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.