強度相関スキャン (IC - 広州CMM株式会社

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7239 (2023) この記事を引用

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この記事に対する著者の訂正は 2023 年 5 月 17 日に公開されました

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光散乱は、目的の元素によって引き起こされるかスプリアス元素によって引き起こされるかに関係なく、混濁媒体の非線形 (NL) 光学特性評価に大きな課題をもたらす主要な現象の 1 つと考えられています。最も関係のある妨害要因は、多重散乱によるレーザービームの空間強度分布によるランダムな変形です。この研究では、光散乱を利用して自己集束によって引き起こされる波面変化に敏感なスペックルパターンを生成することにより、散乱媒体のNL光学応答を特徴付ける新しいツールとしての強度相関スキャン（ICスキャン）技術を報告します。そして自己焦点ぼかし効果。さまざまなスペックルパターンの空間強度相関関数を分析することにより、従来の NL 分光法では対応できない非常に濁った媒体でも、より高い信号対雑音比を持つピークから谷までの透過率曲線が得られます。 IC スキャン技術の可能性を実証するために、散乱体として高濃度のシリカナノスフィアを含むコロイドと、NL 粒子および光散乱体として機能する金ナノロッドを含むコロイドの NL 特性評価が実行されました。結果は、IC スキャン技術が混濁媒質中の NL 屈折率の測定においてより正確、精密かつ堅牢であり、十分に確立された Z スキャンおよび D4σ 技術によって課せられる制限を克服することを示しています。

光散乱は、光と物質の相互作用によって観察される最も基本的な光学現象の 1 つであり、散乱体積全体にわたる屈折率の不均一性に起因します。いくつかの硬質および軟質凝縮物系における散乱の関連性は、粒子サイズとコロイド安定性 2、微小欠陥検出 3、光学組織診断 4 の測定、および光学スーパー分野での応用の調査のために開発されたさまざまな非侵襲的技術によって証明されています。 -解像度5、3次元ホログラフィ6、最新の暗号7、およびランダムレーザー8。この最後のシステムでも、単一散乱領域から多重散乱領域に切り替えることにより、フォトニックシステムにおけるレプリカ対称性の破れ 9 やフロッケ位相 10 と互換性のあるガラス状光位相などの新しい光拡散現象を研究することができました。アンダーソンによる光の位置推定も同様です11。それにもかかわらず、光と相互作用する媒体の密度が高く、無秩序であればあるほど、透過または反射ビームの空間的および時間的強度プロファイルにおける散乱光子によって引き起こされる歪みが大きくなりますが、これは光学システムやフォトニックシステムでは必ずしも望ましいとは限りません12。 13、14。

スペックルパターンは、散乱度が高く、無秩序な媒質によって散乱されたコヒーレントビームが受ける可能性がある複雑な強度分布の明らかな例です。ランダムに分布した強度と位相を持つこれらのパターンは、事実上ランダムな位相と干渉する多くの異なる散乱波が重ね合わされた結果です。長い間、スペックルは、さまざまな物理プロセスの観察を妨害し、信号対雑音比を低下させ、その結果、多くの光学技術の精度と感度を制限する単なるノイズの多い現象と考えられてきました 16、17、18、19。このような解釈は、光の散乱がスプリアス粒子によって引き起こされる場合には合理的です。ほこり、またはシステムの欠陥20、21、22。ただし、スペックルがシステムの固有の無秩序の結果である場合、強度相関関数やパワースペクトル密度などの統計的特性を分析すると、研究対象のシステムの光学特性に関する関連情報が得られます23。スペックルパターンの統計的研究は、恒星の物理学 24、ランダムレーザー 25、26、27、光学画像処理 28、光学操作 29、さまざまな材料の輪郭、変形、振動、ひずみの正確な測定 30、拡散光の変位と変形において大幅な進歩が見られました。物体31および生体組織分析32。

2\right)\) the NL phase shift extends (compresses) beyond the incident intensity distribution, while for \(m=2\) the NL response of the medium is considered as local43. It is worth mentioning that the \({n}_{2}\) values measured in this work for \(m\ne 2\) are related to the thermo-optic coefficients that tend to induce self-defocusing effects in an equivalent way to the third-order NL refractive indices for the Kerr effect./p>2.0\right)\). Conversely, large illumination diffuser areas lead to the construction of a pattern with a large number of speckles, with smaller sizes, resulting in a more homogeneous intensity distribution, i.e., lower intensity contrast \(\left({g}_{self, max}^{\left(2\right)}<2.0\right)\). For this reason, the IC-scan curves present a peak-to-valley structure opposite to those of D4σ, which directly measure the beam size in the detection plane./p> 1.0 kW/cm2) are high enough to excite both linear and NL effects. Therefore, the cross-correlation function allows to analyze the statistical properties of the speckle patterns that were modified only by NL refraction effects./p> 15 kW/cm2, it is observed that for the colloid with f = 4.1 × 10–2, \(\Delta {g}_{cross, max}^{\left(2\right)}\) also deviates significantly from the values found for pure ethanol, indicating the contribution of some new NL phenomenon that influences the characterization of the NL refractive behavior. To understand the origin of the change in the slope of the \(\Delta {g}_{cross, max}^{\left(2\right)}\) versus I curve, experiments to characterize the behavior of the scattered light intensity with the increase of the laser intensity were performed. In these experiments, a cell with 1.0 mm thickness, containing SiO2 colloids, was located in the focus of a 10 cm lens, identical to that used in the Z-scan, D4σ and IC-scan experiments. The scattered light was collected in a direction nearly perpendicular to the propagation direction of the incident laser beam by using a microscope objective, a plano-convex lens and a photodetector, as schematized in Fig. 5i./p> 15 kW/cm2. This NL scattering contributions can be understood from the Rayleigh-Gans model60, by expressing the scattering coefficient as: \({\alpha }_{scat}={g}_{s}{\left(\Delta n\right)}^{2}\), where \(\Delta n\) represents the difference between the effective refractive indices of the NP and the host medium, and \({g}_{s}\) is an intensity-independent parameter, but depends on the size, shape and concentration of the NPs and the optical wavelength. By considering the NL refractive behavior of the colloids \(\left(\Delta n=\Delta {n}^{L}+\Delta {n}_{2}^{eff}I\right)\), it is possible to find expressions for the linear \(\left({\alpha }_{scat}^{L}={g}_{s}{\left[{\Delta n}_{L}\right]}^{2}\right)\) and NL \(\left({\alpha }_{scat}^{NL}=2{g}_{s}{\Delta n}_{L}{\Delta n}_{2}\right)\) scattering coefficients, with \({\alpha }_{scat}={\alpha }_{scat}^{L}+{\alpha }_{scat}^{NL}I\). Since the NL contribution of the SiO2 NPs was considered small compared to the solvent, \({\Delta n}_{2}\) corresponds mainly to the NL refractive index of ethanol, which became significant for higher intensities. Thus, as shown in Table 1, \({\alpha }_{scat}^{NL}<0\), decreasing the linear scattering coefficient for high intensities and corroborating the results of Fig. 5h,j. Therefore, in addition to the IC-scan technique allowing scattering-free NL refraction measurements, it also has the ability to distinguish linear and NL scattering contributions./p>