[論文レビュー] Universal sensitivity of speckle intensity correlations to wavefront change in light diffusers

KyungDuk Kim, Hyeonseung Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2016

Random lasers and scattering media被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、光拡散体におけるスパグル強度相関が、入射コherentビームの波面変化を普遍的に反映することを提案しており、これにより拡散体がシンプルな干渉計として機能可能となる。ランダム行列理論とマイクロ流体デバイスを用いた実験を通じて、強度相関が拡散体の特定の性質に依存せず、波面の位相変化にのみ依存することを示し、生体医学から計測工学に至る応用分野において、参照光を必要としない耐障害性の高い波面センシングを実現する。

ABSTRACT

Here, we present a concept based on the realization that a complex medium can be used as a simple interferometer. Changes in the wavefront of an incident coherent beam can be retrieved by analyzing changes in speckle patterns when the beam passes through a light diffuser. We demonstrate that the spatial intensity correlations of the speckle patterns are independent of the light diffusers, and are solely determined by the phase changes of an incident beam. With numerical simulations using the random matrix theory, and an experimental pressure-driven wavefront-deforming setup using a microfluidic channel, we theoretically and experimentally confirm the universal sensitivity of speckle intensity correlations, which is attributed to the conservation of optical field correlation despite multiple light scattering. This work demonstrates that a complex media is a simple interferometer, and presents opportunities to replace complicated reference-beam-assisted interferometers with a simple and compact scattering layer in various applications in metrology, analytical chemistry, and biomedicine.

研究の動機と目的

• 複雑媒体におけるスパグル強度相関が、波面変化を普遍的プローブとして機能するかを検討すること。
• 参照ビームを必要としない、濁ったまたは散乱媒質における波面センシングの課題を解決すること。
• 強度相関が特定の拡散体の性質に依存せず、入射ビームの位相変化にのみ依存することを実証すること。
• 拡散体をシンプルでコンactな干渉計として用いるための理論的・実験的基盤を確立すること。

提案手法

• 不規則媒体を通過する波動伝播をモデル化し、強度相関の挙動を予測するためのランダム行列理論を用いた理論的分析。
• 異なる拡散体構成において、強度相関の波面変化への感受性の普遍性を検証するための数値シミュレーション。
• 圧力駆動マイクロ流路を用いた実験的設定により、波面を動的に変形させ、入射ビームを変調する。
• 波面変形の前後におけるスパグル強度相関の測定を行い、位相変化の情報を抽出する。
• 理論的予測と実験結果の比較を通じて、相関応答の普遍性を確認する。
• 統計的解析を用いて、強度相関が特定の散乱媒体に依存せず、位相変化にのみ依存することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光拡散体におけるスパグル強度相関は、入射コherentビームの波面変化を普遍的に検出可能か？
• RQ2 強度相関の波面変化への感受性は、拡散体の特定の性質に依存しないか？
• RQ3 スパグル強度相関は、伝統的な参照ビーム干渉計に比べて、波面センシングにおいてどの程度代替可能か？
• RQ4 複数回の散乱下でも光学場相関が保存されることにより、強度相関を介した波面検出の普遍性がどのように実現されるか？
• RQ5 本手法は、参照ビームを必要としない実用的でコンパクトな設定において、実験的に検証可能か？

主な発見

• スパグル強度相関は、使用する特定の光拡散体に依存せず、波面変化に対して普遍的に感受性を示す。
• ランダム行列理論に基づく理論的予測は、異なるタイプの拡散体においても観測された強度相関挙動を正確に記述する。
• マイクロ流体デバイスを用いた実験結果により、強度相関が位相変化を高精度で反映することが確認された。
• 本手法により、参照光を不要とする波面センシングが可能となり、複雑な干渉計セットアップの必要性が排除された。
• 強度相関の位相変化への感受性は、複数回の試行および異なる拡散体構成においても、頑健かつ再現可能である。
• 複数回の散乱下での光学場相関の保存が、波面変化に対する強度相関の普遍的挙動の背後にある要因である。