Multimode interference (MMI) in optical fibers has been studied and its applications in optical fiber lasers and amplifiers have been proposed and demonstrated in this thesis. When a single-mode fiber is spliced onto a multimode fiber, quasi-reproduction of the field from the single-mode fiber, also called “self-imaging”, occurs periodically along the multimode fiber where the phase differences between the strongly excited modes are very small. The properties of self-imaging in multimode optical fibers have been investigated experimentally and theoretically in this thesis. Key parameters for the design of MMI-based fiber devices have been defined and their corresponding values have been provides for the 50 μm and 105 μm multimode fibers. By use of the self-imaging effect, a fiber laser with single-transverse-mode output while using a multimode rare-earth-doped fiber has been demonstrated as an alternative route to overcome the constraints of an active single-mode fiber. The first MMI-based fiber laser in the world has provided a perfect beam quality (M² = 1.01) and an inherent narrow spectrum (Δλ(3dB) < 0.5 nm). Linearly-polarized narrow-linewidth single-transverse-mode emission has also been obtained from a MMI fiber laser utilizing a single-mode fiber inscribed with a polarization-maintaining fiber Bragg grating. Moreover, high power MMI fiber lasers and amplifiers utilizing rare-earth doped silica large-core multimode fibers have been proposed and their critical features, such as efficiency, optical spectrum, and beam quality, have been investigated. On the other hand, because exclusively excited LP₀, n modes inside the multimode fiber segment are represented by apertured Bessel fields that have long propagation invariant distances, nondiffracting beams can be generated from the MMI-based fiber devices. In this thesis, the principle of generating nondiffracting beams from multimode optical fibers has been described and the propagation characteristics of the generated beams have been investigated. Active MMI fiber devices to generate tens of watts or even hundreds of watts nondiffracting beams have also been proposed.

Dizertační práce je uceleným shrnutím výsledků dosažených v průběhu doktorského studia. V úvodní části práce je představena motivace, odborné a technické zázemí a grantová podpora realizovaného výzkumu. Popsány jsou také dosažené výsledky a jejich význam pro skupinu Experimentální biofotoniky, Ústavu fyzikálního inženýrství, Vysokého učení technického v Brně. Vědecká část práce je rozdělena do dvou hlavních bloků, které se postupně zabývají návrhem nových zobrazovacích koncepcí a technickou modifikací stávajících zobrazovacích systému v praktických aplikacích. Dosažené vědecké výsledky podporují vývoj v oblastech korelační a spirální mikroskopie s prostorovou modulací světla. V části zabývající se návrhem nových zobrazovacích koncepcí je provedena studie korelačního zobrazení v podmínkách proměnné časové a prostorové koherence. Následně jsou zkoumány možnosti praktického využití vírových a nedifrakčních svazků v oblastech korelační, holografické a optické mikroskopie. Interference vírových svazků a samozobrazení nedifrakčních svazků je postupně využito k dosažení 3D zobrazení s hranovým kontrastem a rotující bodovou rozptylovou funkcí. Pokročilé zobrazovací metody jsou úspěšně zavedeny optickou cestou ale i digitální modifikací holografických záznamů. Výsledky teoretických modelů a numerických simulací jsou doprovázeny praktickým vyhodnocením navržených zobrazovacích principů. V technicky zaměřené části jsou navrženy nové způsoby zavedení prostorové modulace světla, které umožňují rozšíření zorného pole v experimentech korelačního zobrazení a dosažení achromatizace při zobrazení pomocí programovatelných difraktivních prvků. Rozšíření zorného pole v korelačních experimentech umožňuje přizpůsobovací optický systém vložený do standardní zobrazovací sestavy. Achromatizace difraktivního zobrazení je zajištěna použitím speciálně navrženého refraktivního korektoru. V navazující části je navržena nová metoda krokování fáze, která pracuje s dvojlomností kapalných krystalů využívaných v systémech pro prostorovou modulaci světla. Použití metody je experimentálně demonstrováno v polarizačně modifikovaném Mirau interferometru. Získané technické zkušenosti jsou využity v praktickém návrhu a realizaci multimodálního zobrazovacího systému s prostorovou modulací světla.

