강도 상관 스캔(IC - 광저우 CMM 주식회사

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7239(2023) 이 기사 인용

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이 기사에 대한 저자 수정 사항은 2023년 5월 17일에 게시되었습니다.

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원하는 요소나 허위 요소로 인해 발생하는 광 산란은 탁한 매체의 비선형(NL) 광학 특성화에 큰 문제를 제시하는 주요 현상 중 하나로 간주됩니다. 가장 관련된 방해 요소는 다중 산란으로 인해 레이저 빔의 공간 강도 분포로 인해 발생하는 무작위 변형입니다. 이 연구에서 우리는 자기 초점에 의해 유발된 파면 변화에 민감한 반점 패턴을 생성하기 위해 광 산란을 활용하여 산란 매체의 NL 광학 응답을 특성화하는 새로운 도구로 강도 상관 스캔(IC-scan) 기술을 보고합니다. 그리고 자기 초점 흐림 효과. 더 높은 신호 대 잡음 비율을 갖는 피크 대 밸리 투과율 곡선은 기존 NL 분광학 기술이 실패하는 매우 탁한 매질에서도 다양한 반점 패턴의 공간 강도 상관 함수를 분석하여 얻습니다. IC 스캔 기술의 잠재력을 입증하기 위해 산란체로서 고농도의 실리카 나노구를 포함하는 콜로이드와 NL 입자 및 광 산란체 역할을 하는 금 나노막대의 NL 특성화가 수행되었습니다. 결과는 IC-스캔 기술이 잘 확립된 Z-스캔 및 D4σ 기술에 의해 부과된 한계를 극복하여 혼탁한 매질에서 NL 굴절률을 측정하는 데 더 정확하고 정확하며 강력하다는 것을 보여줍니다.

광 산란은 빛과 물질의 상호 작용으로 인해 관찰되는 가장 기본적인 광학 현상 중 하나이며, 이는 산란 부피에 대한 굴절률의 불균일성으로 인해 발생합니다1. 여러 경질 및 연질 응축 물질 시스템에서 산란의 관련성은 입자 크기 및 콜로이드 안정성2, 미세 결함 감지3, 광학 조직 진단4을 측정하고 광학 수퍼 응용 분야를 조사하기 위해 개발된 다양한 비침습적 기술에 의해 입증됩니다. -해상도5, 3차원 홀로그래피6, 현대 암호화7 및 무작위 레이저8. 이 마지막 시스템에서도 단일 산란에서 다중 산란 체제로 전환함으로써 복제 대칭 파괴9 및 광자 시스템의 Floquet 위상10과 호환되는 유리질 광 위상과 같은 새로운 광 확산 현상을 연구할 수 있었습니다. light11의 앤더슨 현지화도 마찬가지입니다. 그럼에도 불구하고, 빛과 상호 작용하는 매체가 더 조밀하고 무질서할수록 투과 또는 반사 빔의 공간적 및 시간적 강도 프로파일에서 산란된 광자로 인한 왜곡이 더 커집니다. 이는 광학 및 광자 시스템에서 항상 바람직하지 않습니다. 13,14.

스펙클 패턴은 무질서한 매질에 의해 산란된 간섭성 빔이 높은 산란도를 가질 수 있는 복잡한 강도 분포의 명확한 예입니다. 무작위로 분산된 강도와 위상을 갖는 이러한 패턴은 효과적으로 무작위 위상을 방해하는 다양한 산란파가 중첩된 결과입니다. 오랫동안 얼룩은 다양한 물리적 프로세스의 관찰을 오염시켜 신호 대 잡음비를 감소시키고 결과적으로 많은 광학 기술의 정밀도와 감도를 제한하는 시끄러운 현상으로 간주되었습니다. 이러한 해석은 빛 산란이 가짜 입자에 의해 발생하는 경우 합리적입니다. 먼지 또는 시스템 결함20,21,22. 그러나 얼룩이 시스템의 고유한 무질서의 결과인 경우 강도 상관 함수 및 전력 스펙트럼 밀도와 같은 통계적 특성을 분석하면 연구된 시스템의 광학 특성에 대한 관련 정보를 얻을 수 있습니다. 항성 물리학24, 무작위 레이저25,26,27, 광학 이미지 처리28, 광학 조작29, 다양한 재료의 윤곽, 변형, 진동 및 변형30의 정확한 측정30, 확산 변위 및 변형에서 반점 패턴에 대한 통계적 연구에 상당한 진전이 이루어졌습니다. 개체31 및 생물학적 조직 분석32.

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>