[論文レビュー] Multiphoton ghost imaging with classical light

I. N. Agafonov, Maria V. Chekhova+1 more|ArXiv.org|Nov 19, 2009

Random lasers and scattering media被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、古典的偽熱光を用いた多光子ゴースト像形成を実験的に示しており、4次までの高次強度相関が像の可視性を向上させるが、信号対雑音比（SNR）を低下させることを明らかにしている。固定された画像枚数のもとで、2次ゴースト像形成はSNRと可視性のバランスが最良であるため、実用的応用に最も適している。高次手法に比べ可視性は低いが、SNRが優れているためである。

ABSTRACT

One of the possible types of n-th order ghost imaging is experimentally performed using multi-photon (higher-order) intensity correlations of pseudothermal light. It is shown that although increasing the order of intensity correlations leads to the growth of ghost imaging visibility, it at the same time reduces the signal-to-noise ratio. Therefore, ghost imaging with thermal light is optimal in the second order in the intensity.

研究の動機と目的

• 古典的偽熱光を用いた多光子ゴースト像形成における、可視性と信号対雑音比（SNR）のトレードオフを調査すること。
• 理論的予測である、高次強度相関が可視性を向上させるがSNRを低下させることを、実験的に検証すること。
• 固定されたサンプリング条件下で、熱光に対するゴースト像形成の最適な次数をSNRと可視性の観点から特定すること。
• 異なる強度相関次数における非古典的光（SPDC）と偽熱光のSNRおよび可視性を比較すること。

提案手法

• 実験は、2ポートのハンタリー・ブラウン・トゥイス（HBT）装置を用い、n次強度相関関数を測定する。信号ビームはマスクを通過しバケット検出器で測定され、参照ビームは複数の空間分解能を持つ検出器に分岐される。
• n次強度相関関数は、連続的な強度分布を離散的な点での強度に置き換える離散モード近似を用いて計算され、高次モーメントの数値評価が可能になる。
• ゴースト像は、参照検出器の位置を走査し、n−1個の参照強度とバケット検出器が集めた全信号強度との相関を測定することで再構成される。
• 信号対雑音比（SNR）は、マスク領域の信号とバックグラウンドの平均差を、バックグラウンドの標準偏差で正規化することで定量化される。
• 可視性は、マスク領域における最大相関とバックグラウンド平均相関の比として測定され、レーザーの不安定性やスパッツルサイズの不均一性といった実験的要因を考慮した理論的フィットが行われる。
• モード数Mは、スパッツルパターンの半最大全幅（FWHM）を定数S=1.19でスケーリングすることで決定され、理論的仮定からの実験的ずれを補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的偽熱光を用いたゴースト像形成において、強度相関の次数を増加させることで可視性が向上し、SNRが低下するか？
• RQ2 固定された画像枚数のもとで、偽熱光に対するゴースト像形成の最適な次数は何か（SNRを最大化する観点から）？
• RQ3 異なる次数および強度領域において、偽熱光のゴースト像形成におけるSNRは非古典的光（SPDC）と比べてどの程度か？
• RQ4 高次相関による可視性の向上は、画像枚数を増やすことで補償可能か？その場合、測定時間またはデータ量にどのようなコストが生じるか？
• RQ5 レーザー出力の不安定性やスパッツルの不均一性といった実験的要因が、測定された相関関数およびそれによるSNRと可視性に与える影響は何か？

主な発見

• 2次から4次までの高次ゴースト像形成は可視性を向上させ、実験データと理論的フィットともに4次像が最大の可視性を示す。
• 可視性の向上にもかかわらず、相関次数が上昇するにつれて信号対雑音比（SNR）は低下し、4次像が最小のSNRを示す。
• 2次ゴースト像形成は、全テストされた次数の中で最高のSNRを示し、固定された画像枚数のもとで実用的応用に最も適している。
• 単モード領域では、偽熱光のSNRはSPDCに比べわずかに低い（6%未満の差異）、が、マルチモード領域では差が拡大する。
• 高強度領域では、偽熱光とSPDCのSNR値が一致し、高光子フラックス条件下では両者とも同等の性能を示す。
• 実験データから、観測された自己相関関数は理論予測から定数因子F₂=0.988、F₃=0.984、F₄=0.997のずれを示し、これにより可視性曲線のフィットと実験的ノイズ・不安定性の補正が行われた。