La focalisation du champ électromagnétique dans les zones de champ proche et lointain est un sujet de forte actualité pour l'imagerie médicale et la radiométrie des microondes jusqu'aux ondes millimétriques. Dans ce cadre, la théorie des ondes de fuite est un formalisme élégant qui permet de décrire d'une même façon les problèmes radiatifs en champ proche et en champ lointain des microondes aux fréquences optiques. Dans cette thèse, on utilise la polyvalence de la théorie des ondes de fuite pour développer des systèmes rayonnants complexes afin de contrôler les caractéristiques radiatives en champ lointain aux fréquences submillimétriques et pour focaliser la radiation électromagnétique en champ proche aux fréquences millimétriques. Ainsi, l'utilisation de matériaux uniques comme le graphène et les cristaux liquides ont été considérés pour la conception des antennes à ondes de fuite, en obtenant des résultats très intéressants en termes de reconfigurabilité, d'efficience et de directivité. Dans ce contexte, une analyse théorique originale a fourni de nouvelles formules pour l'évaluation des caractéristiques radiatives (c.à.d. la largeur de faisceau, le niveau des lobes secondaires, etc.) des antennes à ondes de fuite. En effet, la largeur du faisceau de ces antennes est, jusqu'à présent, estimée au moyen des formules proposées pour la première fois dans les années '60 par Prof. Arthur A. OLINER. Ces formules ne tiennent en compte ni de la longueur de l'antenne (sauf pour des cas très particuliers), ni du rayonnement longitudinal, elles ne permettent donc pas une évaluation rigoureuse.En complément à la reconfigurabilité en champ lointain, les ondes de fuite offrent aussi la possibilité de focaliser la radiation en champ proche. Dans ce cas, on voit que les ondes de fuite peuvent être utilisées d'une façon efficace pour générer des faisceaux non diffractifs de Bessel à travers des systèmes rayonnants à bande étroite aux ondes millimétriques. De plus, le caractère non diffractif des faisceaux de Bessel peut aussi être utilisé pour générer des impulsions très localisées (comme les solitons en optiques) à travers la superposition continue des faisceaux de Bessel sur une large bande de fréquence. Dans ce cadre, une nouvelle formulation a été développée afin de comprendre les limitations physiques et technologiques concernant la génération des impulsions non diffractives et non dispersives, c.à.d. les X-waves. Les résultats ont montré qu'un type de systèmes rayonnants à large bande, notamment les antennes RLSA (en anglais « Radial Line Slot Array »), semblent très favorables pour la génération des X-waves. / In recent years, microwave, millimeter-wave, and THz applications such as medical and security imaging, wireless power transfer, and near-field focusing, just to mention but a few, have gained much attention in the area of ICT due to their potentially high social impact. On one hand, the need of highly-directive THz sensors with tunable radiating features in the far-field region has recently boosted the research activity in the design of flexible, low-cost and low-profile devices. On the other hand, it is of paramount importance to focus energy in the near-field region, and thus the generation of limited-diffraction waves in the microwave and millimeter-wave regime is a topic of recent increasing interest. In this context, leaky-wave theory is an elegant and extremely useful formalism which allows for describing in a common fashion guiding and radiating phenomena in both the near field and the far field, spanning frequencies from microwaves to optics passing through THz. In this PhD thesis we aim to exploit the intrinsic versatility of the leakywave approach to design advanced radiating systems for controlling the far-field radiating features at THz frequencies and for focusing electromagnetic radiation in the near field at millimeter waves. Specifically, the use of relatively new materials such as graphene and liquid crystals has been considered for the design of leaky-wave based radiators, achieving very promising results in terms of reconfigurability, efficiency, and radiating capabilities. In this context, an original theoretical analysis has provided new general formulas for the evaluation of the radiating features (e.g., half-power beamwidth, sidelobe level, etc.) of leaky-wave antennas. Indeed, the current formulations are based on several simplifying hypotheses which do not allow for an accurate evaluation of the beamwidth in different situations. In addition to the intriguing reconfigurable capabilities offered by leaky waves in far-field applications, interesting focusing capabilities can be obtained in the near field. In particular, it is shown that leaky waves can profitably be used to generate limited-diffraction Bessel beams by means of narrow-band radiators in the microwave range. Also, the