Analyse de corrélation d'intensité (IC

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7239 (2023) Citer cet article

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Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 17 mai 2023.

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La diffusion de la lumière, qu'elle soit provoquée par des éléments souhaités ou parasites, est considérée comme l'un des principaux phénomènes qui présentent de grands défis pour la caractérisation optique non linéaire (NL) des milieux troubles. Le facteur perturbateur le plus important est la déformation aléatoire subie par la distribution spatiale de l’intensité du faisceau laser en raison de la diffusion multiple. Dans ce travail, nous rapportons la technique de balayage par corrélation d'intensité (IC-scan) comme un nouvel outil pour caractériser la réponse optique NL des milieux diffusants, en tirant parti de la diffusion de la lumière pour générer des motifs de taches sensibles aux changements de front d'onde induits par l'auto-focalisation. et des effets d'auto-défocalisation. Les courbes de transmission crête à vallée, avec un rapport signal/bruit plus élevé, sont obtenues en analysant les fonctions de corrélation d'intensité spatiale des différents modèles de taches, même dans des milieux très troubles où les techniques conventionnelles de spectroscopie NL échouent. Pour démontrer le potentiel de la technique IC-scan, la caractérisation NL de colloïdes contenant une forte concentration de nanosphères de silice comme diffuseurs, ainsi que de nanorodes d'or, qui agissent comme des particules NL et des diffuseurs de lumière, a été réalisée. Les résultats montrent que la technique IC-scan est plus précise, plus précise et plus robuste pour mesurer les indices de réfraction NL dans des milieux troubles, surmontant les limitations imposées par les techniques bien établies de Z-scan et D4σ.

La diffusion de la lumière est l’un des phénomènes optiques les plus fondamentaux observés en raison de l’interaction de la lumière avec la matière, résultant d’inhomogénéités de l’indice de réfraction sur le volume de diffusion1. La pertinence de la diffusion dans plusieurs systèmes de matière condensée dure et molle est mise en évidence par les diverses techniques non invasives développées pour mesurer la taille des particules et la stabilité colloïdale2, la détection des micro-défauts3, le diagnostic des tissus optiques4, ainsi que pour étudier leurs applications dans les super-optiques. -résolution5, holographie tridimensionnelle6, cryptographie moderne7 et lasers aléatoires8. Même dans ce dernier système, en passant du régime de diffusion unique au régime de diffusion multiple, il a été possible d'étudier de nouveaux phénomènes de diffusion de la lumière, comme la phase lumineuse vitreuse compatible avec une rupture de symétrie de réplique9 et une phase Floquet10 dans les systèmes photoniques, ainsi que la localisation Anderson de la lumière11. Néanmoins, plus le milieu qui interagit avec la lumière est dense et désordonné, plus la distorsion provoquée par les photons diffusés dans les profils d'intensité spatio-temporels des faisceaux transmis ou réfléchis est importante, ce qui n'est pas toujours souhaité dans les systèmes optiques et photoniques12, 13,14.

Les motifs de taches sont un exemple clair de la distribution complexe d'intensité que peut subir un faisceau cohérent diffusé par un milieu désordonné, avec un degré élevé de diffusion. Ces modèles aux intensités et phases distribuées de manière aléatoire sont le résultat de la superposition de nombreuses ondes diffusées différentes qui interfèrent avec des phases effectivement aléatoires15. Pendant longtemps, les taches ont été considérées comme un phénomène bruyant qui contaminait l'observation de différents processus physiques, diminuant le rapport signal sur bruit et limitant par conséquent la précision et la sensibilité de nombreuses techniques optiques16,17,18,19. Une telle interprétation est raisonnable lorsque la diffusion de la lumière est provoquée par des particules parasites, à savoir. poussière ou imperfections du système20,21,22. Cependant, lorsque les taches sont le résultat du désordre inhérent au système, l’analyse de leurs propriétés statistiques, telles que la fonction de corrélation d’intensité et la densité spectrale de puissance, peut fournir des informations pertinentes sur les propriétés optiques du système étudié23. Des progrès significatifs dans l'étude statistique des motifs de taches ont été réalisés dans les domaines de la physique stellaire24, des lasers aléatoires25,26,27, du traitement optique des images28, de la manipulation optique29, des mesures précises du contour, de la déformation, des vibrations et des contraintes sur divers matériaux30, des déplacements et déformations des particules diffuses. objets31 et analyse de tissus biologiques32.

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>