleşim merkezlerinde uygulanabilecek kültür yapısı planlama modeli
The Planning model of the cultural building which applicable at different size of settlement center
MUSTAFA İNCESAKAL
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Şehircilik ve Bölge PlanlamaGazi ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UMUR ERKMEN
- Sivas ili C.Ü. hastanesinde yatmakta olan hastaların servislerine kabul edilişlerindeki uygulamalarla bu uygulamalara ilişkin duygu ve beklentilerinin saptanması
Determination of the formalities in admitting the patients hospitalized at the Cumhuriyet University of Sivas to the services and their feelings and expeetations relating to these formalities
FADİME KESKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
HastanelerCumhuriyet ÜniversitesiHemşirelik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MELİHA ATALAY
- Rana ridibunda (anura-ranidae) kompleksi üzerinde morfolojik, serolojik ve ekolojik araştırmalar
Başlık çevirisi yok
HÜSEYİN ARIKAN