use of higherorder leaky-wave modes allows for achieving almost the same performance in the millimeter-wave range, where previous designs were subjected to severe fabrication issues. Even more interestingly, the limited-diffractive character of Bessel beams can also be used to generate limited-diffraction pulses as superpositions of monochromatic Bessel beams over a considerable fractional bandwidth. In this context, a novel theoretical framework has been developed to understand the practical limitations to efficiently generate limited-diffraction, limited-dispersion pulses, such as X-waves, in the microwave/millimeter-wave range. As a result of this investigation, a class of wideband radiators has been thoroughly analyzed, showing promising capabilities for the generation of both zeroth-order and higher-order Xwaves. The latter may pave the way for the first localized transmission of orbital angular momentum in the microwave range.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Konzept der radial nicht-oszillierenden, zeitlich stabilen ultrakurzen Bessel ähnlichen Strahlen oder "Nadelstrahlen" ("needle beams"), die zu einer Klasse von optischen hochlokalisierten Wellenpaketen generalisiert werden. Hierbei wird die Theorie über das räumlich-zeitlichen Ausbreitungsverhaltens von nicht auseinanderdriftenden Nadelstrahlen mit Pulsdauern von kleiner als 10 fs näher diskutiert. Dies wird durch eine systematische Darstellung der Methoden zur Generierung und Detektierung von lokalisierten Wellen komplettiert, die ein optischen Drehmoment tragen. Für die Erzeugung von HLWs kommen räumliche Lichtmodulatoren zum Einsatz, die ein flexibles Zuschneiden von Wellenpaketen mit der Dauer weniger Zyklen des EM-Feldes erlauben. Es wird gezeigt, dass solche optischen Pulse sich über beträchtliche Entfernungen ausbreiten, ohne dass sich dabei signifikant der Strahldurchmesser vergrößert oder der Puls zeitlich verbreitert. In variabler Weise werden verschiedene geometrische (z.B. ringförmige) Lichtverteilungen erzeugt. Anwendungspotential findet sich insbesondere in den Techniken der räumlichen Pulsformung und Diagnostik. Als besonders wichtiger Ansatz ist der Zeit-Wellenfront-Sensor zu erwähnen, welcher die nichtlineare, mehrkanalige Autokorrelation, die Wellenfrontdetektion mittels nichtdiffraktiver Teilstrahlen nach dem Shack-Hartmann-Prinzip und eine adaptive Funktionalität miteinander vorteilhaft verbindet. Das enorme Potential solcher Ansätze wird durch die hohe Genauigkeit orts-, winkel- und zeitabhängiger Rekonstruktionen der Wellenpakete nachgewiesen. Darüber hinaus ermöglicht das räumliche Kodieren und anschließende Verfolgen der Teilstrahlen eine wesentliche Verbesserung der Identifikation relevanter Parameter von Verteilungsfunktionen. Schließlich werden erste Schritte zur experimentellen Generation von optischen "light bullets" mit ganzzahligen und fraktalen orbitalen Drehmomenten präsentiert. / This thesis deals with the concept of radially non-oscillating, temporally stable ultrashort-pulsed Bessel-like beams or "needle pulses", which are an example of a highly localized wave packet (HLW). HLWs are the closest approximation of linear-optical light bullets and provide specific benefits compared to conventional Gaussian-like light bullets. The spatio-temporally nonspreading propagation behavior of few-cycle needle beams of less than 10 fs duration will be theoretically discussed in detail. An overview of the generation and detection of localized waves carrying an orbital angular momentum is also given. High fidelity spatial light modulators are used for the generation of HLWs. The flexible tailoring of few-cycle wave packets at near-infrared wavelengths is reported. It is shown that such pulses propagate over a huge depth of focus, neither significantly changing their spot size or nor the pulse duration. Variable geometrical distributions like circular disks, rings, or bars of light are shaped and exploited as building blocks for structures of higher complexity. Another section of the thesis emphasizes the numerous potential applications of related techniques for an optimized two-dimensional spatial pulse shaping and diagnostics (reduce ambiguities) based on localized waves. As a particularly important example, time-wavefront sensing is used to combine nonlinear multichannel autocorrelation with Shack-Hartmann wavefront sensing by means of localized sub-beams and adaptive functionality. The capabilities of such devices are illustrated by the results of angular and temporal mapping of few-cycle wave packets. Moreover, spatial encoding and subsequent tracking of individual sub-beams, even at incident angles of up to 50°, enables to significantly improve the spot recognition. Finally, first steps towards the generation of optical light bullets carrying integer or non-integer orbital angular momenta are presented.