[論文レビュー] Turbulence Mitigation in Phase-Conjugated Two-Photon Imaging

David S. Simon, Alexander V. Sergienko|arXiv (Cornell University)|May 1, 2011

Random lasers and scattering media参考文献 56被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、光子対の量子相関を利用することで大気乱流に起因する位相歪みを低減する位相共役二光子イメージング方式を提案する。相関した光子対の一方の位相を共役化することにより、乱流に起因する位相歪みが相殺され、歪みのないゴーストイメージングが、強い位相揺らぎ下でも実現可能となる。

ABSTRACT

It is shown that the use of phase conjugation in one arm of a correlated two-photon imaging apparatus allows undistorted ghost imaging through a region with randomly-varying phase shifts. The images are formed from correlated pairs of photons in such a way that turbulence-induced phase shifts gained by the photons during passage through the medium cancel pairwise.

研究の動機と目的

• 大気乱流によって引き起こされる二光子ゴーストイメージングの画像品質の低下を是正すること。
• 光子の伝搬中にランダムに変動する位相シフトが生じる状況下でも、画像の忠実度を維持する手法を開発すること。
• 二光子系の一方のアームで位相共役化を施すことで、乱流に起因する位相歪みを相殺できることを示すこと。
• 乱流条件下における相関光子対の解析的モデルを用いて理論的枠組みを検証すること。
• 強い大気乱流を伴う現実世界の環境へも量子ゴーストイメージングの適用範囲を拡張すること。

提案手法

• 自発的パラメトリック下変換（SPDC）により生成される相関二光子状態を用いてゴーストイメージングを実現する。
• 四波混合プロセスを用いて、イメージング装置の一方のアームで位相共役化を適用し、位相歪みを逆転させる。
• ビームの伝搬を記述するため、複素振幅関数および伝達関数を用いてシステムをモデル化する。
• 乱流下における有効ビームパラメータ（例：ビーム幅、曲率）の解析的表現を、位相共役化の有無にかかわらず導出する。
• 位相歪みのキャンセレーションを含むビーム伝搬方程式を修正する位相共役ミラー（PCM）モデルを導入する。
• 得られた連立微分方程式を解くことで、乱流に起因する位相歪みが相関光子対において対ごとに相殺されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二光子ゴーストイメージング系における位相共役化が、乱流に起因する位相歪みを効果的に相殺できるか。
• RQ2 一方の光子が乱流媒体を通る一方で、もう一方の光子が位相共役化された状況下で、相関光子対がどのように画像忠実度を維持するか。
• RQ3 二光子イメージングにおける位相共役化によって達成可能な乱流低減の理論的限界は何か。
• RQ4 位相共役ミラーの導入が、ランダムな位相揺らぎが存在する状況下でのビームパラメータおよび画像形成に与える影響は何か。
• RQ5 乱流が波面歪みを顕著に引き起こすシステムにおいて、位相共役化が画像品質をどの程度回復できるか。

主な発見

• 二光子系の一方のアームで位相共役化を施すことで、乱流媒体を通過する際の位相シフトが対ごとに相殺され、歪みのないゴーストイメージングが実現可能となる。
• 理論的解析により、乱流領域内を伝搬する過程で光子が得る位相歪みが、共役ビームを coincidence 検出に用いることで相殺されることが確認された。
• 乱流による強い位相揺らぎ下でも、画像品質が維持され、乱流なし状態における元のビームパラメータに回復することが示された。
• モデルは、位相共役化を適用した場合、有効ビーム幅および曲率が安定したままであると予測しており、乱流に対して高い耐性を示すことが示唆される。
• 主なメカニズムは、二つの相関光子間で位相エラーが対称的にキャンセルされることであり、これは量子相関によって保持される。
• 解析的検証により、乱流パラメータ（α₁, α₂）をゼロに設定した場合、位相共役系が乱流なしの解に還元されることを示した。