[論文レビュー] Intensity speckle presents the density matrix of light

KyeoReh Lee, YongKeun Park|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2017

Random lasers and scattering media参考文献 48被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、強度スパーキルパターンが光の完全な密度行列（振幅、位相、偏光、コherenCe特性を含む）を直接符号化していることを示している。著者らはスパーキル相関散乱行列（SSM）法を拡張し、単一の強度スナップショットから完全なコherenCe行列を抽出することで、従来の技術（例：スチューツ偏光計測）よりも高い効率で複雑な光状態を完全に特徴付けることが可能になった。

ABSTRACT

We show that an intensity speckle can be directly interpreted as the properties of incident light - amplitude, phase, polarization, and coherency over spatial positions. Revisiting the speckle-correlation scattering matrix (SSM) method [Lee and Park, Nat. Comm. 7, 13359 (2016)], we successfully extract the intact information of incident light from an intensity speckle snapshot as the form of coherency matrix. The idea is verified experimentally by introducing the peculiar states of light that exhibit uneven amplitude, phase, polarization, and coherency features. We also find substantial practical advantage of the proposed method compared to the conventional coherency matrix measuring techniques such as Stokes polarimetry. We believe this physical interpretation of an intensity speckle could open a new avenue to study and to utilize the speckle phenomenon in vast subfields of wave physics.

研究の動機と目的

• 強度スパーキルを光の密度行列の直接的表現としての物理的解釈を確立すること。
• 従来のコherenCe行列測定技術（例：スチューツ偏光計測）の限界を克服すること。これらは複数回の測定を要し、完全なコherenCe情報を持たない。
• 実験的にスパーキルパターンが入射光の空間的に変化する振幅、位相、偏光、コherenCe特徴を保持・符号化できることを示すこと。
• 非一様なコherenCeおよび偏光プロファイルを有する設計された光状態を用いて、手法の妥当性を検証すること。
• 光場の完全なコherenCe行列を測定するための実用的でワンショットの代替手法を確立すること。

提案手法

• スパーキル相関散乱行列（SSM）法を拡張し、単一の強度スパーキルパターンから完全なコherenCe行列を抽出すること。
• 複数の散乱状態からの強度スパーキルパターンの相互相関を用いて、入射光の密度行列を再構築する。
• 理論的モデリングにより、強度スパーキルパターンがコherenCe行列の完全な情報を含み、コherenCeを表す非対角成分を含むことが示された。
• 空間的に変化する振幅、位相、偏光、コherenCeを有するチューニングされた光状態を用いて、手法の忠実度を実験的に検証した。
• 位相に敏感な検出を避けるために、強度測定のみを用いることで、耐障害性が高く簡単な実装が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強度スパーキルパターンは、光の完全な密度行列の直接的表現として解釈可能か？
• RQ2 SSM法を用いて単一の強度スパーキルスナップショットからコherenCe行列をどの程度正確に再構築できるか？
• RQ3 この手法は、コherenCe特性を測定する従来の技術（例：スチューツ偏光計測）と比較して、実用的な利点があるか？
• RQ4 この手法は、振幅、位相、偏光、コherenCeが空間的に非一様に変化する複雑な光状態を解像できるか？
• RQ5 この手法は、密度行列の非対角成分を含む、入射光のコherenCeに関する完全な情報を保持するか？

主な発見

• 強度スパーキルパターンは、入射光のコherenCe行列の完全な情報を含んでおり、振幅、位相、偏光、空間的コherenCe特徴を含む。
• SSM法は、単一の強度スナップショットから完全なコherenCe行列を成功裏に再構築し、複雑な光状態の高精度な特徴付けを実現した。
• 複数回の測定と位相に敏感な検出を不要とするため、スチューツ偏光計測と比較して実用性に優れたことが示された。
• 実験結果は、設計された光場における空間的に変化するコherenCeおよび偏光プロファイルの解像が可能であることを確認した。
• 最小限のハードウェア要件で光場の完全な特徴付けが可能となり、波動物理学の応用分野に新たな道を開いた。