[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出，光扩散器中的散斑强度相关性普遍反映入射相干光束波前的变化，使扩散器能够作为简单的干涉仪使用。通过随机矩阵理论和基于微流体波前调制器的实验，作者证明强度相关性不受扩散器具体特性的影响，仅取决于相位变化，从而在生物医学和计量学等应用中实现鲁棒、无参考的波前传感。

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.

研究动机与目标

• 探讨复杂介质中的散斑强度相关性是否可作为波前变化的通用探测手段。
• 解决在浑浊或散射介质中进行波前传感时无需参考光束的挑战。
• 证明强度相关性独立于特定扩散器的特性，仅依赖于入射光束的相位变化。
• 为将扩散器用作简单、紧凑的干涉仪建立理论与实验基础。

提出的方法

• 使用随机矩阵理论进行理论分析，以模拟波在无序介质中的传播并预测强度相关性行为。
• 通过数值模拟验证强度相关性对波前变化的敏感性在不同扩散器配置下具有普适性。
• 采用压力驱动的微流体通道实验装置，动态形变波前并调制入射光束。
• 测量波前形变前后散斑强度的相关性，以提取相位变化信息。
• 将理论预测与实验结果进行比较，确认相关性响应的普适性。
• 使用统计分析表明，强度相关性仅依赖于相位变化，而不依赖于特定的散射介质。

实验结果

研究问题

• RQ1 光扩散器中的散斑强度相关性是否能普遍检测入射相干光束波前的变化？
• RQ2 强度相关性对波前变化的敏感性是否独立于扩散器的具体特性？
• RQ3 在波前传感中，复杂介质如扩散器在多大程度上可替代传统参考光束干涉仪？
• RQ4 光学场相关性在多次散射下如何保持不变，从而通过强度相关性实现波前变化的普遍检测？
• RQ5 该方法是否可在无需参考光束的实际紧凑装置中得到实验验证？

主要发现

• 散斑强度相关性对波前变化具有普遍敏感性，且不依赖于所用的具体光扩散器。
• 基于随机矩阵理论的理论预测能准确描述不同类型的扩散器中观测到的强度相关性行为。
• 使用微流体波前调制器的实验结果证实，强度相关性能以高保真度反映相位变化。
• 该方法实现了无参考波前传感，消除了对复杂干涉测量装置的需求。
• 强度相关性对相位变化的敏感性在多次试验和不同扩散器配置下均表现出鲁棒性和可重复性。
• 光学场相关性在多次散射过程中的保持不变，是强度相关性对波前变化呈现普遍行为的物理基础。